Schlecht designte Raumsonden

So das neue Jahr hat begonnen, und ich habe mir wieder etwas vorgenommen. Die letzten Jahre waren es ja meist persönlich Dinge, vornehmlich für die Gesundheit. So vor 2 Jahren, dass ich pro Woche einen Fastentag einlege, halte ich übrigens bis heute durch. Diesmal habe ich was vorgenommen, was vielleicht auch den einen oder anderen Blogleser interessieren kann. Mein Vorsatz für dieses Jahr ist, das ich bis Jahresende alle meine Buchprojekte abgeschlossen haben will. Derzeit sind ja vier in der Mache. Zum einen beiden Bücher über Raumsonden, dann noch eines über Computer(technik)geschichte und eines in der Art „Einführung in die Ernährungslehre ohne chemische Formeln“ (Titel steht noch nicht fest). Die letzten beiden habe ich schon vor Jahren angefangen, komme aber irgendwo nicht dazu sie fertigzustellen.

Allerdings mit einer Einschränkung „abgeschlossen“ heißt: Das Manuskript ist fertig. Ein Buch ist als Manuskript in etwa 3-4 Monaten geschrieben. Die letzten beiden habe ich in jeweils 2 Monaten geschafft (das Manuskript zum Band 2 wurde am 30.12 fertig). Aber das ging nur, weil ich genügend vorbereitetes Material hatte und praktisch von morgens bis abends nichts anderes gemacht habe. Dann ist es aber noch nicht fertig. Es geht noch durch Korrekturleser und ich lese es nach jedem Korrekturleser nochmals durch. Das sind nochmals 3-4 Monate. Bis zum Druck alle Bücher bis Jahresende fertig zu haben, ist daher nicht zu schaffen, zumindest nicht, wenn ich berücksichtige das im Sommer fast nichts passiert und ich noch was anders tun will.

Damit schließe ich das Thema ab. Mir fällt zwar im Bereich Raumfahrt einiges ein, das ich noch machen könnte, aber realistischerweise wird es dafür keine Nachfrage geben. Bei Computern wäre sicher einiges zu schreiben, doch ich bin nicht der Geschichtenerzähler der dann die Bücher schreiben kann die Absatz finden. Einzig im Bereich Ernährung sehe ich noch ein sinnvolles Buch. Einen Lebensmittelführer. Da schreckt mich der Umfang, den ein solches Buch haben wird, ab.

Soviel zu meinem persönlichen Jahresvorsatz und auch zu den Büchern. Nun zum eigentlichen Thema. Als ich die letzten Jahre abgearbeitet habe, fiel mir auf, das es da einige Sonden gibt, die ich ineffizient finde. Bei den USA findet man den Rückgang von MMH/NTO auf Hydrazin als Treibstoff und woanders überflüssige Erdvorbeiflüge. Nun braucht mir keiner zu sagen, das technische Effizienz nicht gleichbedeutend mit Kosteneffizienz ist, aber diskutieren will ich es trotzdem mal. Die planetaren Bahnen habe ich mit dem NASA Trajectory Browser berechnet, Die Nutzlasten auch mal nicht selbst, sondern zumindest bei der NASA mit einem offziellen Tool, auch wenn ich dessen Genauigkeit anzweifele.

Hayabusa 2

Fangen wir mit dem Offensichtlichsten an: Hayabusa 2. Hayabusa 1 startete mit einer My-V. Die H-IIA hat die vielfache Nutzlast. Das sollte es doch ermöglichen nur mit chemischem Triebwerk das Ziel zu erreichen, zumindest aber den Erdvorbeiflug einzusparen. Der Trajetory Browser liefert als optimalste Bahn einen Start mit folgenden Eckdaten:

  • Start 12.12.2015
  • Ankunft: 8.4.2018
  • Abflug: 5.5.2022
  • Rückkehr: 4.12.2024
  • C3 = 11,2 km/s
  • spätere Kurskorrektur 1,55 km/s.

Hayabusa 2 hatte ihren Erdvorbeiflug, der sie erst auf die endgültige Bahn brachte, fast genau am gleichen Tag: 3.12.2015. Danach geht es aber schneller. Anstatt im Dezember 2024 sollen die Bodenproben schon im Dezember 2020 ankommen. Allerdings kommt man auch auf ein Ankunftsdatum im Dezember 2020, wenn die Kurskorrektur auf 1,62 km/s steigt.

