{"id":10967,"date":"2015-04-08T00:01:11","date_gmt":"2015-04-07T22:01:11","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=10967"},"modified":"2015-04-06T15:02:54","modified_gmt":"2015-04-06T13:02:54","slug":"alternativen-zur-rundtour-im-sonnensystem","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2015\/04\/08\/alternativen-zur-rundtour-im-sonnensystem\/","title":{"rendered":"Alternativen zur Rundtour im Sonnensystem"},"content":{"rendered":"<p>Als im Januar 1986 die Challenger &uuml;ber dem Kennedy Space Center explodierte stand auch die US-Raumfahrt still. Es gab nur noch wenige Tr&auml;gerraketen, und es dauerte Jahre bis wieder neue gebaut waren. f&uuml;r die meisten Nutzlasten gab es eine L&ouml;sung. Ihr Start verschob sich oder sie mussten auf eine andere Tr&auml;gerrakete umziehen. Doch eine hatte es schwer erwischt: Galileo.<\/p>\n<p>Galileo wurde entworfen, als man das Space Shuttle plante und er war an der Nutzlastgrenze des Shuttles. Nur die beiden modernsten Shuttles h&auml;tten &uuml;berhaupt die Galileo-Centaur Kombination transportieren k&ouml;nnen. Wegen Finanzierungsproblemen der Shuttle-Version der Centaur hat man sogar mehrmals andere Startoptionen erwogen auf die man sp&auml;ter zur&uuml;ckgriff.<!--more--><\/p>\n<p>Galileo startete bekanntlich mit einer VEEGA-Trajektorie: Einem Venus und zwei Erdorbeifl&uuml;gen. Eine IUS brachte den 2,2 t schweren Orbiter zuerst auf einen Venus Kurs, dann holte er durch drei Swing-Bys Schwung. Das ganze bedeutete eine Reise zum Jupiter &uuml;ber 5 Jahre anstatt rund 2 Jahren und es verteuerte die Mission. Schon vorher hatte man eine Reihe von M&ouml;glichkeiten erwogen die Mission anders durchf&uuml;hren zu k&ouml;nnen. Ich will heute mal diese diskutieren.<\/p>\n<h3>Die Fakten<\/h3>\n<ul>\n<li>Galileo besteht aus dem Orbiter und der Atmosph&auml;renprobe<\/li>\n<li>Der gebaute Orbiter wiegt 1884 kg, davon brauchte er 321 kg Treibstoff f&uuml;r den Umweg durch die interplanetare Reise f&uuml;r diverse Kurskorrekturen. Weitere 40 kg f&uuml;r ein Ausweichman&ouml;ver nach Abtrennung der Atmosph&auml;rensonde. Zum Orbiter k&auml;me noch der Adapter zur Oberstufe der bei der IUS 165 kg wog.<\/li>\n<li>Die Atmosph&auml;rensonde wiegt weitere 339 kg.<\/li>\n<li>Als einzige US-Tr&auml;gerrakete h&auml;tte die Titan in etwa die Nutzlast um Galileo starten zu k&ouml;nnen. Eingef&uuml;hrt war 1986 die Titan 34D, sie sollte bald von der Titan 4 abgel&ouml;st werden.<\/li>\n<li>F&uuml;r einen Orbit zum Jupiter braucht man mindestens 14150 m\/s. Damit man unabh&auml;ngiger ist sollte man die F&auml;higkeit haben leichte Abweichungen der Bahnebene auszugleichen, Ziel w&auml;re daf&uuml;r eine Geschwindigkeit von 14,3 km\/s relativ zur Erdoberfl&auml;che.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Die erste denkbare M&ouml;glichkeit w&auml;re ein Start mit einer Titan 34. Weder mit den beiden Standardoberstufen Transtage noch <a href=\"\/ius.shtml\">IUS<\/a> w&auml;re Galileo startbar gewesen. Die Nutzlast liegt bei nur wenigen Hundert Kilo f&uuml;r diesen Jupitertransferorbit.