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Radarbeobachtung des Weltraums

Radarbeobachtung des Weltraums

Bedarf und Bedeutung für die europäische Raumfahrt

Prof. Dr. W. FluryESA/ESOC, Darmstadt

100 Jahre Radar FGAN / Wachtberg 30. April, 2004

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Radarbeobachtung des Weltraums

Einführung

• Seit dem Start von Sputnik 1 (4. Okt. 1957) ungefähr 4600 erfolgreiche Raketenstarts.

• Rückstände früherer Raumfahrtmissionen in erdnahen Umlaufbahnen stellen eine zunehmende Gefährdung dar für die bemannte und unbemannte Raumfahrt.

• Information über die Population der Raumfahrtrückstände wird im erdnahen Weltraum hauptsächlich durch Radarbeobachtungen gewonnen, in entfernten Bahnen mit optischen Teleskopen.

• Nur die USA und Russland verfügen über ein Weltraumüberwachungssystem: das US Space Surveillance Network (SSN), das russische Space Surveillance System (SSS). Frankreichentwickelt das experimentelle System GRAVES.

• Einige wenige leistungsfähige Einrichtungen in Europa vorhanden für punktuellen Einsatz.

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Radarbeobachtung des Weltraums

Zusammensetzung des Katalogs 2003

41%Fragmente

13%Missionsbezogene Objekte

17%Raketenoberstufen

22%ausgediente Satelliten

7%operationelle Satelliten

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Raumfahrtrückstände (Space Debris)

Ausgediente Satelliten und Raketenoberstufen

Missionsbezogene Objekte Trümmer von Explosionenund Kollisionen

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Radarbeobachtung des Weltraums

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Radarbeobachtung des Weltraums

Jährliche Raketenstarts

Seit 1957: ca. 4,600 Starts resultieren in ca. 27,000 katalogisierten Objekten (Ende 2002)

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HVI 12mm Alu Kugel (6.8 km/s) auf Alu Zylinder

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Space Surveillance Network (SSN)

NSSSCAPE COD

LSSCBEALE

KAENA PT.

FYLINGDALESCLEAR

SCC

THULE

CAVALIER

MAUI & MSSS

SOCORRO

ASCENSION

EGLIN

LSSC = Lincoln Space Surveillance CenterMillstone, Haystack, HAX

MSSS = Maui Space Surveillance System(former AMOS/MOTIF site)

NSSS = Naval Space Surveillance System

MOSS

Discovery RadarTracking RadarOptical Telescope

COBRA DANE

GLOBUS II

MSX / SBV

ALTAIRDIEGOGARCIA

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FGAN/TIRA Radar (Wachtberg/D):

•Betreiber: FGAN (Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften e.V.)

•Antenne: 34 m parabolischer Reflektor in 49 m Radom

•Tracking Radar: L-Band (1.333 GHz), 1 MW max. Leistung, 0.45º 3 dB Keulenbreite, 1 ms Pulsdauer, 30 Hz Pulswiederholrate, ~2 cm Objekte in 1,000 km Abstand

•Bildgebendes Radar: Ku-Band (16.7 GHz), 13 kW max Leistung, 0.031º 3dB Keulenbreite, 256s Pulsdauer, 55 Hz Pulswiederholrate, ~15 cm Auflösung

•Space Debris Anwendung: Bahnbestimmung beim Wiedereintritt von Risikoobjekten (Skylab, Salyut-7, Mir); Kollisionsvermeidung

•Bildgebendes Radar: Notfälle (z.B. Adeos-1); Bestimmung der Fluglage und Form (z.B. Salyut-7, Mir)

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“Monge” und die ARMOR Radars:

•Betrieben von DGA/DCE

•Tests von ballistischen Flugkörpern

•Monge: 21,040 t, l x b = 230mx25m

•Ausrüstung: 2 Tracking & 3 Test Radars, 1 CCD Teleskop, 1 LIDAR, mehrere Telemetrieantennen

•ARMOR Radars: 2 x 10 m Antennen, C-Band ( ~ 5.5 GHz), 1 MW max. Leistung, 0.4º 3dB Keulenbreite; max. Reichweite ~ 4,000 km; gleichzeitige Bearbeitung von bis zu3 Zielen in der Hauptkeule ( 3 Kanäle)

•Space Debris Anwendung: Tracking von Wiedereintrittsobjekten und potentiellen Kollisionsobjekten

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Beam – park Experimente(Detektion und

Bahnbestimmung von cm-grossen Objekten)

