BepiColombo

Zunächst werden zwei Startmethoden in Betracht gezogen. Ein erstes komplexes Szenario mit dem Einsatz von zwei Sojus-Raketen vom Weltraumbahnhof Baikonur , um jeden Orbiter zu starten, dessen Einheitsmasse dann etwa 1.500 kg beträgt  . Das zweite, kostspielige Szenario beinhaltet den Einsatz einer einzelnen Ariane-5- Rakete , um eine Masse von schätzungsweise 2.500 bis 2.800 kg in die Umlaufbahn zu bringen  . Die Entwicklung einer neuen Version der Fregat- Oberstufe der Sojus-Rakete sowie die Entscheidung, in Kourou eine Startrampe für diese Rakete zu bauen - ein zusätzlicher Leistungsgewinn - führt zur Annahme eines Szenarios des Einzelstarts durch eine Sojus-Fregat-Rakete von Kourou in2013, mit Einfügung in die Merkurbahn in 2019.

BebiColombo ist ursprünglich so konzipiert, dass sein Volumen unter die Verkleidung der Sojus- Trägerrakete passt und seine Masse nicht mehr als 80% dessen beträgt, was diese Rakete in die ausgewählte Umlaufbahn schießen kann. Aber während der Entwicklung wächst die Masse von BebiColombo bis zur Überschreitung der Kapazität der Trägerrakete und das Projekt grenzt an Abbruch in2008. Die Raumfahrtbehörde beschließt dennoch, das Projekt fortzusetzen, indem sie sich für den Start der Raumsonde durch eine viel stärkere Ariane-5- Rakete entscheidet , was die Kosten um 120 Millionen Euro erhöht. Endlich inDezember 2009, genehmigt das Wissenschaftliche Programmkomitee der Europäischen Weltraumorganisation die Neukonfiguration der Mission und unterzeichnet die 15. September 2011einen Startvertrag mit Arianespace .

Die größte Schwierigkeit der Mission ist die Notwendigkeit , wichtigen auszuführen propellant- raubend Gangwechsel in Reihenfolge in der Umlaufbahn um Merkur zu bekommen. Daher braucht man so viel Energie, um sich der Sonne zu nähern wie sich von ihr wegzubewegen, und es sind viele Flugbahnen erforderlich, die verschiedene Antriebsarten mit der Verwendung der Gravitationsunterstützung der inneren Planeten kombinieren. Wenn die gewählte Flugbahn komplex ist, liegt dies auch an der Tatsache, dass die Nutzlast (Sonden und Instrumente) erhöht wird, die mechanisch eine Verringerung der an Bord befindlichen Treibstoffmenge erzwingt, und es ist tatsächlich ein Überflug des Mondes, der es ermöglicht BepiColombo, um sich von der irdischen Anziehung zu befreien (siehe Abschnitt Transit zwischen Erde und Merkur ). Darüber hinaus erlaubt die maximale Treibstoffmenge, die die Ariane 5 verwenden kann, nicht, dass die Sonde auf eine direkte Flugbahn in Richtung Merkur geschickt wird.

Entwicklung (2007-2018)

2007 wählte die ESA Astrium Deutschland (später Airbus Defence and Space ) gemeinsam mit Thales Alenia Space Italy für die Realisierung der Raumsonde (MPO- und MTM-Module) aus. Weitere Studien, die während der Entwicklungsphase durchgeführt wurden, zeigen, dass Solarmodule, wie sie konzipiert wurden, dem Wärmestrom, den sie durchlaufen müssen, nicht gewachsen sind und ihre Oberfläche stark vergrößert werden muss. Unter Berücksichtigung weiterer Modifikationen des ursprünglichen Konzepts erhöht sich die Masse der Raumsonde auf 4 Tonnen, was den Start mit einer Ariane-5-Rakete erfordert.Die Kosten für die Europäische Weltraumorganisation belaufen sich auf 665 bis 970 Millionen Euro. Die ESA beschließt jedoch, das Projekt fortzusetzen. Der Start war dann für 2014 geplant, wurde jedoch aufgrund von Problemen bei der Entwicklung von elektrischen Triebwerken, Sonnenkollektoren und Antennen auf August 2015 und dann auf Juli 2016 verschoben.

Ein thermisches und strukturelles Modell von MPO wurde im August 2011 von Thales Alenia Space Italy (Subunternehmer von Astrium Deutschland) an ESTEC geliefert . Die Tests beginnen in dieser Einrichtung im September mit Simulationen der Exposition gegenüber hohen Temperaturen, die im LSS ( Large Space Simulator , eine große Kammer, die das Vakuum des Weltraums simuliert, um den Widerstand des Raumfahrzeugs gegenüber einem Orientierungsfehler in sonnennahen Regionen zu untersuchen). Im Dezember 2011 wurde das strukturelle und thermische Modell von MMO aus Japan an ESTEC geliefert. Die Messung der physikalischen Eigenschaften (Massenverteilung) der fertig montierten Raumsonde begann im Juli 2012. Die Montage des BepiColombo-Protovol-Modells (Modell, das sowohl für die Qualifizierung als auch für den Flug verwendet wird) wurde im Juli 2014 im Turiner Werk von Thales Alenia Space abgeschlossen . Die verschiedenen Module werden im Sommer 2015 an ESTEC geliefert, um Tests der auf den Markt kommenden Version von BepiColombo durchzuführen. Im November 2016 wurde bei der Vorbereitung der thermischen Tests des MTM-Antriebsmoduls ein großes elektrisches Problem in einem elektrischen Steuergerät festgestellt. Die Europäische Weltraumorganisation muss den Start um 6 Monate auf Oktober 2016 verschieben. Der neue Starttermin verschiebt die Ankunft der Raumsonde auf Dezember 2025. Im Sommer 2017 schließt die Raumsonde ihre Tests bei der Einrichtung des European Space . ab Agency, ESTEC, die sowohl in ihrer Konfiguration während des Erde-Quecksilber-Transits als auch nach der Trennung der beiden Module MPO und MMO durchgeführt wurden.

Schließlich werden die Gesamtkosten des Projekts für die europäischen und japanischen Raumfahrtagenturen auf 1,65 Milliarden Euro geschätzt.

Wissenschaftliche Ziele

Merkur

Merkur ist der nächste Planet die Sonne und die kleinsten in unserem Sonnensystem . Es bewegt sich in einer Entfernung von der Sonne zwischen 0,31 und 0,47  astronomischen Einheiten oder zwischen 46 und 70 Millionen Kilometern (eine Astronomische Einheit entspricht der Entfernung Erde-Sonne). Merkur umkreist die Sonne in 87.969  Tagen , aber da er in 3:2-Resonanz mit der Sonne ist, beträgt die Dauer eines Tages auf dem Planeten 58.646 Erdentage. Die Neigung der Rotationsachse des Merkur auf seiner Bahnebene ist die schwächste im Sonnensystem, kaum 2  Bogenminuten . Merkur ist ein terrestrischer Planet (im Gegensatz zu Gasplaneten), ebenso wie Venus , Erde und Mars . Es ist fast dreimal kleiner und fast zwanzigmal weniger massiv als die Erde, aber fast so dicht wie sie, mit einer Oberflächengravitation, die fast der des Mars entspricht, die jedoch fast doppelt so massiv ist. Seine bemerkenswerte Dichte ist auf die Bedeutung seines metallischen Kerns zurückzuführen , der mehr als 40% seines Volumens einnimmt, gegenüber nur 17% für die Erde. Ohne jede echte Atmosphäre ist seine Oberfläche sehr stark mit Kratern übersät und ähnlich der anderen Seite des Mondes . Das fast Fehlen einer Atmosphäre, kombiniert mit der Nähe der Sonne, führt zu Oberflächentemperaturen von 90 K ( −183 ° C ) am Boden von Polarkratern (wo die Sonnenstrahlen niemals erreichen) bis zu 700 K (+ 427 .). °C ).     

Erinnerung an die Ergebnisse der Messenger- Mission

Messenger , die einzige Weltraummission, die eine eingehende Untersuchung von Merkur durchgeführt hat, indem sie sich in eine Umlaufbahn um ihn herum platziert hat, erzielte trotz des bescheidenen Budgets (etwa viermal niedriger als das von BepiColombo), das es nicht erlaubte, bemerkenswerte Ergebnisse. tragen nur 47  kg wissenschaftliche Instrumente (BepiColombo: 130  kg ) und reduziert seine Beobachtungsmodi im Vergleich zu denen der europäischen Raumsonde. Die wichtigsten Ergebnisse der NASA-Raumsonde sind:

• die vollständige fotografische Abdeckung des Planeten, die Formationen offenbarte, die bisher keine Erklärung gefunden haben. Die Rekonstruktion der Genese der großen Lavaebenen, die hauptsächlich in der Region des Nordpols konzentriert sind, erfordert mehr Daten, als BepiColombo liefern könnte.
• eine Spektralanalyse der Oberfläche, die jedoch für die Südhalbkugel unvollständig ist, da die sehr elliptische Polarbahn von Messenger eine kurze Entfernung vom Nordpol, aber einen langen Weg vom Südpol entfernt,
• die Entdeckung des Schwefelreichtums der planetaren Kruste, der zehnmal größer ist als der der Erde, mit wichtigen Auswirkungen auf den Verlauf des Entstehungsprozesses des Planeten,
• das Vorhandensein eines teilweise flüssigen Kerns, bestätigt durch das Vorhandensein eines Magnetfelds,
• die Detektion von Wassereis in den Polargebieten, das permanent in den Schatten getaucht ist. Dieses Wassereis könnte von einem einzigen Asteroideneinschlag stammen. BepiColombo könnte erklärende Daten liefern.