Nun die Rückrechnung. Hayabusa wiegt ohne Treibstoff 483 kg, wobei dabei auch das Trockengewicht des Antriebs (chemisch und Ionenantrieb) dabei ist. Das soll ignoriert werden. Schließlich gibt es auch noch Manöver um Ryugu, das soll sich ausgleichen. Bei einem moderaten chemischen Impuls von 3100 m/s für einen 400-N-Antrieb und einem Strukturfaktor von 6 kommt man auf eine Startmasse (mit 1,62 km/s Geschwindigkeitsänderung) auf eine Startmasse von 963 kg. Diese muss eine H-IIA auf eine Geschwindigkeit von 11,5 km/s beschleunigen (bei einer Fluchtgeschwindigkeit von 11 km/s). Ich errechne für die kleinste Version der H-IIA 202 eine Nutzlast von 2.023 kg für diese Geschwindigkeit, also mehr als doppelt so viel. Damit wäre die Mission ohne Erdvorbeiflug möglich mit einem Jahr kürzerer Missionszeit. Wahrscheinlich ist das chemische Antriebssystem teuer, dafür spart man die Ionentriebwerke ein. Es ist bei einer Mission mit einem so geringen dV auch nicht nötig. Da es bei den letzen drei japanischen Raumsonden (Nozomi, Hayabusa, Akatsuki) allesamt Probleme gab, bevor sie das Ziel erreichten, wäre ich an Japans Stelle an einer möglichst kurzen Betriebszeit interessiert. Wahrscheinlich hat man sich für die Kopie entschlossen, weil die Ionentriebwerke dafür sorgten, das Hayabusa überhaupt noch die Erde erreichten und weil man wohl testen will, ob das nachgebesserte Konzept erfolgreich ist.

MAVEN

MAVEN ist eine Mission, bei der die USA vom Treibstoff MMH/NTO durch reines Hydrazin ersetzt wurde. Solche Missionen dominieren seit die Delta II eingestellt wurde: MRO. MAVEN, OSIRIS-REX sind solche Bespiele. Der Grund ist relativ einfach: Die Atlas V hat selbst in der kleinsten Version mehr als die doppelte Nutzlast einer Delta II. So viel schwerer sind die Nutzlasten aber gar nicht, weshalb man eine weniger effizientere Treibstoffmischung nimmt. Die hat den Nebenvorteil, dass man nur einen Tank hat und damit ist das ganze System weniger Komplexer. So weit so gut. Bei MEVEN kommt aber hinzu, dass diese Mission möglichst viele „Deep-Dips“, also Eintauchvorgänge in die Marsatmosphäre durchführen soll. So wäre ein größerer Treibstoffvorrat sinnvoll.

Frage 1: Hat man die Nutzlastkapazität der Atlas ausgenutzt?

MAVEN wog beim Start 2.454 kg, ohne Treibstoffe übrigens nur 809 kg. Mittels des Programms Ipto-OCS habe ich für den Start- und Ankunftstermin ein c3 von 12,26 km/s² ermittelt. Das NASA Tool liefert für einen etwas späteren Start (6.12.2013 anstatt 18.11.2013) sogar nur 8,7 km²/s². Die Query der Performance für 12,26 km²/s² liefert eine Nutzlast von nur 2.254 kg beim NASA-Tool, das meiner Ansicht ja immer zu gering liegt, vor allem bei den Falcons ist der Unterschied echt heftig. Offiztiell liefert die 401 nach ULA eine Nutzlast von 3,3 t auf Fluchtgeschwindigkeit. Hier sind es bei 11,54 km/s dann schon 2,2 t? Unglaubwürdig. Ich komme mit der offiziellen Angabe von 3,3 t auf Fluchtgeschwindigkeit auf 2.622 kg für 11,5 km/s. Man hat also die maximale Nutzlast schon nicht ausgenutzt. Selbst wenn man also den ineffizienten Treibstoff nimmt, dann sind das 86 m/s mehr. Nicht viel, aber von den 2492 m/s Gesamtgeschwindigkeitsänderung gingen schon 1.230 m/s beim Einschwenken verloren, 632 m/s mehr zum Anpassen des Orbits. 7 Deep-dips sind angesetzt. Das sind 90 m/s pro Deep-Deep. Es wären also mindestens ein Deep-Dips mehr. Wahrscheinlich mehr, weil ja auch dann noch Treibstoffreste verblieben und die Zahl der Deep Dips nur durch die derzeitige Verlängerung der Mission feststeht. Eine längere Mission würde dann noch mehr Deep-dips erlauben.

Würde man auf ein Zweikomponentensystem wechseln, mit einem spezifischen Impuls von minimal 3100 anstatt 2246 so wären 3558 m/s Änderung möglich – mindestens 12 Deep-Dips mehr.

Man könnte noch weiter gehen. Wenn die Sonde Aerobraking durchführt, hätte man über Monate die Phase der Deep-Dips – kostenlos ohne Treibstoffverbrauch. Man spart die 632 m/s zum Absenken der Apoapsis und hat mehr Forschungszeit für dieses Primärziel. Ich vermute es gibt geometrische Gründe dafür, beim Aerobraking nutzt man ja die Solarpaneele zum Abbremsen, während man bei Deep-Dips die Instrumente so orientieren wird, dass diese gute Daten liefern. Aber viellicht kann man es kombinieren: einen Orbit zum Abbremsen, eine Drehung und einen Wissenschaftsorbit. Eine Überlegung wäre es wert. Selbst wenn es nicht möglich wäre : die eingesparten 632 m/s wären weitere 7 Deep-Dips, die man durchführen könnte, weil MAVWEN ja kein Aerobraking durchführt.

Soviel für heute. Morgen kommen drei neue Sonden dran: TGI, BepiColombo, OSIRIS-REx

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