<\/p>\n<ul>\n<li>Fall 1: Ersatz der Transtage durch eine Centaur D. Diese w&uuml;rde mit 1859 kg Nutzlast den Orbiter transportieren k&ouml;nnen. Er w&auml;re ja dann um die 40 kg und 321 kg Treibstoff leichter. Die Atmosph&auml;rensonde h&auml;tte man separat starten m&uuml;ssen. Dazu m&uuml;sste man einen Bus oder etwas &auml;hnliches konstruieren um kleine Kurskorrekturen unterwegs durchzuf&uuml;hren und auch die Batterien mit Strom zu versorgen. Diese L&ouml;sung gab es schon vorher und wurde von der NASA verworfen.<\/li>\n<li>Fall 2: die Centaur D kommt zur Transtage hinzu. Dies bringt wenig und erh&ouml;ht die Nutzlast auf 1904 kg und wahrscheinlich ist die Transtage f&uuml;r solch schweren Nutzlasten nicht ausgelegt.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Es reicht also knapp, aber nicht ganz. Daher ist die sinnvollste M&ouml;glichkeit der Erweiterung eine weitere Oberstufe. Eine feste Oberstufe wurde schon bei Voyager 1+2 ebenfalls auf der Titan-Centaur eingesetzt. Eine solche Oberstufe bringt nicht automatisch etwas. Zum einen reduziert sie die Leermasse die transportiert werden muss und die bei der Centaur 1860 kg betr&auml;gt. Zum anderen ist der spezifische Impuls viel geringer als die der Centaur. Vom Gef&uuml;hl her w&uuml;rde ich sagen: eine kleine Oberstufe bringt etwas, zu schwer darf sie nicht sein. Daher habe ich zwei verbreitete Oberstufen damaligen der Zeit mal getestet, das eine ist die Burner 2 mit dem Star 37 Antrieb, die zweite ist das PAM-D mit dem Star 48 Antrieb.\u00a0 Es zeigt sich, das die kleinere Star 37 etwas effektiver ist. Sie erh&ouml;ht die Nutzlast auf 1984 kg, die PAM-D nur auf 1937 kg. Nun kann man mit dem spitzen Stuft rechnen:<\/p>\n<p>Galileo Orbiter &#8211; Kurskorrektur VEEGA-Tour + Atmosph&auml;rensonde: wiegen zusammen 1902 kg. Das l&auml;sst wenig Spielraum f&uuml;r den Adapter zur Stufe. Nimmt man den von Voyager so sind es 1853 kg Nutzlast der Titan 34-Centaur-Star 37 Kombination. Es fehlen also genau 50 kg. Etwas k&ouml;nnte der &Uuml;bergang von einer dreiachsenstabilsierten Plattform beim Star 37 zu der normalen Burner 2 bringen die durch schnelle Rotation stabilisiert ist. Doch nicht die vollen 50 kg.<\/p>\n<p>Doch da gibt es noch eine zweite M&ouml;glichkeit: Galileo kann die 321 kg Treibstoff, die man wegegelassen hat ja aufnehmen und direkt nach dem Start verbrennen. Das erh&ouml;ht die Trockenmasse um kein Kilo, reduziert die Geschwindigkeit die man erreichen muss. Bei dem spezifischen Impuls von 3098 m\/s des S400-1 Triebwerks w&uuml;rde dies die Sonde um 473 m\/s beschleunigen, entsprechend die Zielgeschwindigkeit auf 13830 m\/s reduzieren. Entsprechend die Nutzlast f&uuml;r die Kombination mit Star 37 auf 2267 kg, deutlich mehr als die Sonde wiegen w&uuml;rde (2223 kg). Das w&uuml;rde also reichen<\/p>\n<p>&#8230; aber nur wenn das Triebwerk in Erdn&auml;he gez&uuml;ndet wird und so die Gravitationssenke der Erde ausnutzen w&uuml;rde. Das ist doch sehr unwahrscheinlich, es m&uuml;sste praktisch nach der Abtrennung sofort arbeiten. das wird man ohne vorherigen Check der Sonde und Kontrolle der Ausrichtung nicht machen.<\/p>\n<p>In der Summe: es reicht knapp nicht, au&szlig;er man kann noch etwas Gewicht einsparen z.B. etwas weniger Treibstoff zutanken. Eine zweite M&ouml;glich ist der Einsatz der moderneren Centaur D-1A der Atlas G\/H, die 160 kg trocken weniger wiegt., Damit reicht die Kombination Titan 34D + Centaur D-1A + Star 37 aus um 1968 kg zu bef&ouml;rdern, Galileo w&uuml;rde ohne den Treibstoff f&uuml;r die VEEGA Tour 1902 kg wiegen.