Die wissenschaftlichen Ziele von BepiColombo

Die wissenschaftlichen Ziele von BepiColombo beziehen sich auf folgende Themen:

• Bestimmen Sie, wie Merkur entstanden ist, und verwenden Sie diese Daten, um unser Verständnis der Entstehung des Sonnensystems zu verbessern. Unser Sonnensystem wurde aus einer riesigen Wolke gebildet, die aus Gas kosmischen Ursprungs besteht, dem primitiven Sonnennebel. Das Studium der Zusammensetzung und Entwicklung von Planeten kann helfen, Informationen über ihre Struktur und Zusammensetzung zu liefern.

• Bestimmen Sie, wie sich Merkur seit seiner Entstehung entwickelt hat. Wie sehr hat es sich in den 4,6 Milliarden Jahren seither verändert?
• Welche Informationen können wir von Merkur über den Ursprung und die Entwicklung eines Planeten in der Nähe seines Sterns erhalten?

• Wie ist die innere Struktur von Merkur? Welche Größen haben der feste Kern und der flüssige Kern? Bestätigen Sie das Vorhandensein eines flüssigen Kerns.
• Woraus besteht Merkur? Erklären Sie das Fehlen von Spuren von Eisen bei allen spektroskopischen Analysen, wenn es der Hauptbestandteil des Planeten sein soll. Wie viel Eisen enthält der Planet und warum ist sein Kern noch teilweise flüssig?
• wie groß ist der kern? Warum ist die Dichte von Merkur so hoch?

• Gibt es Hinweise auf der Merkuroberfläche, die darauf hindeuten, dass geologische Prozesse im Gange sind? Ist der Planet geologisch aktiv wie die Erde oder ist er inaktiv wie der Planet Mars? Gibt es noch vulkanische Aktivität?
• Machen Sie eine Bestandsaufnahme der Krater nach Typ, räumlicher Verteilung und Anzahl. Die Raumsonde wird die auf der Oberfläche vorhandenen Formationen, insbesondere Krater, kartieren und die auf der Oberfläche vorhandenen Ablagerungen untersuchen.

• Merkur umkreist die Sonne auf einer elliptischen Umlaufbahn mit hoher Exzentrizität. Damit gehört er zu den Himmelskörpern, die den extremsten Bedingungen ausgesetzt sind: hohe Temperaturen, hohe Strahlungsrate, Beschuss durch ionisierte Teilchen. Wie entstehen Planeten so nah an ihrem Stern und wie entwickeln sie sich?
• die Anomalie des Perihelvorschubs des Merkur (42,98 Bogensekunden pro Jahrhundert) wurde durch die Krümmung der Raumzeit in der Nähe der Sonne erklärt. Wie können wir die Nähe zur Sonne nutzen, um Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen?

• Merkur hat ein intrinsisches Magnetfeld, Venus oder Mars jedoch nicht. Wie wird dieses Magnetfeld erzeugt und wie ist es aufgebaut?
• untersuchen die Wechselwirkungen des Magnetfeldes, der Magnetosphäre und der Exosphäre mit dem Sonnenwind . Dieser Wind, der aus geladenen Teilchen besteht, die von der Sonne emittiert werden, interagiert normalerweise mit der Umgebung der inneren Planeten und erzeugt Phänomene wie das Polarlicht, Strahlungsgürtel und Stürme in der Magnetosphäre. Treten diese Phänomene auf Merkur auf?

• Merkur hat eine sehr dünne und sich verändernde Atmosphäre, die Exosphäre , aber keine Ionosphäre. Wie ist die Exosphäre entstanden und wie wird sie rekonstituiert? Wie ist es aufgebaut und durch welche Prozesse entwickelt es sich?

• Merkur hat in den Kraterbereichen der Polarregionen Wassereisablagerungen, die permanent im Schatten liegen. Ist es reines Wassereis oder wird es mit anderen Materialien vermischt? Was sind diese anderen Materialien und was ist der Ursprung von Eis? Sind einige Wassermoleküle in der Atmosphäre eingeschlossen?

• Die Raumsonde soll Staub im interplanetaren Raum von Kometen und Asteroiden untersuchen, um unser Wissen über den inneren Bereich des Sonnensystems zu verbessern und eine Reihe von Prozessen, die in und um die Sonne herum auftreten, wie solare Stoßwellen, die nicht sein können, genauer zu beurteilen von der Erde entdeckt.

Durchführung der Mission

Transit zwischen Erde und Merkur (2018-2025)

BepiColombo wird gestartet am 19. Oktober 2018um 1:45 UTC von einer Ariane-5- ECA- Rakete . Die Rakete bringt die Raumsonde in eine heliozentrische Umlaufbahn, die ihr eine Übergeschwindigkeit von etwa 3  km/s verleiht . Etwas weniger als dreißig Minuten nach dem Abfeuern enden der Aufstieg und die Injektion mit der Trennung von Trägerrakete und MCS (zusammen gebildet aus den beiden Sonden MTM und MOSIF ). Eine automatische Sequenz löst die Aktivierung der kleinen Motoren aus, die die Ausrichtung der Raumsonde und den Einsatz der Solarpanels der MPO- und MTM-Module ermöglichen. Schließlich richtet die Raumsonde ihre Sonnenkollektoren in Richtung Sonne und beginnt dann, erste Daten über den Zustand ihrer Ausrüstung zur Erde zu übertragen. In den folgenden drei Monaten werden verschiedene Ausrüstungsgegenstände eingesetzt und überprüft: Ausfahren der Antennen mit mittlerer und hoher Verstärkung, des Pols, der die Magnetometersensoren trägt, Freigabe des Mechanismus, der die Schublenkung der Ionentriebwerke ermöglicht. Die Instrumente der MPO- und MMO-Module werden aktiviert und überprüft (soweit in der Transitkonfiguration möglich) und der Ionenantrieb getestet. Drei kleine Kameras, die auf dem MTM-Modul installiert sind, liefern Schwarzweißbilder und ermöglichen die Überwachung der Einsatzvorgänge.

Nach japanischer Tradition wird das von der JAXA Space Agency entwickelte MMO-Modul nach seinem Start umbenannt und erhält den Namen MIO.

Der Transit zwischen Erde und Merkur dauert etwas mehr als sieben Jahre. Um die Umlaufbahn um Merkur zu erreichen, muss die Raumsonde ihre Geschwindigkeit um 7  km/s reduzieren . Um dies zu erreichen, kombiniert BepiColombo die Wirkung seiner Ionenmotoren (die 4  km / s bereitstellen ), die Gravitationsunterstützung der Planeten und bei der Ankunft den Flüssigtreibstoffantrieb des MPO-Moduls. In dieser Phase sind bestimmte Beobachtungen mit den Instrumenten geplant, insbesondere während der beiden Überflüge des Planeten Venus .

Der Start bringt die Raumsonde in eine Umlaufbahn, die sie zunächst von der Sonne wegbewegt (1,2 AE oder 1,2-fache Entfernung Erde-Sonne) und die die kälteste Phase der Reise zum Merkur darstellt.

Am 10. April 2020, eineinhalb Jahre nach seinem Start, fliegt BepiColombo erfolgreich tief über der Erde. Die Gravitationsunterstützung dieser modifiziert die Umlaufbahn, indem sie näher an die Sonne gebracht wird. Die Sonde nähert sich bis zu 12.700  km von der Erde. Gleich nach dieser Passage geht BepiColombo in den Schatten der Erde über und tritt für 34 Minuten in eine Sonnenfinsternis ein  . Dies ist eine heikle Phase, da die Stromversorgung der Sonde über die Batterien erfolgt. Seit der Markteinführung ist dies das erste Mal, dass Sonnenkollektoren kein Sonnenlicht erhalten.

Während dieses Fluges werden verschiedene Instrumente von BepiColombo eingeschaltet. Dank der gesammelten Daten (Erde und Mond) und früherer Datenbanken (Modelle und andere Sonden) können Ingenieure und Wissenschaftler die verschiedenen Instrumente für Messungen rund um den Merkur im Jahr 2026 kalibrieren. Die MCAM-Kameras des MTM-Moduls sind eingeschaltet und machen Fotos vom Erde während der Annäherung der Sonde.

Nach dieser Gravitationshilfe befindet sich das Perihel nun bei 0,7 AE (näher an der Sonne als an der Venus). Dies ist die heiße Phase des Transits, und wenn die Raumsonde so nah wie möglich an der Sonne ist, muss der Ionenantrieb reduziert oder nicht unterbrochen werden, da die Sonnenkollektoren, die die für den Betrieb dieser Motoren erforderliche Energie liefern, nicht untergehen können Temperaturen über 190  °C und deren Einfall in Bezug auf die Sonneneinstrahlung muss entsprechend reduziert werden.

