In vier Jahren zu Tschurri, anstatt in zehn

In meiner kleinen Serie über Ionentriebwerke will ich mal was neues versuchen und zwar untersuchen ob eine Mission vielleicht schneller oder besser mit Ionentriebwerken durchgeführt werden kann. Dabei will ich die Originalmission weitestgehend übernehmen.

Diesmal geht es um Rosetta. Rosettas Ziel ist der Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 67P oder „Tschurri“, da sich keiner den Doppelnamen merken kann. 67P gehört zu einer sehr häufigen Klasse dem der von Jupiter umgelenkten Kometen (Jupiter Comet familiy JCF). Diese Kometen haben ein Perihel rund um Jupiters Bahn und eine niedrige Bahnneigung. Viele der bisher von Raumsonden besuchten Kometen, eigentlich alle außer Halley gehören in diese Gruppe. Jupiter ist aber mit Ionentriebwerken zu erreichen, daher mein Ansatz Rosetta mit Ionentriebwerken neu zu simulieren. Hier die für die Simulation wichtigen Kerndaten:

  • Rosetta wiegt beim Start 3011 kg
  • Die Solarzellen wiegen 169,7 kg bei 7,1 kW Leistung
  • der Treibstoff wiegt 1670 kg, das Gesamtsystem mit Tanks und Triebwerken 1841,5 kg.
  • Rosetta gelangte beim Start in eine Bahn mit einer solaren Überschussgeschwindigkeit von 3545 m/s. Bei 150 Mill. km Startentfernung entspricht dies einer Geschwindigkeit von 33345 m/s solar.
  • 67P/Churyumov-Gerasimenko hat eine Bahn die um 6,4 Grad geneigt ist und zwischen 186 und 851 Mill. km von der Sonne entfernt verläuft.

Mein Ansatz ist: Anstatt des chemischen Treibstoffsystems ein solarelektrisches System einzubauen. Idealerweise verbindet man es mit den Solarzellen der Sonne, so wäre wegen der höheren Leistung auch ein betrieb Rosettas im Aphel möglich.

So entfallen von der Originalsonde 1841,5 kg auf das Antriebssystem, diese kann man nutzen. Da die Solarzellen die gleichen wie bei Rosetta sein sollen, nehme ich deren BOL-Leistung von 41,5 W/kg.

Meine Simulation arbeitet nur in der X-Y Ebene. Um die Inklination von 6,4 Grad (Z-Eben) abzubauen habe ich daher zuerst eine Anhebung der Inklination vorgeschaltet. Das ist bei fehlender Änderung der Bahngeschwindigkeit leicht klassisch berechenbar. Ich habe einen spezifischen Impuls von 39.000 angenommen, in etwa in der Mitte des Bereiches den heute Ionentriebwerke haben (35.000 bis 43.000 m/s). Man errechnet eine Geschwindigkeitsänderung von 3722 m/s. Bahntechnisch ist dies ungünstig. Besser wäre das ändern im Aphel, doch da hat man sehr wenig Leistung oder beim heraufspiralen. Dies senkt die Startmasse vor dem Anheben des Aphels von 3.011 auf 2.736 kg.

Beim heraufspiralen steigt das Perihel ab. Die Strategie ist daher die Leistung solange zu erhöhen bis man beim Perihel in etwa in 67P Region kommt. So kam ich zu einer Lösung:

Bahn von Rosetta ionenbetrieben

Simulationseinstellungen
Maximale Simulationsdauer: 13 J 255 d
Vorgabe solare Startgeschwindigkeit: 34.344,0 m/s
Simulationsdauer 219 d
Schrittweite: 50 s
Entfernung bei Sim-Ende 342,1 Mill. km
Geschwindigkeit bei Sim-Ende 22.808,5 m/s
Vorgabe Maximalentfernung: 851,0 Mill. km
Startbahn ist eine Ellipse
Perihel/Perigäum: 149,60 Mill. km
Aphel/Apogäum: 296,42 Mill. km
Große Halbachse: 223,01 Mill. km
Umlaufszeit: 1 J 299 d
Endbahn ist eine Ellipse
Perihel/Perigäum: 186,30 Mill. km
Aphel/Apogäum: 851,25 Mill. km
Große Halbachse: 518,78 Mill. km
Umlaufszeit: 6 J 168 d
Ionentriebwerkseinstellungen
Schubrichtung: Parallel zum Bewegungsvektor
Abbruchbedingung der Simulation: Betrieb bis die Bahn das Zielaphel/-Apogäum überschreitet
Apo-Punkt: 851,0 Mill. km
Betrieb: Dauernder Betrieb
Schub wirkt in die Bahnrichtung
Startgewicht: 2.736,0 kg
Aktuelles Gewicht: 2.346,9 kg
Stromversorgung: 22.700,0 Watt @ 1 AE
Eigenstromverbrauch: 400,0 Watt
Spezifischer Impuls: 39.000,0 m/s
Reine Betriebszeit: 219 d
Missionszeit mit Freiflugphase 3 J 104 d
Differenz zur Kreisgeschwindigkeit bei 851,0 Mill.: 5.009,7 m/s
Gesamte Geschwindigkeitsänderung: 5.983,1 m/s

Die Leistung von 22,7 kW ist fast das dreifache des Rosetta-Arrays. Daher habe ich in einem zweiten Schritt die Leistung auf 21,3 kW reduziert. Das vereinfacht die Konstruktion, man braucht einfach nur nochmals zwei Arrays wie die schon verbauten. Das muss man durch einen etwas geringeren spezifischen Impuls kompensieren, der den Treibstoffverbrauch erhöht. Bei 36500 m/s bekommt man eine Lösung, doch dann muss man das Startgewicht nochmals berechnen, da dieses mit einem spezifischen Impuls von 39.000 m/s berechnet wurde. Man erhält 2719 kg. Wiederholt man dies nochmals so kommt man auf die endgültige Lösung:

