Lunar Mission BW1: scientific objectives and small satellite concept

Abstract

Since UoSat-1 (University of Surrey Satellite 1) was launched in 1981 academic small satellites demonstrated successfully universities’ capabilities in space science and engineering. Today it is without any doubt that academic small Earth orbiting satellites can be important educational instruments, useful technology demonstration tools and promising and serious scientific research platforms. Since the very beginning of the space age universities and research institutes participated in lunar and planetary exploration analyzing data, providing instruments or performing further research. But usually such institutions did not design, build and operate their own lunar or planetary spacecrafts. Based on the status in the field of small spacecraft development and the expertise and knowledge of academic institutions as well as the availability of technology to design, build and operate an own probe beyond Earth orbit seems to be a feasible next logical step. The Stuttgart Small Satellite Program was initiated in 2002/03 at the Institute of Space Systems of the Universitaet Stuttgart, Germany. One of its objectives is to provide an attractive academic program with real hands-on experience for participating students. A network of industrial and academic partners supports by offering engineering and scientific expertise and knowledge and providing financial support for PhD scholarships as well as involvement in lectures, workshops and seminars but also provision of hardware and software. The program consists currently of four spacecraft missions but also ground segment facilities and the development of software and simulation tools, methods and data bases. The micro satellite FLYING LAPTOP will perform Earth observation remote sensing experiments and technology demonstration followed by the electric propulsion test-bed PERSEUS which will also perform UV astronomy. Both spacecrafts pave the way for the later complex projects: the atmospheric entry and return mission CERMIT and the small lunar orbiter spacecraft LUNAR MISSION BW1. The goal of the LUNAR MISSION BW1 is to prove that it is possible for a university, a faculty or even an institute to make a significant contribution by its own to space exploration. The contribution should be to create new scientific knowledge or demonstrate innovative technology visible within the community and in the public as well as having an enduring efect in the space arena. The LUNAR MISSION BW1 will be an all-electrical small lunar orbiter of approx. 1 m cube and approx. 200 kg launch mass. Planned to be launched as a piggyback payload into a Geosynchronous Transfer Orbit (GTO) in 2012 or later the probe should use solar-electric propulsion systems (thermal arcjet and magneto-plasma-dynamical thrusters) to be transferred to the Moon into a highly inclined circular low lunar orbit of approx. 100 km. The orbiter will perform technology demonstrations, remote sensing and in-situ research experiments for at least 6 months before impacting on the surface of the Moon. During the cruise phase of 18-24 months or more and the operations in lunar orbit solar panels of approx. 6 m2 will generate the necessary electrical power of up to 1 kW supported by Li-Ion batteries for power storage. The satellite will be 3-axis stabilized and using a Ka band communication system and a 1 m primary dish providing broadband data transfer to the own mission control center but also supported by other partners’ ground stations. The progranmatics behind the LUNAR MISSION BW1 based on past and current lunar exploration is described as well as the small satellite concept and the scientific objectives based on the limitations and potentials of an academic environment. A possible scenario of the mission is depicted including the necessary elements of the space and the ground segment. The opportunity but also the necessity for a different approach in project management due to the academic environment is explained concluded by lessons learned. The LUNAR MISSION BW1 demonstrated that virtual exploration is not possible - hence it is not a feasible or useful option as an alternative for building and operating an own exploration mission to provide real experience to students and young professionals and real research data as well as space qualified small satellite technology.