Überflüge und Gravitationsunterstützung der Venus

Die Raumsonde überfliegt erfolgreich den Planeten Venus auf15. Oktober 2020um 03:58 GMT (05:58 MESZ ). Es nähert sich bis zu einer Entfernung von 10.720  km . Während dieses Fluges bildet die Kamera MCAM 2 den Planeten in einer Entfernung von 17.000  km ab .

Es muss wieder über die Venus fliegen 11. August 2021. Der übermittelte Impuls ermöglicht es, sowohl die Bahnebene, in der BepiColombo zirkuliert, an die des Merkur zu bringen, als auch das Perihel näher an die Sonne zu bringen.

Zwischen der Erdumlaufbahn und der Umlaufbahn der Venus können Sonnenkollektoren nur einen einzigen Ionenmotor antreiben, der je nach Entfernung von der Sonne zwischen 90 und 130 Millinewton Schub liefert . Befindet sich die Flugbahn der Raumsonde in der Umlaufbahn der Venus, können zwei Ionentriebwerke mit einem Schub zwischen 195 und 290 Millinewton gestartet werden.

Überflüge und Gravitationsunterstützung von Merkur

Das Aphel der Umlaufbahn wird dann allmählich dem der Venus angenähert, indem man Merkur sechsmal überfliegt und über lange Zeiträume ionischen Antrieb verwendet. Am Ende all dieser Manöver kreist die Raumsonde in einer Umlaufbahn nahe der des Merkur mit einer relativen Geschwindigkeit von weniger als zwei Kilometern pro Sekunde, wodurch sie vom Planeten "eingenommen" werden kann.

Transitverlauf zwischen Erde und Merkur

Datiert	Veranstaltung
20. Oktober 2018	Umkreisen
10. April 2020	Überflug und Gravitationsunterstützung der Erde
15. Oktober 2020	Überflug und erste Gravitationshilfe der Venus
11. August 2021	Überflug und zweite Gravitationshilfe der Venus
2. Oktober 2021	Überflug und erste Gravitationshilfe von Merkur
23. Juni 2022	Überflug und zweite Gravitationsunterstützung von Merkur
20. Juni 2023	Überflug und dritte Gravitationshilfe von Merkur
5. September 2024	Überflug und vierte Gravitationshilfe von Merkur
2. Dezember 2024	Überflug und fünfte Gravitationsunterstützung von Merkur
9. Januar 2025	Überflug und sechste Gravitationsunterstützung von Merkur
Anfang Oktober 2025	Freigabe des Ionenantriebsmoduls (MTM)
5. Dezember 2025	Einschleusen in die Umlaufbahn mit den chemischen Antriebsmotoren von DFO
Geschwindigkeit (km/s) und Entfernung (Millionen km) in Bezug auf Merkur von BepiColombo zwischen dem 20. Oktober 2018 (Start) und Ende 2025 (Einschub in die Umlaufbahn um den Planeten) während seines Transits zwischen Erde und Merkur. Die roten Kreise entsprechen Überflügen des Planeten (mit Gravitationsunterstützung ).

Einfügung in die Umlaufbahn um Merkur

Zwei Monate vor dem Einsetzen in die Umlaufbahn um Merkur wird das MTM- Modul nach Beendigung seiner Aufgabe abgeworfen und es sind die Flüssigtreibstoffe des MPO-Moduls, die für die anschließende Einbringung in die Umlaufbahn und die Flugbahnkorrektur verwendet werden. Der elektrische Antrieb begrenzt die Ankunftsgeschwindigkeit auf Merkur, was es ermöglicht, sich ohne Verzögerung in eine Umlaufbahn um einen der Lagrange L1 / L2-Punkte des Merkur-Sonne-Systems zu begeben, wodurch ein kritisches Manöver vermieden wird.

Das Weltraum-Ensemble (MMO, MPO und MOSIF) begibt sich dann in den Einflussbereich des Merkur, bevor es vom Planeten in einer Umlaufbahn von etwa 674 × 178.000 km erfasst wird  , eine Technik, die als „  schwache Stabilitätsgrenzenerfassung  “ bekannt ist.

Danach wird diese Umlaufbahn allmählich reduziert, da die Einschubphase ( MOI ) mit fünf Feuern der chemischen Triebwerke beginnt, um den Apoastro zu reduzieren und zunächst die operative Umlaufbahn der MMO-Sonde bei 590 × 11.640  km zu erreichen, die dann freigegeben wird. Die Operation unterliegt mehreren wichtigen Einschränkungen, darunter:

• die Unfähigkeit, während einer Sonnenkonjunktion und sieben Tage davor Befehle an das Raumfahrzeug zu senden.
• Um die thermischen Beschränkungen zu respektieren, muss die Rotation des Schiffes mit der Bahnbewegung des Merkur synchronisiert werden und es darf kein Manöver in einer Zone von plus oder minus 60 ° um das Perihel von Merkur erfolgen.
• das Schiff durchläuft "Eclipse-Jahreszeiten", die die Stromversorgung beeinträchtigen können; Somit könnte die Mission gefährdet werden, wenn die Trennung des MMO-Moduls nicht vor der Sonnenfinsternissaison erfolgt.

Das MOSIF-Modul wird dann kurz darauf ausgeworfen, sodass die MPO-Sonde eine Reihe von zehn Manövern durchführen kann, um in ihre Arbeitsbahn bei 480 × 1.500  km zurückzukehren .

Die Insertionsphase (MOI) dauert insgesamt drei Monate, hinzu kommt die finale Inbetriebnahme des MPO-Moduls, die ca. einen weiteren Monat in Anspruch nimmt.

• BepiColombo im Orbit

• MMO-Drop.

• MMO und MPO umkreisen Merkur.

Die Explorationsphase (2026-2027)

Um die Missionsziele zu erfüllen, wurde die Missionsdauer sowohl für MMO- als auch für MPO-Raumfahrzeuge auf ein Landjahr festgelegt. Während dieser Zeit umkreist der Planet Merkur die Sonne viermal. Optional ist geplant, die Mission um ein Erdenjahr zu verlängern.

Der MPO-Orbiter ist so ausgerichtet, dass seine Fernerkundungsinstrumente kontinuierlich Informationen über die Merkuroberfläche sammeln. Außerdem sind die Sensoren dieser Instrumente auf derselben Seite der Raumsonde zusammengefasst, die permanent auf die Oberfläche gerichtet ist. Infolgedessen sind 5 der 6 Seiten des Orbiters irgendwann der Strahlung der Sonne ausgesetzt. Die nicht exponierte Seite wird von dem Heizkörper eingenommen, der für die Ableitung der Wärme verantwortlich ist, die durch den Betrieb der Instrumente erzeugt wird und die Wärme der Sonne und des Merkur, die durch die Wärmeisolierungsschichten hindurchgegangen sind.

Erdsegment

Die Steuerung von BepiColombo vom Boden aus wird von mehreren Einrichtungen übernommen. Während des Phasentransits zum Merkur leitet die Europäische Weltraumorganisation den Betrieb vom Kontrollzentrum des ESOC in Darmstadt (Deutschland) aus und verwendet die 35 Meter Antenne  von Cebreros in Spanien , um mit der Raumsonde zu kommunizieren.

Sobald die Einbringung in den Orbit abgeschlossen ist, übernimmt ESOC die Kontrolle über das MPO-Modul, während das Sagamihara-Zentrum der japanischen Raumfahrtbehörde die MMO-Moduloperationen mit Usudas 64- Bit-Satellitenschüssel mit einem Durchmesser von Metern überwacht .

Der wissenschaftliche Betrieb liegt in der Verantwortung der ESAC ( Villafranca del Castillo , Spanien) Einrichtung der Europäischen Weltraumorganisation. Dieser plant die Beobachtungen mit den beteiligten Wissenschaftlern und kümmert sich um die Archivierung und Verteilung der gesammelten Daten.

Allgemeine Eigenschaften der Raumsonde

BepiColombo umfasst zwei unabhängige Raumsonden und zwei technische Module, die während des Transits zwischen Erde und Merkur integriert sind, aber getrennt werden, sobald ihr Ziel erreicht ist:

• MPO ( Mercury Planetary Orbiter ) ist ein stabilisierter 3-Achsen- Orbiter , der von der Europäischen Weltraumorganisation entwickelt wurde und elf Instrumente trägt, die sowohl die Oberfläche als auch die Exosphäre von Merkur untersuchen sollen.
• MMO ( Mercury Magnetospheric Orbiter ) von der japanischen Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung JAXA ist ein Spinner- Orbiter mit fünf Instrumenten zur Untersuchung der Magnetosphäre des Planeten.
• MTM ( Mercury Transfer Module ) treibt alle vier Module während des Transits zwischen Erde und Merkur mit vier Ionentriebwerken an . Nachdem es seine Rolle erfüllt hat, wird es am Ende dieser Phase freigesetzt, jedoch vor dem Einsetzen in die Umlaufbahn um Merkur, um seine Erfassung durch den Planeten zu vermeiden.
• MOSIF ( Magnetospheric Orbiter Sunshield and Interface Structure ) stellt eine mechanische und elektrische Schnittstelle zwischen MPO und MMO dar und schützt letztere für die Dauer des Transits vor Sonneneinstrahlung. Es wird abgeworfen, sobald das MMO in seiner operativen Umlaufbahn um Merkur zirkuliert.