FGAN/TIRA ⇒ Effelsberg/MPI-RA:• Sender und Empfänger: TIRA/Wachtberg

34 Meter Antenne; Empfänger: Effelsberg Radioteleskop (100 Meter steuerbare Antenne)

• 21 km Horizontaldistanz; erdfeste Keulenrichtung: FGAN (MPI-RA) Elevation/ Azimuth = 76.1º/93º (75º/90º); gemeinsamer Beobachtungsbereich 750km ≤ H ≤ 980km

• Detektionsgrenze: ~ 0.9 cm in 1,000 km• 80% der detektierten Objekte nicht

katalogisiert

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Fylingdales Phased Array Radar (Fylingdales/UK):

•Betrieben von Grossbritannien (bilaterales Abkommen mit US Space Surveillance Network)

•3-seitiger Phased Array, 120ºSeparation der Flächennormalen, 20ºFlächenneigung, 22m Durchmesser aktive Fläche, Überdeckung 360ºAzimuth, 3º - 85º Elevation, UHF-Band; Aufgaben: Weltraum-überwachung und Detektion von ballistischen Flugkörpern

•3 Parabolantennen von 25.6 m Durchmesser; Aufgabe: Tracking

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GRAVES: “Grand Réseau Adapté à la Veille Spatial”; (franz. Luftwaffe)

•Zielsetzung: Weltraumüberwachung in LEO (Höhe kleiner als 2000 km) für Objekte kleiner als 1 Meter); Katalog mit ca. 3000 Objekten.

•bistatisches CW Radar (VHF); zwei 15 m x 6 m, geneigte phased-array Transmitter in Dijon (SW und SE Ausrichtung); Empfänger Installation von 60 m in Apt (380 km südlich des Senders); simultane Beobachtung von mehreren Objekten.

•Messdaten: Azimut & Elevation, Doppler & Doppleränderungen → vollständige Bahnbestimmung

• Genauigkeit: ~ 1 m für H < 1, 000 km (mehr als 80% der katalogisierten Objekte in diesem Bereich erfassbar)

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Space Debris – Kollisions- vermeidung

• Operationelle Kollisions-vermeidung in LEO

• Beispiele: ESA‘sErdbeobachtungssatelliten ERS-2 and ENVISAT

• ERS-2 Vorbeiflug bei 1.4t Cosmos-3M Oberstufe innerhalb von 170m am 2004/03/18 um 11:48 UTC. Kollisionsgeschwindigkeit 14.8 km/s.

• Ausweichmanöver durchgeführt (4 x 6.5 cm/s Delta v); Minimalabstand: >600m

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Risiko auf der Erdoberfläche

• Seit Sputnik mehr als 28000 katalogisierte Objekte

• Ungefähr 18000 Objekte in Atmospähre verglüht ohne Schaden zu verursachen

• Wiedereintritte mit Trümmer auf Erdoberfläche:

– Kosmos-954 (1978)

– Skylab (July 11, 1979)

– Kosmos-1402 (1984)

– Salyut-7 – Kosmos-1686 (Feb. 7, 1991)

• Kontrollierter Eintritt der MIR Raumstation (140 Tonnen, 23. März, 2001)

• Risiko am Boden kann kleingehalten werden durch kontrolliertenWiedereintritt

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Radarbeobachtung des Weltraums

Kontrollierter Wiedereintritt der MIRRaumstation (23. März 2001)

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Radarbeobachtung des Weltraums

Treibstofftank Delta II (Start von GPS Satelliten)Texas, 1997

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Radarbeobachtung des Weltraums

ZUSAMMENFASSUNG (I)

• Radarbeobachtungen des Weltraums werden benötigt für

• Weltraumüberwachung (Space Surveillance)

• Gewährleistung der operationellen Sicherheit von Raumflügen (Vermeiden von Kollisionen)

• Information über ‘kleine’ Orbitalobjekte. Validierung von mathematischen Modellen zur Verteilung von Raumfahrtrückständen (Beam Park Experimente)

• Voraussagen über den Wiedereintritt von Risikoobjekten (Salyut-7, Mir)

• Diagnose bei Satellitennotfällen (bildgebendes Radar)

• Verifizierung von internationalen Regelungen

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Radarbeobachtung des Weltraums

ZUSAMMENFASSUNG (II)

• Radarbeobachtungen des Weltraums sind von fundamentaler Bedeutung für Betrieb und Sicherheit in der Raumfahrt

• Dank TIRA/FGAN und Monge kann Europa wichtige Information zu punktuellen Fragen selbst gewinnen.

• Im Bereich der Weltraumüberwachung ist Europa weitgehend von den USA und Russland abhängig.