Seit dem Start von UoSat-1 (Univ. of Surrey Satellite 1) im Jahr 1981 haben univ. Kleinsatelliten erfolgreich die Möglichkeiten von Raumfahrtforschung und -technologie im akad. Umfeld demonstriert. Heutzutage besteht kein Zweifel mehr, dass univ. Satelliten in der Erdumlaufbahn wichtige Plattformen für Forschung und Lehre, sprich Ausbildung, Technologieerprobung und wissenschaftl. Experimente sind. Schon seit Beginn des Raumfahrtzeitalters beteiligen sich Universitäten und Forschungseinrichtungen an der Erkundung von Mond und Planeten, durch Datenanalyse, Bereitstellung von Instrumenten oder im Rahmen weitergehender Forschung — bisher jedoch nicht durch Entwurf, Bau und Betrieb einer eigenen lunaren oder planetaren Raumsonde. Basierend auf dem heutigen Stand im Bereich Kleinsatellitenentwicklung, der Expertise und dem Wissen univ. Einrichtungen sowie der Verfügbarkeit von Technologien erscheint der Entwurf, Bau und Betrieb einer eigenen Raumsonde als ein machbarer und logischer nächster Schritt. Im Jahr 2002/03 wurde am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart das Stuttgarter Kleinsatellitenprogramm initiiert. Eines seiner Ziele ist es, dass Studierende im Rahmen eines attraktiven akad. Programmes reale Erfahrungen — quasi Raumfahrt zum Anfassen — gewinnen können. Ein Netzwerk von Partnern aus Industrie und Forschung unterstützt dieses Ziel durch ingenieurtechn. und wissenschaftl. Expertise und die Bereitstellung von Hard- und Software und finanzielle Unterstützung durch Patenschaften von Dissertationen aber auch durch die Beteiligung an der Lehre in Vorlesungen, Seminaren und Workshops. Das Program beinhaltet derzeit vier Satellitenmissionen, aber auch Einrichtungen im Bodensegment sowie Entwicklungsprojekte von Software- und Simulations-Tools, Methoden und Datenbanken. Der Mikrosatellit FLYING LAPTOP wird Fernerkundungsexperimente zur Erdbeobachtung sowie Technologiedemonstrationen durchführen. Dieser Mission folgt PERSEUS zur Erprobung elektr. Antriebssysteme und astronom. UV-Beobachtungen. Diese Satelliten ebnen den Weg für weitere, komplexere Projekte: die atmosphärische Eintritts- und Rückkehrsmission CERMIT sowie den Kleinsatelliten-Mondorbiter LUNAR MISSION BW1. Das Ziel der LUNAR MISSION BW1 ist es, den Beweis anzutreten, dass es für eine Universität, eine Fakultät oder sogar nur ein einzelnes Institut möglich ist, mit einen eigenen signifikanten Beitrag zur Erkundung des Weltraums beizutragen. Im Rahmen dieses Beitrages sollen neue wissenschaftl. Kenntnisse erbracht oder innovatives Technologien erprobt werden — sichtbar innerhalb der wissenschaftl. und techn. Gemeinde wie auch in der Öffentlichkeit mit nachhaltigen Auswirkungen innerhalb der Raumfahrt. Bei der LUNAR MISSION BW1 handelt es sich um einen komplett elektr. angetriebenen Kleinsatelliten-Mondorbiter von etwa 1 m Kantenlänge und ca. 200 kg Startmasse. Der Start als Huckepack-Nutzlast in eine geosynchrone Transferumlaufbahn ist für 2012 oder später geplant. Die Raumsonde soll dabei mittels solar-elektr. Antriebssysteme (therm. Lichtbogentriebwerk und magnetoplasmadyn. Triebwerke) zum Mond fliegen und in einen hoch inklinierten, niedrigen Mondorbit von etwa 100 km eintreten. Der Orbiter soll für mindestens sechs Monate Technologiedemonstrationen sowie Fernerkundungs- und In-situ-Experimente durchführen bevor die Mission mit einem Einschlag auf der Mondoberfläche endet. Während der Flugphase von min. 18-24 Monaten sowie dem Betrieb im Mondorbit wird die Energieversorgung mittels Solarpaneelen von rund 6 m2 sichergestellt. Diese erzeugen eine elektr. Leistung von bis zu 1 kW, die in Lithium-Ionen-Batterien gespeichert wird. Der dreiachsenstabilisierte Satellit nutzt Ka-Band-Kommunikation und eine Bordantenne von 1 m Durchmesser zum Datentransfer zum eigenen Missionskontrollzentrum mit Unterstützung durch Bodenstationen verschiedener Kooperationspartner. Die Programmatik der LUNAR MISSION BW1, basierend auf dem Status bisheriger und aktueller Monderkundung, ist ebenso dargestellt wie das Kleinsatellitenkonzept und die wissenschaftl. Ziele dieser Mission unter Berücksichtigung von Limitierungen und Potenzialen einer univ. Arbeitsumgebung. Ein mögliches Missionsszenario mit den wesentlichen Elementen von Weltraum- und Bodensegment wird erläutert. Die Möglichkeiten aber auch Notwendigkeit eines anderen Vorgehens im Bereich Projektmanagement im Vergleich zu grossen Raumfahrtorganisationen aufgrund des akad. Umfeldes werden ausgeführt, gefolgt von einer Darstellung bisher gewonnener Erfahrungen im Rahmen dieses Projektes. Die LUNAR MISSION BW1 wird demonstrieren, dass virtuelle Erkundung keine mögliche, machbare oder auch nur nutzbringende Option ist im Vergleich zum Entwurf, Bau und Betrieb einer eigenen Erkundungsmission, um Studierenden und wissenschaftl. Nachwuchs reale Erfahrung zu offerieren. Nicht zu vergessen, die Gewinnung realer wissenschaftl. Daten und weltraumqualifizierter Kleinsatellitentechnologie.