Die vier Module bilden ein Set von 3,9 × 3,6 × 6,3 Metern mit einer Spannweite von 30,4 Metern, wenn die Solarpanels des MTM-Antriebsmoduls eingesetzt werden. BepiColombo hat eine Masse von 4121  kg beim Start, darunter ca. 1.400  kg von Treibmittel .

Eigenschaften der BepiColombo-Module.

Feature	MPO-Modul	MMO-Modul	MTM-Modul	MOSIF-Modul
Rolle	Studium der Oberfläche und der Exosphäre	Studium der Magnetosphäre	Antrieb während des Transits zum Merkur	MMO-Schutz und technische Schnittstelle
Masse	1230  kg	225  kg	2.645  kg	145  kg davon 20  kg für die MMO-Auswurf- und Rotationsvorrichtung
Maße	2,4 × 2,2 × 1,7  m	1,8 × 1,8 × 1,1  m	3,5 × 3,7 × 2,3  m	3 x 1,8  m
Gesamtumfang (Solarmodule bereitgestellt)	7,8  m²	1,8  m	30,4  m	-
Wissenschaftliche Instrumente	11 (85  kg )	5 (45  kg )	-
Erzeugte Energie	935–1565 Watt	348–450 Watt	7–14 Kilowatt
Energieverbrauch von Instrumenten	110–180 Watt	90 Watt	-
Ergols	Flüssigtreibstoffe: 669  kg	-	Xenon 587  kg Flüssigtreibstoffe 157  kg
Delta-V	~ 1  km / s	-	~ 5  km / s
Telekommunikation	im Ka-Band über verstellbare Antenne 1 Meter	im X-Band über 0,8 Meter Phasenantenne	-
Wissenschaftliches Datenvolumen	1.550  Gigabit / Jahr	100  Gigabit / Jahr	-

Das Mercury-Transfer-Modul (MTM)

Das Mercury Transfer Module (MTM ) ist dafür verantwortlich, die Einheit aus MMO und MPO von der Erde in die Umlaufbahn des Merkur zu befördern. Es wurde zwei Monate vor dem Orbit abgeworfen. Mit einem Gewicht von 2.645  kg verwendet es einen elektrischen Antrieb und einen chemischen Antrieb. Während langer elektrischer Antriebszeiten wird der Satellit dreiachsig mit einer Ausrichtung stabilisiert, die auf den Schubvektor der Triebwerke ausgerichtet ist. Wenn der Antrieb nicht aktiv ist, wird die Raumsonde durch Rotation stabilisiert (spind), um den Verbrauch an chemischen Treibstoffen zu begrenzen, der bei einer festen Ausrichtung erforderlich wäre.

Das elektrische Antriebssystem von MEPS

Die MEPs ( MTM elektrisches Antriebssystem ) elektrisches Antriebssystem besteht aus vier T6 Gitterionenmotoren jeweils Bereitstellen 145  Millinewton von Schub . Der Schub kann durch Änderung der elektrischen Leistung moduliert werden. Diese kann zwischen 2,5 und 4,6 Kilowatt schwanken, bzw. einen Schub zwischen 75 und 145 mN liefern  . Der entsprechende spezifische Puls liegt zwischen 3.958 und 4.285 Sekunden. Diese Motoren stoßen Xenon aus, das in drei Tanks gespeichert ist. Das Modul verfügt über 580  kg Xenon, was eine Gesamt- Delta-V von 5400  m/s liefert . Jeder Motor kann individuell ausgerichtet werden, so dass der Schubvektor beim Verbrauch der Treibstoffe kontinuierlich durch den Massenschwerpunkt geht . Der Schub kann absichtlich außermittig sein, um ein Reaktionsrad zu entsättigen . Der normale Betriebsmodus besteht darin, zwei der vier Motoren zu betreiben. Sie werden vom englischen Hersteller QinetiQ geliefert und sind vom T5-Motor der europäischen Mission GOCE abgeleitet . Während der Mission soll der Elektroantrieb insgesamt 880 Tage in Betrieb sein, verteilt auf mehr als 25 Antriebsphasen, von denen die längste 167 Tage dauern soll. Die Vortriebsphasen werden 30 Tage vor dem Überflug jedes Planeten unterbrochen, um die Überflugparameter, die für die Genauigkeit der Gravitationsunterstützung eine wichtige Rolle spielen, nicht zu verändern .

Ionenmotoren müssen mit elektrischer Energie versorgt werden und benötigen eine Leistung von bis zu 11  kW . Das MTM-Modul verfügt über zwei riesige Solarpaneele mit einer Länge von jeweils 14 Metern (die Gesamtspannweite des Moduls beträgt dann ca. 30  m ) und bietet eine Leistung von bis zu 13  kW .

Bis zu einer Entfernung von 0,62  astronomischen Einheiten von der Sonne können die Solarpanels direkt auf die Sonne gerichtet werden, ohne Schaden zu nehmen, aber darunter wird die Energie der Sonnenstrahlung zu groß und bringt die Temperatur der Panels auf Werte die sie degradieren. Um diesen Temperaturanstieg zu vermeiden, werden sie allmählich geneigt, um eine reduzierte dem Sonnenstrom zugewandte Oberfläche zu bieten. Wenn der Energiebedarf maximal ist, und zwar nur während der Spitzenzeiten der Ionenmotoren, werden die Solarpaneele dann so ausgerichtet, dass sie beide die erforderliche Energie bereitstellen können, ohne jedoch ihre Betriebstemperatur zu überschreiten. Diese Einschränkung führt im Gegenzug zu einer großen Fläche von Sonnenkollektoren, in diesem Fall 42  m 2 .

Überwachungskameras - MCAM

Das MTM ist mit drei Überwachungskameras ausgestattet. Mit einer Auflösung von 1024x1024 Pixeln und monochromatisch sind sie so ausgerichtet, dass sie eines der beiden Solarpanels (M1) des MTM, die Medium-Gain-Antenne (M2) und die High-Gain-Antenne (M3) des MPO-Orbiters filmen. Der MMO Orbiter ist bei diesen Kameras nicht sichtbar.

Sie ermöglichen es Ihnen, nach dem Absenden einer Bestellung vom Boden aus zu überwachen, dass alles perfekt gelaufen ist. Sie bestätigten insbesondere vonOktober 2018Einsatz von Sonnenkollektoren und zwei Antennen. Seitdem werden sie regelmäßig angezündet, um ihre Funktion zu überprüfen oder jede Veränderung der Ausrichtung der Antennen zu filmen. Die M3-Kamera wird am häufigsten verwendet, da sie auf der High-Gain-Antenne zentriert ist, deren Ausrichtung sich regelmäßig ändert, um auf die Erde zu zeigen.

Diese Kameras haben auch einen rein medialen Zweck, denn sie ermöglichen es, Bilder schnell in sozialen Netzwerken zu teilen und so die breite Öffentlichkeit zu erreichen .

• Details zum MTM-Modul

• Struktur und Kraftstofftanks.

• Detail von Flüssigtreibstoff-Triebwerken.

• Detail von Flüssigtreibstoff-Triebwerken.

Der MPO-Orbiter

Plattform

Der MPO ( Mercury Planetary Orbiter ) ist eine stabilisierte 3-Achsen -Raumsonde , die auf einer elliptischen Polarbahn (480 × 1.500  km ) platziert ist. Es reist in 2,3 Stunden eine Umdrehung um den Planeten. MPO, das von der Europäischen Weltraumorganisation entwickelt wurde , zielt darauf ab, den Planeten zu untersuchen. Seine Masse beträgt 1140  kg und er trägt eine Nutzlast von 85  kg .

Die Solarenergie wird von drei Sonnenkollektoren geliefert , die einen einzigen verstellbaren Flügel von 7,5  m Länge für eine Fläche von 8  m 2 bilden und eine durchschnittliche Leistung von bis zu 1.800 Watt erzeugen. Um ihre Temperatur auf 215  ° C zu begrenzen , sind die Platten teilweise mit reflektierenden Teilen ( OSR ) bedeckt, aber auch so ausgerichtet, dass ihr Gesicht nicht senkrecht zur Sonnenstrahlung steht.

Um die durch die Albedo- und Infrarotstrahlung des Merkur induzierten Temperaturgrenzen nicht zu überschreiten, sorgt das Lage- und Bahnkontrollsystem ( AOCS ) der Sonde dafür, dass sie kontinuierlich rotiert. Die Lagesteuerung wird durch Verwendung von vier erreicht Reaktionsrädern und zwei redundante Sätze von vier Raketenmotoren 10  Newtons von Schub Verbrauchen des Hydrazin . Die Ausrichtung des Moduls wird mit Hilfe von 3 Sternsensoren , zwei Inertialeinheiten mit jeweils 4 Beschleunigungsmessern und 4 Gyroskopen und zwei Sätzen von zwei redundanten feinen Sonnensensoren bestimmt . Die Flugbahnkorrekturen werden zwei redundanten Sätzen von vier Raketenmotoren mit 22 Newton Doppeltreibstoff-Schub anvertraut, die eine Mischung aus Hydrazin und MON-3 verbrauchen .