Simulationseinstellungen
Maximale Simulationsdauer: 13 J 255 d
Vorgabe solare Startgeschwindigkeit: 34.344,0 m/s
Simulationsdauer 220 d
Schrittweite: 50 s
Entfernung bei Sim-Ende 343,0 Mill. km
Geschwindigkeit bei Sim-Ende 22.767,3 m/s
Vorgabe Maximalentfernung: 851,0 Mill. km
Endbahn ist eine Ellipse
Perihel/Perigäum: 186,68 Mill. km
Aphel/Apogäum: 851,40 Mill. km
Große Halbachse: 519,04 Mill. km
Umlaufszeit: 6 J 170 d
Ionentriebwerkseinstellungen
Schubrichtung: Parallel zum Bewegungsvektor
Abbruchbedingung der Simulation: Betrieb bis die Bahn das Zielaphel/-Apogäum überschreitet
Apo-Punkt: 851,0 Mill. km
Betrieb: Dauernder Betrieb
Schub wirkt in die Bahnrichtung
Startgewicht: 2.722,0 kg
Aktuelles Gewicht: 2.314,8 kg
Stromversorgung: 21.300,0 Watt @ 1 AE
Eigenstromverbrauch: 400,0 Watt
Spezifischer Impuls: 37.000,0 m/s
Reine Betriebszeit: 220 d
Missionszeit mit Freiflugphase 3 J 99 d
Differenz zur Kreisgeschwindigkeit bei 851,0 Mill.: 5.007,0 m/s
Gesamte Geschwindigkeitsänderung: 5.995,4 m/s

Dazu kommen noch 155 Tage um die Inklination anzuheben. Man erhalt also eine Gesamtmissionsdauer von 3 Jahren, 254 Tagen, unter 4 Jahren um Churymasov-Geramisenko zu erreichen. Rosetta benötigte dazu über 10 Jahre, weil ein Marsvorbeiflug und drei Erdvorbeiflüge um die Bahn anzuheben. Für die Anhebung des Perihels waren dann die Treibstoffvorräte an Bord. So sähe ein Vergleich mit der Orginialrosetta aus:

System Rosetta Rosetta solar-elektrisch angetrieben
Startmasse: 3011 kg 3011 kg
Trockenmasse: 1341 kg 2279 kg (5% Treibstoffreste berücksichtigt)
Masse Raumsonde ohne Antriebssystem und Solararrays 974,8 kg 1623 kg*

Während man das Gewicht der Tanks und Solarzellen leicht aus Standardwerten bzw. den bekannten Wert von Rosetta berechnen kann, ist das Gewicht der Ionentriebwerke und ihrer Untersysteme wie Leitungen, Ventile, Strukturen und Stromkonverter nur schätzbar. Bei fast 700 kg mehr als bei Original-Rosetta gibt es da aber einen großen Spielraum. Das reicht auch noch für ein kleineres chemisches Antriebssystem. Das wird auch benötigt um die Bahn um den Kometen mehrfach zu ändern. Das ist aus mit Ionentriebwerken leicht möglich wenn die Sonde nicht gerade im Aphel ist.

Was den Reiz dieser Lösung ausmacht ist auch, das man nur die Solararrays verdoppeln muss. Die Leistung von 21,3 kW würde ausreichen um vier bis fünf schon verfügbare Ionentriebwerke wie das Rit-XT oder RIT-2X zu betrieben. Man ist also in Bereichen die heute schon technisch umsetzbar sind. Vier RIT 2X würden ausreichen. Bei Betriebsende in 343 Mill km Entfernung hat man noch eine Leistung von 4,05 KW, genügend um ein RIT-2X zu betrieben. Für den Betrieb im Aphel wären dann noch vier RIT-10 nötig die von 145 bis 750 W in der Leistung regulierbar ist. Ein RIT-2X kann bis auf 2185 W in der Leistungsaufnahme gesenkt werden.

Was lernen wir daraus?

Nun zum einen kommen wir zu 67P viel schneller – in 4 Jahren anstatt 10. Zum zweiten würde eine Sonde mit um ein Drittel kleinerer Startmasse ausreichen. Das letztere spielte bei Rosetta keine Rolle, da 2004 als sie startete nur die Ariane 5 als Träger verfügbar war. Möglich wäre ein Start mit einem höheren dV gewesen oder man hätte gleich beim Start die Bahnneigung reduziert, da Rosetta nicht die volle Nutzlastmasse ausnutzte.

Übertragen bedeutet dies, das man in 4-5 Jahren sehr viele Kometen erreichen kann. Denn zu dieser Jupitergruppe gehören viele Kometen. Das MIT listet über 500 Stück auf. Selbst wenn man sich auf die beschränkt, deren Bahnneigung nicht zu hoch ist und das Perihel erdnah, so bleiben noch genügend Ziele übrig. Man kann das Szenario noch weiter spinnen. Nehmen wir die 200 kg für die Ionentriebwerkssubsysteme und den Rest für Treibstoff, so könnte die Sonde ihre Geschwindigkeit um weitere 9,1 km/s ändern, also in etwa genauso viel wie bisher. Das würde für mindestens einen weiteren Kometenbesuch, eventuell mehrere wenn die Bahnen ähnlich sind reichen.

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