Mission to Mars Teil 3

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Im heutigen, vorletzten Teil geht es um die Logistik des Fluges. Bei den bisherigen bemannten Flügen wurde immer auf die Minimierung der Risiken geachtet. Das wird auch bei einer Marsmission so sein. Dies wird sich auch im Zeitplan niederschlagen. Eine Mission zum Mars unterscheidet sich von denen zum Mond dahingehend, dass es nicht möglich ist die gesamte Ausrüstung zu transportieren. Es ist eher vergleichbar dem Aufbau der ISS, nur dass Starts nur alle zwei Jahre in einem Starfenster von etwa 4 Wochen Dauer möglich sind. Es gibt verschiede Pläne für eine Marsmission (meinen habe ich in Teil 1-2 schon teilweise vorgestellt). aber alle erfordern große Mengen an Fracht. Je nach Plan 600 – 1000 t in einen Erdorbit. Damit werden selbst bei Schwerlastraketen vom Typ Ares V mehrere Flüge nötig. Ich habe die Ares V einmal als Basis genommen und als Berechnungsgrundlage. Sie sollte meinen Berechnungen zufolge etwa 49 t zum Mars entsenden können. Davon bin ich folgenden ausgegangen.

Flug 1: Wohnung(en): Ich hab ja schon erläutert, dass es wenn man die bisherigen Erfahrungen von Marsmissionen nimmt, wie groß die Schutzschilde im Vergleich zu der Masse war, es problematisch wird eine sehr große Masse zu landen. Das kann natürlich falsch sein, schließlich stand der Platz ja für große Schilde zur Verfügung und so wurden diese einfach so groß dimensioniert. Weiterhin gibt es durch den Eintrittskurs natürlich noch die Möglichkeit die Abbremsung zu variieren und auch die Annäherungsgeschwindigkeit kann bei einem günstigen Startfenster reduziert werden. Ich gehe im folgenden aber trotzdem von zwei Wohnblöcken in eigenen Hitzschutzschilden aus. Sie sind verbunden durch eine Transferstufe, die während der interplanetaren Reise die Kommunikation und Kurskorrekturen übernimmt und nach der Abtrennung in einen Marsobrit eintritt und als Kommunikationsrelay dient.

Jeder Lander hat beim Start einen Durchmesser von 9,00 m, wiegt beim Start 22 t und enthält einen Wohnblock von 6 m Durchmesser und rund 14-15 t Gewicht. Ein Block ist Wohnquartier für die Astronauten. Das zweite Arbeitsraum. Es wird beengt sein, denn die Fläche beträgt nur 28 m pro Block. Auf dem Dach trägt jeder Block Solarzellen und eine Kommunikationsantenne. 10 RTG nach Sterling Prinzip )SRTG) liefern 1,23 kW Grundleistung und vor allem 11 kW thermische Leistung zur Beheizung der Wohnblöcke. Die Solarzellen auf dem Dach können je nach Sonnenstand weitere 4 kW elektrische Leistung liefern, die in Batterien gespeichert wird.

Die Landung erfolgt durch aerodynamische Abbremsung und am Schluss durch kleine Raketentriebwerke. Fallschirme machen bei der großen Masse keinen Sinn mehr, sie müssten um wirksam zu sein enorm groß sein.

Dabei stellt sich die Frage wie die Landeelemente (es gibt ja mehrere davon) nahe beieinander platziert werden. Nun ganz einfach: durch GPS. Das System funktioniert auf dem Mars genauso wie auf der Erde. Nur muss es in einem kleineren Maßstab aufgezogen werden. Auf der Erde werden je nach System zwischen 24 und 30 Satelliten benötigt, weil es auf der ganzen Erde funktionieren soll und auch sehr hohe Genauigkeiten (bis auf wenige Meter genau) erreichbar sein sollen. Dazu braucht man viele Satelliten um die globale Abdeckung zu gewährleisten und mehr als drei Satelliten im Empfangsbereich um eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Auf dem Mars dürfte es reichen, die Blocks in Fussmarschentfernung zu platzieren. 30 m Genauigkeit erreicht GPS aber mit drei Satelliten. Und da wir das System nur an einem Ort benötigen, würde ein System aus drei Satelliten auf einer geostationären Bahn (aber mit unterschiedlichen Inklinationen) ausreichen. Eine Ariane 5 ECB könnte drei Satelliten des Galileo Systems in eine 24,6 h Bahn um den Mars befördern. Sie liefern dort die GPS Daten. Optimale (mit der höchsten Genauigkeit) während eines kurzen Zeitraums pro Tag, aber grundlegende dauerhaft. Zwei Satelliten wären dann in einer 17.020 km hohen äquatorialen Umlaufbahn, 60 Grad voneinander entfernt und ein Dritter in einer geneigten Umlaufbahn ebenfalls in 17.020 km Höhe. Während der Zeit der maximalen Entfernung vom Äquator (zweimal pro Tag) gibt es optimale Genauigkeit. An diesen Zeitpunkt muss der Landezeitpunkt angepasst werden.

Die beim Start 5 t schwere Zwischenstufe welche die beiden Lander verbindet, wird nach deren Abtrennung in einen 24,6 h Marsorbit eintreten und danach als Kommunikationsrelay dienen. Bei einer Geschwindigkeitskorrektur von 150 m/s während der Reise kann noch ein 1 t schwerer Orbiter (plus 500 kg für die Raketenstufe) in einen geosynchronen Orbit abgesetzt werden.

