<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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:<\/p>\n
![\"Bahn](\"\/img\/rosetta-ionbahn.png\")
<\/p>\n
Simulationseinstellungen
\nMaximale Simulationsdauer: 13 J 255 d
\nVorgabe solare Startgeschwindigkeit: 34.344,0 m\/s
\nSimulationsdauer 219 d
\nSchrittweite: 50 s
\nEntfernung bei Sim-Ende 342,1 Mill. km
\nGeschwindigkeit bei Sim-Ende 22.808,5 m\/s
\nVorgabe Maximalentfernung: 851,0 Mill. km
\nStartbahn ist eine Ellipse
\nPerihel\/Perigäum: 149,60 Mill. km
\nAphel\/Apogäum: 296,42 Mill. km
\nGroße Halbachse: 223,01 Mill. km
\nUmlaufszeit: 1 J 299 d
\nEndbahn ist eine Ellipse
\nPerihel\/Perigäum: 186,30 Mill. km
\nAphel\/Apogäum: 851,25 Mill. km
\nGroße Halbachse: 518,78 Mill. km
\nUmlaufszeit: 6 J 168 d
\nIonentriebwerkseinstellungen
\nSchubrichtung: Parallel zum Bewegungsvektor
\nAbbruchbedingung der Simulation: Betrieb bis die Bahn das Zielaphel\/-Apogäum überschreitet
\nApo-Punkt: 851,0 Mill. km
\nBetrieb: Dauernder Betrieb
\nSchub wirkt in die Bahnrichtung
\nStartgewicht: 2.736,0 kg
\nAktuelles Gewicht: 2.346,9 kg
\nStromversorgung: 22.700,0 Watt @ 1 AE
\nEigenstromverbrauch: 400,0 Watt
\nSpezifischer Impuls: 39.000,0 m\/s
\nReine Betriebszeit: 219 d
\nMissionszeit mit Freiflugphase 3 J 104 d
\nDifferenz zur Kreisgeschwindigkeit bei 851,0 Mill.: 5.009,7 m\/s
\nGesamte Geschwindigkeitsänderung: 5.983,1 m\/s<\/p>\n
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:<\/p>\n
Simulationseinstellungen
\nMaximale Simulationsdauer: 13 J 255 d
\nVorgabe solare Startgeschwindigkeit: 34.344,0 m\/s
\nSimulationsdauer 220 d
\nSchrittweite: 50 s
\nEntfernung bei Sim-Ende 343,0 Mill. km
\nGeschwindigkeit bei Sim-Ende 22.767,3 m\/s
\nVorgabe Maximalentfernung: 851,0 Mill. km
\nEndbahn ist eine Ellipse
\nPerihel\/Perigäum: 186,68 Mill. km
\nAphel\/Apogäum: 851,40 Mill. km
\nGroße Halbachse: 519,04 Mill. km
\nUmlaufszeit: 6 J 170 d
\nIonentriebwerkseinstellungen
\nSchubrichtung: Parallel zum Bewegungsvektor
\nAbbruchbedingung der Simulation: Betrieb bis die Bahn das Zielaphel\/-Apogäum überschreitet
\nApo-Punkt: 851,0 Mill. km
\nBetrieb: Dauernder Betrieb
\nSchub wirkt in die Bahnrichtung
\nStartgewicht: 2.722,0 kg
\nAktuelles Gewicht: 2.314,8 kg
\nStromversorgung: 21.300,0 Watt @ 1 AE
\nEigenstromverbrauch: 400,0 Watt
\nSpezifischer Impuls: 37.000,0 m\/s
\nReine Betriebszeit: 220 d
\nMissionszeit mit Freiflugphase 3 J 99 d
\nDifferenz zur Kreisgeschwindigkeit bei 851,0 Mill.: 5.007,0 m\/s
\nGesamte Geschwindigkeitsänderung: 5.995,4 m\/s<\/p>\n
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:<\/p>\n
| System<\/th>\n | Rosetta<\/th>\n | Rosetta solar-elektrisch angetrieben<\/th>\n<\/tr>\n |
|---|---|---|
| Startmasse:<\/td>\n | 3011 kg<\/td>\n | 3011 kg<\/td>\n<\/tr>\n |
| Trockenmasse:<\/td>\n | 1341 kg<\/td>\n | 2279 kg (5% Treibstoffreste berücksichtigt)<\/td>\n<\/tr>\n |
| Masse Raumsonde ohne Antriebssystem und Solararrays<\/td>\n | 974,8 kg<\/td>\n | 1623 kg*<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n 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.<\/p>\n 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.<\/p>\n Was lernen wir daraus?<\/h2>\nNun 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.<\/p>\n |