Telekommunikation wird im X-Band durch eine steuerbare Antenne mit großem Gewinn von 1 Meter Durchmesser, eine steuerbare Antenne mit mittlerem Gewinn und zwei feste Antennen mit niedrigem Gewinn bereitgestellt.

Wärmeregulierungssystem

Der MPO-Orbiter ist einem besonders restriktiven thermischen Regime ausgesetzt. In seiner Arbeitsumlaufbahn fällt das Modul auf weniger als 0,3 Astronomische Einheiten von der Sonne. Darüber hinaus gibt die Oberfläche von Merkur, die der Orbiter alle zwei Stunden überfliegt, den vom Stern emittierten Wärmestrom vollständig zurück. Die Sonneneinstrahlung liegt zwischen 6.290 W/m 2 im Aphel seiner Umlaufbahn und 14.500 W/m 2 im Perihel . Die Oberfläche des Orbiters wird auf Temperaturen über 400  °C erhitzt . Um dieses Problem zu lösen, ist der Körper von MPO mit drei Schichten Wärmedämmung bedeckt. Die Hochleistungs-Außenschicht (Keramikgewebe) hält 450  ° C stand, ohne sich zu verschlechtern . Die Zwischenschicht ist bis zu einer Temperatur von 250  °C beständig . Schließlich wird eine Schicht einer standardmäßigen thermischen Beschichtung auf die Struktur des MPO und die direkt der Sonne ausgesetzten Teile der Raumsonde angebracht. Die drei Schichten sind durch Abstandshalter um 2 cm voneinander beabstandet,  um den Aufprall von Mikrometeoriten abzufedern.

Trotz der Isolationsschichten müssen 300 Watt eingehende Wärme und 1200  W, die von der Elektronik und der Sondenausrüstung erzeugt werden, durch ein Netzwerk von 97 Röhren abgeführt werden, die mit einem Radiator verbunden sind, der diese innere Wärme abführt. Der Strahler ist an der Vorderseite der Maschine montiert, die nie der Sonne ausgesetzt ist und daher immer auf Merkur ausgerichtet ist. Damit der Strahler beim Auftreffen der von der Oberfläche des Planeten ausgehenden Wärmestrahlung seine Rolle spielen kann, ist er teilweise mit schrägen Lamellen abgedeckt und von der Oberfläche des Strahlers thermisch entkoppelt. Diese bestehen aus Titan mit Silberbeschichtung und haben eine geschwungene Form, die den Wärmefluss von Quecksilber widerspiegelt.

Wissenschaftliche Instrumente

BELA Höhenmesser

BELA ( BepicolomBo Laser Altimeter ) ist ein Laser- Höhenmesser, der verwendet wird, um die Topographie von Merkur darzustellen, indem die Höhe und die Koordinaten (in einem auf Merkur zentrierten Referenzrahmen) eines Netzwerks von Punkten auf der Oberfläche bereitgestellt werden. Diese Informationen werden die Erstellung eines digitalen Geländemodells ermöglichen, das für Studien der Geologie, Tektonik und zur Schätzung des Alters der Oberfläche verwendet wird. BELA verwendet eine klassische Technik, die darin besteht, einen Laserstrahl auszusenden, der von der Quecksilberoberfläche reflektiert und 5 Millisekunden nach seiner Emission von einem zum Instrument gehörenden Teleskop analysiert wird. Die empfangenen Daten sind für eine Satellitenhöhe von 1.050 km optimiert  . Der Laserstrahl wird alle 250 Meter auf das Bodengleis ausgesendet . Diese sind am Äquator 25 km voneinander entfernt  und in höheren Breiten viel weniger. Der Abstand zwischen den Spuren am Boden wird am Ende der Mission auf Äquatorhöhe weniger als 6  km betragen. BELA gibt auch Auskunft über die Rauheit und Albedo des Geländes. Das Instrument wird von der Universität Bern und dem Institut für Planetenforschung des DLR in Berlin bereitgestellt .

MPO-MAG-Magnetometer

Das MPO-MAG Magnetometer ist Teil der MERMAG ( Mercury Magnetometer ) Reihe von Magnetometern, die auch zwei Magnetometer umfasst, die an Bord des MMO-Orbiters installiert sind: MPO-MAG und MMO-MGF. MPO-MAG enthält zwei digitale Magnetometer, die das Magnetfeld von Quecksilber im Detail messen. Ziel ist es, den Ursprung dieses Feldes, seine Entwicklung zu verstehen und daraus die innere Struktur des Planeten abzuleiten. Die Messungen werden mit einer Abtastfrequenz von 128  Hz durchgeführt, die auf Befehl bis auf 0,5 Hz reduziert werden kann  . Die beiden Magnetometer sind auf einem Mast in unterschiedlichen Abständen vom Körper des Orbiters installiert, um den Einfluss der vorhandenen elektrischen Ströme und Magnete zu bestimmen. Das Instrument wird von der Technischen Universität Braunschweig in Deutschland entwickelt .

ISA-Beschleunigungsmesser

ISA ( Italian Spring Accelerometer ) ist ein dreidimensionaler Beschleunigungsmesser, der die auf die Raumsonde wirkenden Kräfte misst, die durch den Strahlungsdruck der Sonnenstrahlung im sichtbaren Bereich und durch die von Merkur erzeugte Infrarotstrahlung erzeugt werden. Die gesammelten Daten werden mit denen des Sternfinders, der Kamera und des eingebauten Repeaters kombiniert, um die genaue Position und Ausrichtung des MPO relativ zur Erde und zu Referenzpunkten auf der Merkuroberfläche zu bestimmen. Der Beschleunigungsmesser spielt eine wichtige Rolle im MORE Radio Science Experiment. Das Instrument wird vom Institute of Astrophysics and Space Planetology of Rome (IAPS) entwickelt.

MEHR radiowissenschaftliches Experiment

MORE ( Mercury Orbiter Radio-science Experiment ) ist ein radiowissenschaftliches Experiment, das verwendet wird, um das Gravitationsfeld von Merkur zu messen und so die Größe und den physikalischen Zustand des Planetenkerns zu bestimmen. Diese wiederum werden dazu beitragen, die Struktur von Merkur zu modellieren und Gravitationstheorien mit beispielloser Präzision zu testen. Außerdem soll es möglich sein, den Abflachungsgrad der Sonne zu messen und die Genauigkeit des Systems zur Positionsbestimmung der Raumsonde zu charakterisieren. Diese Ziele resultieren aus der Nutzung der von MORE an der Bodenstation, aber auch von Bordinstrumenten (BELA, ISA und SIMBIO-SYS) bereitgestellten Daten sowie des Orientierungskontrollsystems BepiColombo. Das direkt zugehörige Instrument ist ein im Ka-Band arbeitender On-Board-Repeater, dessen Signal von den Bodenstationen genutzt wird. Die direkt von MORE erzeugten Daten sind der Abstand zur Station mit einer Genauigkeit von 15  cm und die Beschleunigung relativ dazu mit einer Genauigkeit von 1,5  µm/s 2 (bei einer Integrationszeit von 1000  s ). Die Erfahrung wird von der Universität Rom "La Sapienza" entwickelt .

MERTIS Infrarot-Bildgebungsspektrometer

Das Infrarot- Spektrometer MERTIS ( Quecksilberradiometer und thermisches Infrarotspektrometer ) liefert Daten über die geologische Zusammensetzung der Merkuroberfläche . Dies ist wohl der älteste unter den Planeten im Sonnensystem. Die Kenntnis seiner Zusammensetzung spielt eine entscheidende Rolle bei der Wahl zwischen den verschiedenen Szenarien der Prozesse, die in den inneren Regionen des Sonnensystems zu Beginn seiner Entstehung ablaufen. Die spektrale Strahldichte der Merkuroberfläche auf der Tagesseite wird bei Wellenlängen größer 1,2 µm (bei 725  K ) von der Wärmestrahlung dominiert,  die die reflektierte Strahlung der Sonne überwiegt. Das Spektralband zwischen 0,8 und 2,8  µm ist ein Übergangsbereich, aber die Wärmeströme überwiegen die reflektierten Ströme, was es ermöglicht, die Mineralien zu identifizieren, deren Hauptemissionslinien in diesem Teil des Spektrums liegen. MERTIS verwendet Mikro- Bolometer - Technologie , die kein Kühlsystem erfordert. Das abgedeckte Spektralband reicht von 7 bis 14  µm für das Spektrometer und von 7 bis 40  µm für das Radiometer . Das Sichtfeld beträgt 4° und der Messbereich des Instruments beträgt 28° . Die spektrale Auflösung von 90  nm kann geändert werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis relativ zu den im beobachteten Bereich vorhandenen Mineralien zu optimieren. Dieses Verhältnis, das standardmäßig mindestens 100 beträgt , kann auf 1000 erhöht werden, wenn die Oberfläche feinkörnig und teilweise glasig ist. Das Instrument soll es ermöglichen, eine mineralogische Karte von 5 bis 10 % der Erdoberfläche mit einer räumlichen Auflösung von 500 Metern und eine Temperaturkarte mit einer räumlichen Auflösung von 28  km zu erstellen . Es wird von der Universität Münster und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt .

SERENA Partikeldetektor

SERENA ( STart from a ROtating Field mass spectrOmeter ) ist ein Instrument, das in situ die neutralen und ionisierten Teilchen misst, die in der Umgebung des Weltraums von Merkur vorhanden sind. Die gesammelten Daten beziehen sich auf die Kopplungen zwischen der Magnetosphäre , der Exosphäre und der Oberfläche des Planeten sowie auf die Wechselwirkungen zwischen energetischen Teilchen, dem Sonnenwind , Mikrometeoriten und dem interplanetaren Medium . Das Instrument, das vom Institut für Astrophysik und Weltraumplanetologie in Rom zur Verfügung gestellt wird , umfasst vier komplementäre Detektoren zur Messung neutraler und ionisierter Teilchen:

• ELENA ( Emitted Low-Energy Neutral Atoms ) ist ein Detektor für neutrale Teilchen. Das Instrument untersucht die von der Oberfläche des Planeten austretenden neutralen Gase, indem es ihre Dynamik und die bei der Arbeit ablaufenden Prozesse analysiert. Das Instrument mit einem Sichtfeld von 4,5° x 76° und einer Winkelauflösung von 4,5° x 4,5° misst die Energie der Teilchen zwischen 20 und 5000  eV  ;
• STROFIO ( Emitted Low-Energy Neutral Atoms ) ist ein Massenspektrometer, das die Zusammensetzung von Gasen in der Exosphäre bestimmt. Es analysiert neutrale Teilchen, deren Energie kleiner als 1  eV ist . Sein Sichtfeld beträgt 20 ° (in Bewegungsrichtung des Satelliten), seine Massenauflösung  (in) beträgt 60 und seine zeitliche Auflösung beträgt 10 Sekunden;
• MIPA ( Miniature Ion Precipitation Analyzer ) analysiert Ionen, deren Energie zwischen 15 und 15.000  eV liegt und die die Oberfläche des Planeten bombardieren. Der Detektor bestimmt ihre Masse (Massenauflösung 5) und ihr Energiespektrum (spektrale Auflösung 7%).
• PICAM ( Planetary Ion CAMera ) ist ein Massenspektrometer, das Ionen aus dem ganzen Himmel misst. Das Instrument untersucht die Kette von Prozessen, die Partikel aus dem Boden ausstoßen und in die Exosphäre von Merkur projizieren.

Symbio-SYS Bildgebungsspektrometer

Das bildgebende Spektrometer SYMBIO-SYS ( Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System ) liefert Daten über die Oberflächengeologie von Merkur, seinen Vulkanismus, Tektonik, Oberflächenalter und Geophysik. Das Instrument wird gemeinsam vom Osservatorio Astronomico di Padova , der Universität Padua und der italienischen Raumfahrtbehörde entwickelt. Es vereint eigentlich drei Instrumente:

• STC ( Stereo Channel ) ist eine Kamera mit zwei Optiken, die Stereobilder der Oberfläche mit einer räumlichen Auflösung von 50 Metern pro Pixel liefert . Das Sichtfeld beträgt 4° und die Bilder werden in 4 Frequenzbändern aufgenommen: panchromatisch (650  nm ), 550, 700 und 880  nm . Die von STC aufgenommenen Bilder werden verwendet, um die detaillierte Topographie der Merkuroberfläche zu erstellen;
• HRIC ( High Spatial Resolution Imaging Channel ) ist eine hochauflösende Kamera, die entwickelt wurde, um detaillierte Bilder von vorgewählten Zielen aufzunehmen. Das Sichtfeld beträgt 1,47°. Die Bilder haben eine räumliche Auflösung von 5 Metern pro Pixel an der Periapse. Sie werden in den gleichen Frequenzbändern wie das STC-Instrument aufgenommen. Am Ende der Mission werden mehr als 10 % der Planetenoberfläche von HRIC fotografiert worden sein;
• HIVI ( Visible Infrared Hyperspectral Imager Channel ) ist ein bildgebendes Spektrometer, das im sichtbaren und nahen Infrarotspektrum (400 bis 2000  nm ) arbeitet. Seine spektrale Auflösung von 6,25  nm und die Bilder haben eine räumliche Auflösung von 100 Metern auf der Bahn periapse (Höhe 400  km ). Das Hauptziel dieses Instruments besteht darin, eine Zahlenkarte mit einer Mindestauflösung von 400 Metern und einem Konfidenzniveau von 5-10% bereitzustellen.

PHEBUS Ultraviolett-Spektroskop

PHEBUS ( Probing of Hermean Exosphere By Ultraviolet Spectroscopy ) ist ein Ultraviolett- Spektroskop , das das Spektrum der in die Exosphäre emittierten Strahlung misst, indem es Beobachtungen über dem Rand des Merkur macht. Es umfasst einen einzelnen optischen Teil, der mit zwei Beugungsgitter-/Detektoranordnungen verbunden ist, von denen jede einen Teil des ultravioletten Spektrums abdeckt. Die einfallende Strahlung tritt durch einen im Strahler installierten Deflektor, der einen Winkel von 10° bildet. Der Deflektor kann um 360 ° gedreht werden, wodurch das Ziel geändert und eine bestimmte Exosphärenregion oder -höhe beobachtet werden kann. Das EUV-Spektroskop deckt das 55-155- nm- Band ab und kann Linien zweiter Ordnung im 25-50- nm- Band beobachten  . Das zweite Spektroskop deckt das 145-315 nm- Band  sowie die Wellenlängen 404 und 422  nm ab . Die spektrale Auflösung beträgt 1  nm . Der Zweck der Messungen besteht darin, die Kopplungen zwischen der Oberfläche, der Exosphäre und der Magnetosphäre von Merkur besser zu verstehen. Die Zusammensetzung und vertikale Struktur der Exosphäre wird bereitgestellt. Das Instrument wird gemeinsam vom französischen Labor LATMOS und dem Institut für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften entwickelt .

MIXS Röntgen-Bildgebungsspektrometer

MIXS ( Mercury Imaging X-ray Spectrometer ) ist ein im Ultraviolett arbeitendes bildgebendes Spektrometer. Es nutzt das Phänomen der Röntgenfluoreszenz  : Die Röntgenstrahlung der Sonnenkorona regt die Atome der Oberflächenschicht auf der Oberfläche von Merkur an. Dieses Phänomen beeinflusst die K- und L-Elektronenschichten von Atomen, die Energie in Form von für das chemische Element charakteristischen Emissionslinien wieder emittieren. Durch die Analyse des Spektralbandes 0,5 - 7,5  keV können wir die Häufigkeit der leichten Atome bestimmen, aus denen die Gesteine ​​bestehen: Magnesium, Aluminium, Silizium, Titan und Eisen. Die Messung wird anhand des einfallenden Sonnenflusses unter Verwendung der vom SIXS-Instrument bereitgestellten Daten kalibriert. MIXS besteht aus zwei Instrumenten. MIXS-T liefert hochauflösende Bilder mit einem Sichtfeld von 1°. MIXS-C ist ein Weitwinkelinstrument (10°). Die vom MIXS-Instrument bereitgestellten Daten erfüllen drei wissenschaftliche Ziele. Sie sollen es ermöglichen, die Häufigkeit der wichtigsten chemischen Elemente, die in die Zusammensetzung der Gesteine ​​auf der Merkuroberfläche eingehen, mit einer Genauigkeit von 5 bis 50 %, abhängig von ihrem Anteil, abzubilden. Wenn die Lichtverhältnisse es zulassen, werden detailliertere Karten erstellt.

Konkret soll das Instrument es ermöglichen, unter anderem besser zu verstehen, wie Merkur entstanden ist, aus welchem ​​Material, die Entstehungsgeschichte seiner Kruste oder die Polarlichtzone, in der die energetischen Teilchen mit die Oberfläche, ist eine intensive Quelle von Röntgenstrahlung.

Das Instrument wird von der University of Leicester in Großbritannien bereitgestellt .

Röntgen- und Teilchenspektrometer SIXS

SIXS ( Sonnenintensitäts-Röntgen- und Teilchenspektrometer ) besteht aus zwei Detektoren, die in situ das Spektrum einerseits von Röntgenstrahlen mit einer Energie zwischen 1 und 20  keV andererseits von Protonen mit einer Energie von . messen zwischen 0,33 und 30  MeV sowie Elektronen, deren Energie zwischen 50  keV und 3  MeV liegt . Das Instrument kann bis zu 20.000 Partikel / einfallende Photonen pro Sekunde messen. Sein Sichtfeld ist größer als 180 °. Das mit dem Instrument verbundene wissenschaftliche Ziel ist die Messung des Strahlungsflusses von der Sonne und der von der Merkuroberfläche reflektiert wird. Ziel ist es, auf einer Zeitskala von wenigen Sekunden bis zu einigen Jahren Intensitätsschwankungen von mehreren Größenordnungen aufzuzeigen und deren Korrelation mit Veränderungen der Sonnenaktivität herzustellen. Um die gesammelten Informationen zu verwerten, verwendet die Analyse auch Daten des MIXS Imaging Spectrometers.