<\/p>\n<p>Damit gibt es eine L&ouml;sung. Die erst sp&auml;ter verf&uuml;gbare Titan 401 w&uuml;rde es &uuml;brigens nicht richten. Ihre Centaur G hat ein um 1 t h&ouml;heres Trockengewicht, das kann durch die anderen Leistungssteigerungsma&szlig;nahmen nicht kompensiert werden, nur die letzte Version der Titan die 401B w&auml;re leistungsf&auml;hig genug.<\/p>\n<p>Was g&auml;be es noch an Alternativen? Eigentlich ist die verwendete IUS nur f&uuml;r einen Venustrip schon etwas zu leistungsf&auml;hig. Sie h&auml;tte 655 kg mehr Nutzlast bef&ouml;rdern k&ouml;nnen. Dies kann genutzt werden um einen kleinen Feststoffantrieb mitzuf&uuml;hren. Ein Star 30C\/BP wiegt z. B. 631 kg und hat einen Gesamtimpuls von 1,7 MN, genug um die Raumsonde um 700 m\/s zu beschleunigen.<\/p>\n<p>Wozu dies? Nun eigentlich reichen unter optimalen Anfluggeometrien zwei Vorbeifl&uuml;ge an den erdnahen Planeten aus um zu Jupiter zu gelangen, so z.B. bei Cassini. Galileo bekam von der Venus 2,23 km\/s bei den beiden Erdvorbeifl&uuml;gen 3,1 und 3,7 km\/s. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes wirkt sich eine Steigerung der Energie in einer Gravitationsmulde (n&auml;chster Punkt zur Erde) st&auml;rker aus als fern der Erde. H&auml;tte man den Venusvorbeiflug weggelassen und beim ersten Vorbeiflug an der erde dieses Feststofftriebwerk gez&uuml;ndet, so h&auml;tte die Sonde nicht 3,1 sondern 5,1 km\/s an Geschwindigkeit gewonnen &#8211; also fast so viel wie der Venusvorbeiflug lieferte. Somit h&auml;tte man das Verbleiben auf der interplanetaren Bahn verk&uuml;rzen k&ouml;nnen.<\/p>\n<p>Was folgt: Galileo h&auml;tte rund drei Jahre fr&uuml;her bei Jupiter ankommen k&ouml;nnen, abh&auml;ngig vom Starttermin. Es w&auml;re auch billiger gewesen. Galileo verschlang in acht Jahren 462 Millionen Dollar an Kosten und war &uuml;ber f&uuml;nf Jahre in der interplanetaren Reise. Setzt man die Missionskosten nur mit 30 Millionen Dollar pro Jahr an, so h&auml;tte man damit den Start mit der Titan schon zu zwei dritteln finanziert. W&uuml;rde die NASA &#8222;ehrlich&#8220; rechnen n&auml;mlich die wahren Kosten des Shuttles, die damals bei etwa 280 bis 322 Millionen Dollar ohne Oberstufe lagen, so h&auml;tte man sogar deutlich gespart (die NASA gab kurz vor dem Challenger Ungl&uuml;ck die Mietkosten f&uuml;r die komplette Nutzlastbucht mit 71,4 Millionen Dollar an, doch dies war ein subventionierter Preis, die wahren Kosten waren deutlich h&ouml;her).<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg04.met.vgwort.de\/na\/a7d16454039b4f5681313c89c1fb1c39\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Als im Januar 1986 die Challenger &uuml;ber dem Kennedy Space Center explodierte stand auch die US-Raumfahrt still. Es gab nur noch wenige Tr&auml;gerraketen, und es dauerte Jahre bis wieder neue gebaut waren. f&uuml;r die meisten Nutzlasten gab es eine L&ouml;sung. Ihr Start verschob sich oder sie mussten auf eine andere Tr&auml;gerrakete umziehen. 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