Die Wohnungen sollten ein Startfenster (26 Monate vor der Landung) gestartet werden. Das gleiche gilt für den zweiten Teil: Vorräte und schweres Gerät. Da die Wohnungen sofort bezugsfertig sein müssen und der begrenzte Wohnraum zur Verfügung stehen muss, wird er separat gestartet. Es bietet sich an die gleichen Module zu verwenden, nur eben ohne Einrichtung und nicht druckdicht mit erheblich leichterer Struktur. Das vereinfacht das ganze, denn so können die Landemodule und auch die Transferstufe wiederverwendet werden. Eines der Module enthält die Vorräte. Das andere das schwere Gerät inklusive eines Marsmobils. Die Vorräte müssen für mindestens 550 Tage reichen. Bei 3 l Wasser pro Person und Tag (für Atemluft und Trinkwasser, Brauchwasser wird recycelt) werden 10 t Wasser benötigt. Dazu kommen noch 3 t Essen. Das Wasser dient auch als Strahlenschutz und wird in das Dach der Wohnung umgepumpt.

Diese Mission erfolgt ebenfalls ein Startfenster vor der Landung. Vier Wochen stehen zur Verführung um diese beiden Missionen zu starten. Auch hier kann die Verbindungsstufe zwischen beiden Landern für einen Orbiter genutzt werden. Diesmal einen in einer niedrigen Umlaufbahn, der einmal pro Tag das Landegebiet überfliegt und genutzt wird um mit hochauflösenden Kameras und Spektrometern, Radargeräten die Mission zu unterstützen um Aufnahmen des Landegebiets zu machen und die Routen zu planen.

Die dritte Mission landet die Rückkehrstufe samt einer Kapsel. Bei einer Landemasse von 33 t kann eine 3 t schwere Kapsel in einen Orbit befördert werden. Der Start erfolgt im gleichen Jahr wie bei der Landung.

Die Besatzung selbst benötigt zwei Starts: Einen für die Wohnstation für die Interplanetare Reise und einen zweiten für die Raketenstufe. Die Raketenstufe mit 49 t Start und 5 t Leergewicht befördert die Station ein einen 200 x 34000 km Orbit um den Mars und zurück. (wie bei der Rückstartstufe werden lagerfähige Treibstoffe mit einem spezifischen Impuls von 3.150 eingesetzt). Das eigentliche Wohnmodul wiegt 35 t, dazu kommen 4 t Vorräte und Wasser und eine 10 t schwere Landestufe mit einer Kapsel.

Insgesamt werden so fünf Starts der Ares V benötigt. Vier erfolgen davon unbemannt, zwei 26 Monate vor der Landung. Ein Start sollte innerhalb von vierWochen erfolgen können. So lange dauert ein Startfenster. Während des Startfensters startet zuerst die Landestufe, dann die Raketenstufe und zuletzt die Mannschaft mit ihrem Modul. Sollte einer der Starts fehlschlagen, so kann so das ganze Unternehmen noch abgeblasen werden. Während die Landestufe autonom zum Mars unterwegs ist, koppelt die Besatzung an die Raketenstufe an und eine weitere Zündung der dritten Stufe bringt sie dann auf den Marskurs. Das letztere ist das eigentlich zeitkritische: Es müssen wegen des kryogenen Treibstoffs in der Ares V Stufe die beiden Starts in einem sehr engen zeitlichen Rahmen erfolgen müssen. Aber schließlich hat LC39 ja zwei Startrampen. Nach 6-10 Monaten erreicht sie den Mars. Die Raketenstufe bremst in einen 200 x 34000 km Orbit ein. Dort steigt die Besatzung in eine Landekapsel um. Sie landet in der Nähe der Wohnbehausung. In der ersten Zeit baut sie das Solararray für die Stromversorgung auf, richtet die Wohnung ein, lädt Vorräte um und Gerätschaften aus. Danach beginnt die Exkursion der Umgebung. Zuerst in der Nähe, dann immer weiter entfernt. Eventuell (es wird vom Gewicht her knapp) ist ein Wohnmobil möglich, dass Fahrten über die Distanz hinaus erlaubt bei der innerhalb eines Tages die Station erreicht wird. Schließlich muss die Besatzung irgendwo relaxen, schlafen oder auch nur mal die Raumanzüge ausziehen können. Der Aufenthalt dauert aus himmelsmechanischen Gründen etwa 500 bis 550 Tage. Danach lädt die Besatzung die Gesteinsproben in die Rückkehrkapsel, besteigt diese und steigt zur Station auf. Sie koppelt dort an und verlässt mit einer Zündung den Mars. Weitere sieben Monate später trennt sie die Rückkehrkapsel ab und landet direkt auf der Erde, die Station schlägt eine Sonnenumlaufbahn an.

Im letzten Teil kommt die Begründung warum ich diese Mission so designt habe und nicht anders und welche Alternativen ich aus welchen Gründen verworfen habe. Morgen gibt es einen Beitrag über das Fernsehprogramm 2020.

3 thoughts on “Mission to Mars Teil 3

  1. Ich wäre auch sehr dankbar für einen Link vom 1.Teil.
    Les mich grad ganz interessiert durch die anderen.
    Danke weiter so! Ich mag deine Raumfahrt-Blogs!

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