SIXS wird von der Universität Helsinki entwickelt  ; MIXS und SIXS sind zudem nicht nur Akronyme, sondern bedeuten auf Finnisch "Warum?" Und "deshalb".

MGNS Neutronen- und Gammastrahlenspektrometer

MGNS ( Quecksilbergammastrahlen- und Neutronenspektrometer ) ist ein Neutronen- und Gammastrahlenspektrometer, das es ermöglichen muss, einerseits die Zusammensetzung von Elementen der gesamten Merkuroberfläche durch identifizierbare Bereiche mit einer Genauigkeit von 0 bei 30 . zu bestimmen % und einer räumlichen Auflösung von 400  km . Ein zweites Ziel ist die Verteilung der flüchtigen Elemente zu schaffen , die dauerhaft in den Polarregionen von Quecksilber abgeschieden der Reichweite von der Sonne entfernt und eine Karte der Dichte dieser Ablagerungen zu schaffen , mit einer Genauigkeit von 0,1 g / cm 2 und eine räumliche Auflösung von 400  km . Das Gerät muss das mögliche Vorhandensein von Wassereis in den Kratern der Pole feststellen. Diese Messungen werden durchgeführt, indem die Neutronen analysiert werden, die durch den Aufprall der kosmischen Strahlung auf die Merkuroberfläche erzeugt werden, ohne dass ein Schutz durch ein starkes Magnetfeld oder eine Atmosphäre geboten werden könnte. Diese interagieren mit den Oberflächenschichten (1 bis 2 Meter) des Bodens und erzeugen Gammastrahlen in Spektrallinien, die für das chemische Element charakteristisch sind, aus dem das angeregte Atom besteht. Darüber hinaus produzieren im Boden vorhandene Kalium, Thorium und Uran auf natürliche Weise Gammastrahlen. Das Instrument analysiert sowohl Gammastrahlen als auch Neutronen, die von der Oberfläche emittiert werden. Es besteht aus fünf Detektoren. MGRS- ( Mercury Gamma Ray Spectrometer ) ein Gammastrahlen-Spektrometer , das eine verwendet Szintillator auf Lanthan - bromid (LaBr 3). MNS ( Mercury Neutronenspektrometer ) besteht aus vier Neutronendetektoren unter Verwendung von Proportionalzählern Gas zu dem Helium-3 , ³He. Das Instrument wurde von der IKI in Moskau entwickelt .

Die wissenschaftlichen Instrumente des MPO.

Instrument	Art	Eigenschaften	Masse	Verbrauch Leistung	Haupt- und Nebenlabore	Instrument Manager
BELA	Laser- Höhenmesser	Pulse 50  mJ Wellenlänge 1064  nm Pulsfrequenz 10  Hz Divergenz  ( Zoll ) 50  µrad Empfänger: 20  cm Cassegrain , Blende f / 5	12  kg	36 Watt	Universität Bern DLR- Institut für Planetenforschung, Berlin	Nicolas Thomas und Hauke ​​Hussmann
IST EIN	Beschleunigungsmesser	Genauigkeit 10 −8  m / s 2	5,8  kg	7,4 bis 12,1 Watt	IAPS ( Rom )	Valerio Iafolla
MPO-MAG	Magnetometer	Dynamischer Messbereich ± 2000 nT Auflösung 2  pT			Technische Universität Braunschweig	Karl-Heinz Glassmeier und Chris Carr
MERTIS	Infrarot- Bildgebungsspektrometer	Wellenlängen 7-14 µm (Spektrometer) und 7-40 µm (Radiometer) Spektrale Auflösung: 90  nm Räumliche Auflösung: 500  m Sichtfeld: 4° (Schwad 28  km )	3,3  kg	8 bis 13 Watt	Universität Münster und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt	Harald Hiesinger und Jörn Helbert
MGNS	Neutronen- und Gammastrahlen-Spektrometer	Räumliche Auflösung an der Oberfläche 400  km Auflösung unter der Oberfläche ca. 1  m	5,5  kg	6,5 Watt	IKI , Moskau	Igor Mitrofanov
MISCHUNGEN	Röntgenbildgebungsspektrometer	Wellenlängen: 0,5-7 keV Sichtfeld: 1 ° (MIXS-T) 10 ° (MIXS-C)			Universität Leicester	Emma Bunce und Karri Muinonen
MEHR	Radio - Transponder				Universität Rom "La Sapienza"	Luciano Iess und Sami Asmar
PHEBUS	Fern- und Extrem- Ultraviolett- Spektrometer	Wellenlängen: 55-155  nm , 145-315  nm , 404  nm und 422  nm Spektrale Auflösung: 1  nm Ausrichtung: 1 Freiheitsgrad			LATMOS IKI , Moskau	Eric Quémerais, I. Yoshikawa und Oleg Korablev
SERENA	Massenspektrometer	ELENA: Neutralteilchen 20  eV -5 keV ΔV / V> = 10% STROFIO: Neutralteilchen < 1  eV , m / m = 60 MIPA: Ionen 15  eV - 15  keV , ∆e / e = 7% und m / ∆ m = 5 PICAM: Ionen 1  eV -3 keV, ∆e / e = 7% und m / ∆m > 60			IAPS ( Rom )	Stefano Orsini, Stefano Livi, Stas Barabash und Herbert Lichtenegger
SIMBIO-SYS	Bildgebendes Spektrometer	STC-Stereokamera: räumliche Auflösung 50  m High-Definition-Kamera: räumliche Auflösung 5  m HIVI-Bildgebungsspektrometer: Spektralband 400 bis 2000  nm räumliche Auflösung 100  m			Osservatorio Astronomico di Padova	Gabriele Cremonese, Fabrizio Capaccioni, Pasquale Palumbo, Alain Doressoundiram und Yves Langevin
SECHS	Röntgenspektrometer				Universität Helsinki	Juhani Huovelin, Manuel Grande und Rami Vainio

Der magnetosphärische Orbiter (MMO)

Der MMO ( Mercury Magnetospheric Orbiter ) ist ein von der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA entwickelter wissenschaftlicher Satellit , dessen Hauptziel die Erforschung der Atmosphäre und der Magnetosphäre des Planeten Merkur ist. Es kreist auf einer stark elliptischen polaren Umlaufbahn von 11.640 km mal 590  km, die es in etwas mehr als 9 Stunden zurücklegt.

Plattform

Mit einer Gesamtmasse von rund 275  kg einschließlich 45  kg Instrumentierung hat MMO die Form eines achteckigen Prismas von 0,9 Metern Höhe mit gegenüberliegenden Flächen von 1,8 Metern Abstand. Die Satellitenstruktur verfügt über zwei separate Decks mit einer Höhe von 40 Zentimetern, in denen die Instrumente untergebracht sind. Dieser Raum wird durch vier Trennwände und einen zentralen Zylinder unterteilt, der den Schub während der Vortriebsphasen überträgt. Der Satellit ist versponnen (in Drehung) bei 15 Umdrehungen pro Minute um seine Achse , die um die Sonne zu der Bahnebene des Quecksilbers senkrecht gehalten wird Diese Wahl der Ausrichtung garantiert, dass die Enden des Satelliten (die Unterseite und die Oberseite des Prismas) niemals auf die Sonne gerichtet sind und ermöglicht es, die Antenne mit großem Gewinn auf die Erde auszurichten, indem sie mit einem einzigen Freiheitsgrad ausrichtbar ist . Die Orientierung wird mit Hilfe eines unter dem Satelliten befestigten Sternfinders und zweier Sonnensensoren an den Flanken bestimmt. Es wird mit Kaltgastreibstoffen modifiziert. Im Zentralzylinder ist ein Nutationsdämpfungssystem eingebaut.

Der obere Teil der Wände des Achtecks ​​ist mit einem Mosaik aus Solarzellen (50% der Oberfläche) bedeckt, die 350 Watt und Spiegeln (Optical Solar Reflector oder OSR) erzeugen, die die Temperatur in einem akzeptablen Bereich halten. Die Parabolantenne mit 80 cm Durchmesser und großem Gewinn  überträgt X-Band- Daten mit einer durchschnittlichen Rate von 16  Kilobit pro Sekunde oder 40 Megabyte pro Tag in täglichen Telekommunikationssitzungen von 6 Stunden. Der Satellit verfügt über einen zwei Gigabyte großen Massenspeicher , um Telemetrie- und wissenschaftliche Daten zwischen zwei Funksitzungen zu speichern . Der Satellit hat auch eine Antenne mit mittlerem Gewinn.

Die MOSIF Sonnenblende

Das Schnittstellenmodul Magnetospheric Orbiter Sunshield and Interface Structure (MOSIF) schützt das MMO vor der Sonne und fungiert als Schnittstelle zwischen dem MMO und dem MPO.

Wissenschaftliche Instrumente

MMO verfügt über fünf wissenschaftliche Instrumente, deren Masse und zugewiesene Gesamtleistung 40 kg bzw. 53 Watt betragen  :

MMO / MGF-Magnetometer

MMO / MGF ( Mercury Magnetometer / Magnetometer Fluxgate ) umfasst zwei triaxiale Sättigungsmagnetometer: MGG-O (outboard) ist ein digitales Magnetometer, das am Ende des 4,4 Meter langen Instrumentenmastes montiert ist, identisch mit dem an Bord von MPO installierten. MGF-I (inboard) ist ein analoges Magnetometer, das 1,6 Meter vom Ende entfernt auf demselben Mast montiert ist. Das Vorhandensein von zwei Instrumenten ermöglicht es, bei den durchgeführten Messungen das Einfallen von Magneten und elektrischen Strömen im Satelliten zu isolieren. Die gesammelten Daten werden sowohl intrinsisch als auch im Vergleich mit Daten aus den Magnetosphären von Erde, Jupiter und Saturn dazu beitragen, unser Wissen über die Magnetosphäre des Merkur zu verbessern . Die Leistungsanforderungen an die Instrumente sind hoch, denn die Dichte des Sonnenwinds ist fünfmal größer und die Intensität des interplanetaren Magnetfelds zehnmal größer. Dadurch laufen die Prozesse in der Magnetosphäre des Merkur dreißigmal schneller ab. Die Messungen werden mit einer Abtastfrequenz von 128  Hz durchgeführt und können Felder von ± 2000 Nanotesla mit einer Auflösung von 3,8 Picotesla messen. Das Instrument ergänzt das Magnetometer an Bord des MPO-Satelliten um Daten, die es ermöglichen, zeitliche Schwankungen und räumliche Variationen zu unterscheiden. Das Instrument wird vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zur Verfügung gestellt .

MPPE Partikel- und Plasmadetektor

MPPE ( Mercury Plasma / Particle Experiment ) ist ein Detektor für Plasma, hochenergetische Teilchen und neutrale energetische Atome, der entwickelt wurde, um die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und der Magnetosphäre von Merkur zu untersuchen. Es umfasst sieben Detektoren, von denen sechs In-situ- Messungen durchführen . Diese Instrumente sind für die Elektronen zwei Mercury Electron Analyzer Sensoren (MEA1 und MEA2), die um 90 ° zueinander montiert sind und das High Energy Particle Instrument für Elektron (HEP-ele); für Ionen sind dies der Mercury Ion Analyzer (MIA), Mercury Mass Spectrum Analyzer (MSA) und das High Energy Particle Instrument for Ion (HEP-ion). Schließlich erkennt der Sensor des Energetic Neutrals Analyzer (ENA) die neutralen energetischen Teilchen, die durch den Austausch elektrischer Ladung erzeugt werden, und liefert Informationen darüber, wie das Plasma und die neutralen Gase mit der Umgebung von Quecksilber interagieren. Das Instrument wird vom Institute for Space and Astronautical Sciences in Kanagawa, Japan, bereitgestellt .

MDM-Staubdetektor

MDM ( Mercury Dust Monitor ) ist ein Staubdetektor, der Informationen über seine Eigenschaften in der Region sammeln muss, in der der Planet Merkur zirkuliert, also in einer Entfernung von der Sonne zwischen 0,31 und 0,47 Astronomischer Einheit. Es misst die Energie des Aufpralls, eine ungefähre Richtung und Dichte (in Zahlen). MDM umfasst vier 40 × 40 mm piezoelektrische Keramikdetektoren  , die Staub messen, der von praktisch einer Hemisphäre kommt. Es werden 100 bis 200 Einschläge pro Erdjahr erwartet. Das Instrument wird von der Chiba University of Technology in Japan bereitgestellt .

MSASI-Spektrometer

MSASI ( Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager ) ist ein Spektrometer, das die Intensität der D2-Emissionslinie von Natrium (589 nm ± 0,028 nm) an der Oberfläche von Quecksilber mit ungeklärter Verteilung messen muss  . Das Instrument misst seine Verteilung über die gesamte Oberfläche einerseits durch einen rotierenden Spiegel und andererseits durch die Bewegung der Raumsonde in ihrer Umlaufbahn. Das Instrument ist ein Fabry-Perot-Interferometer der Universität Tokio .

PWI Plasmawellendetektor

PWI ( Plasmawellenuntersuchung ) besteht aus zwei elektrischen Felddetektoren ( MEFISTO und WPT ) und zwei magnetischen Felddetektoren ( LF-SC und DB-SC ), die die Form der Wellen und die Frequenz des elektrischen Feldes (bis zu ' bei 10  MHz ) und das Magnetfeld (von 0,1  Hz bis 640  kHz ). MEFISTO und WPT sind 32 Meter lange Antennen, die auf beiden Seiten des Satellitenkörpers im Orbit eingesetzt werden. LF-SC und DB-SC bestehen aus Detektoren, die auf dem 4,4 Meter langen Instrumentenmast angebracht sind, der auch von MMO / MGF- Magnetometern verwendet wird . Das Instrument wird von der Tōhoku University in Japan bereitgestellt .

Die wissenschaftlichen Instrumente des MMO.

Instrument	Art	Eigenschaften	Masse	Verbrauch Leistung	Primär- und Sekundärlabor	Instrument Manager
MMO / MGF	Magnetometer	Abtastfrequenz: 128  Hz Auflösung: 3,8 pT			Institut für Weltraumforschung , Graz	Wolfgang Baumjohann
MPPE	Instrumentensatz für die Untersuchung von hoch- und niederenergetischen Teilchen ( Mercury Plasma Particle Experiment )				Institut für Weltraum- und Raumfahrtwissenschaften , Kanagawa	Yoshifumi Saito
PWI	Analyse der Struktur und Dynamik der Magnetosphäre ( Plasma Waves Instrument )				Tōhoku-Universität	Yasumasa Kasaba
MSASI	Spektrometer für sichtbares Licht, das im Spektralbereich der D2-Linie der Natriumemission arbeitet ( Mercury's Sodium Atmosphere Interferometer )	Spektrale Auflösung 0,009  nm Räumliche Auflösung 3 bis 30  km Empfindlichkeit 10  k R	3,48  kg	15,2 Watt	Universität Tokio	Ichiro Yoshikawa
MDM	Interplanetare Staubmessung ( Mercury Dust Monitor )	PZT keramische piezoelektrische Sensor Fläche 64  cm 2 Sensitivity größer als 1  Pikogramm km / s	601  g mit Elektronik	3 Watt maximal	Technische Universität Chiba	Masanori kobayashi

Hinweise und Referenzen

Anmerkungen

1. In eine sonnennahe Umlaufbahn zu bringen, erfordert genauso viel Energie wie eine Bewegung von ihr weg. Die Trägerrakete muss die potentielle Gravitationsenergie des Raumfahrzeugs auf der Erdbahn stärker ableiten als auf Sonnenbahnen. Um ein vertrautes Bild zu machen, befindet sich die Raumsonde in der Position des Radfahrers, der auf der höchsten Bahn eines Velodroms (schräge Bahn) abbiegt und auf die untere Bahn einsteigen muss. Seine Geschwindigkeit muss abnehmen, damit er diese Spur erreichen kann.
2. Das Discovery-Programm vereint Missionen zur kostengünstigen Erforschung des Sonnensystems . Das Budget von Messenger wird auf 286 Millionen US-Dollar geschätzt.
3. Die8. Juni 2018, nachdem die Öffentlichkeit einen Beitrag geleistet hat, enthüllt die japanische Raumfahrtbehörde den neuen Namen des MMO: MIO, der auf Japanisch eine schiffbare Wasserstraße bezeichnet (hier den Weg des Projekts angibt ), während mio-tsukushi sich auf Leuchtfeuer beziehen kann, die Schiffe leiten sowie hart zu arbeiten, ohne aufzugeben.
4. Maximal zugewiesen.

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Literaturverzeichnis

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Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

• Quecksilber  ;
• Mariner 10 , die erste Raumsonde, die Merkur (1974-1975) überflog und die ersten Bilder des Planeten lieferte;
• MESSENGER , die einzige Weltraummission, die vor BepiColombo eine eingehende Untersuchung von Merkur (2011-2015) durchgeführt hat.

Externe Links

Offizielle Websites

• (de) "  BepiColombo  " , über die Europäische Weltraumorganisation
• (de) "  BepiColombo  " , auf eoPOrtal (sehr ausführlicher Artikel)
• (de) "  BepiColombo  " , zur Europäischen Weltraumorganisation (genauere Beschreibung der Instrumente)
• "  BepiColombo  " , auf CNES
• "  Planète Mercure  " , auf dem Pariser Observatorium (konsultiert am 11. Oktober 2018 )
• (de) (ja) BepiColombo auf dem Gelände der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA

Andere

• (de) Broschüre über die Mission der Europäischen Weltraumorganisation
• BepiColombo in "Mercury: the little planet that Climbing", The Scientific Method, France Culture, 9. Oktober 2018