{"id":12223,"date":"2016-12-30T11:24:27","date_gmt":"2016-12-30T10:24:27","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=12223"},"modified":"2016-12-30T11:24:27","modified_gmt":"2016-12-30T10:24:27","slug":"die-loesung-fuer-ein-ueberfluessiges-problem-schnell-zu-merkur","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2016\/12\/30\/die-loesung-fuer-ein-ueberfluessiges-problem-schnell-zu-merkur\/","title":{"rendered":"Die L&ouml;sung f&uuml;r ein &uuml;berfl&uuml;ssiges Problem: schnell zu Merkur"},"content":{"rendered":"<p>Merkur ist der innerste der Planeten. Anders als alle anderen inneren Planeten hat er aber selten Besuch bekommen. 1974\/75 besuchte ihn dreimal die Raumsonde <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/mariner10.shtml\">Mariner 10<\/a>. Dies war eine Vorbeiflugmission. Es folgte 2004 Messenger. Sie schwenkte im M&auml;rz 2011 in einen Orbit ein. Es soll noch BepiColombo folgen, ebenfalls eine Orbitermission, diesmal aber mit zwei Orbitern. Urspr&uuml;nglich war auch ein Lander geplant, doch er fiel Budgetrestriktionen zum Opfer. Auch BepiColombo wird sieben Jahre brauchen, um Merkur zu erreichen. Demgegen&uuml;ber schaffte Mariner 10 den Weg in weniger als f&uuml;nf Monaten. Da bin ich beim heutigen Blogthema: schnell zu Merkur. Wie schnell geht es?<\/p>\n<p>Nun um die Frage kurz zu beantworten: Nat&uuml;rlich geht es schnell. Doch der Preis ist, dass man ein hohes <span style=\"font-family: 'Segoe UI';\">\u0394<\/span>V zur Merkur-Umlaufbahn bei der Ankunft hat. Das muss man abbauen und das kostet Treibstoff. Ich will den Artikel nicht mit Berechnungen vollstopfen. Es sind ohnehin nur zwei Formeln n&ouml;tig: Die Geschwindigkeit eines K&ouml;rpers um einen anderen erh&auml;lt man mit der <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/orbits.shtml\">Vis-Viva Gleichung<\/a>, wenn man die Bahnparameter und momentanen Abstand kennt. Die Geschwindigkeit, die man braucht, um von einer Sonnenumlaufbahn in eine Planetenumlaufbahn zu gelangen (und umgekehrt) erh&auml;lt man mit dem<a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/mariner10.shtml\"> hyperbolischen Exzess<\/a>. Beides ist in meinen Grundlagenartikeln erl&auml;utert.<!--more--><\/p>\n<h3 class=\"western\">Klassische Hohmann-Transferbahn<\/h3>\n<p>Die energie&auml;rmste Bahn zu Merkur resultiert dann, wenn Merkur am sonnenfernsten Punkt ist. Merkurs Umlaufbahn ist stark elliptisch und der sonnenfernste Punkt erstreckt sich &uuml;ber 69 Millionen km von der Sonne entfernt. Beim sonnenn&auml;chsten Punkt sind es nur noch 46 Millionen km. Die Geschwindigkeitsdifferenz ist um so gr&ouml;&szlig;er, je weiter die Bahnextreme auseinander liegen. Da die Erdbahn nahezu kreisf&ouml;rmig ist, kann man nur bei Merkur Einfluss nehmen. F&uuml;r eine klassische Hohmannbahn sieht dies f&uuml;r Merkurs Aphel so aus:<\/p>\n<p>Ben&ouml;tigte Solare Geschwindigkeit in der Transferbahn: 23668,6 m\/s<\/p>\n<p>Differenz zur Geschwindigkeit in der Bahn der Erd : -6119,8 m\/s<\/p>\n<p>Inklinations&auml;nderung: 1698,3 m\/s<\/p>\n<p>Hypoberlische Exzessgeschwindigkeit: 12613,7 m\/s<\/p>\n<p>Geschwindigkeit des Planeten 39440,1 m\/s<\/p>\n<p>Geschwindigkeit in der Transferbahn beim Planeten 51316,3 m\/s<\/p>\n<p>Zum einen muss die Raumsonde schon die solare Geschwindigkeit beim Start um 6,2 km\/s &auml;ndern. Das dr&uuml;ckt sich in der hohen Startgeschwindigkeit (relativ zu einer 186-km-Kreisbahn) aus. Bei Merkur angekommen ist sie immer noch 12 km\/s zu schnell. (51,3 zu 39,4 km\/s)<\/p>\n<p>F&uuml;r das Perihel von Merkur sieht dieselbe Rechnung so aus:<\/p>\n<p>Ben&ouml;tigte Solare Geschwindigkeit in der Transferbahn: 20430,0 m\/s<\/p>\n<p>Differenz zur Geschwindigkeit in der Bahn der Erde: -9358,5 m\/s<\/p>\n<p>Inklinations&auml;nderung: 2826,3 m\/s<\/p>\n<p>Hypoberlische Exzessgeschwindigkeit: 14465,0 m\/s<\/p>\n<p>Geschwindigkeit des Planeten 58987,3 m\/s<\/p>\n<p>Geschwindigkeit in der Transferbahn beim Planeten 66441,8 m\/s<\/p>\n<p>Hier ist die Sonde \u201enur\u201c noch 7,5 km\/s zu schnell. Um mit diesen &Uuml;berschussgeschwindigkeiten in einen 500 km hohen Otrbit einzuschwenken, muss die Sonde dann um 9,9 km\/s (Ann&auml;herung im Aphel) und 5,7 km\/s (Ann&auml;herung im Perihel abbremsen). Zusammen mit der Startgeschwindigkeit von 12,6 und 14,5 km\/s ergeben sich so Gesamtgeschwindigkeits&auml;nderungen von 22,5 und 20,2 km\/s. Die Ann&auml;herung im Perihel ist also energetisch g&uuml;nstiger. Der Widerspruch erkl&auml;rt sich durch den hyperbolischen Exzess. Es gibt dabei zwei. Einen beim Abflug von der Erde und einen bei Merkur. Er senkt den Geschwindigkeitsbedarf enorm ab. Ohne ihn w&auml;ren es 29-42 km\/s Geschwindigkeits&auml;nderung. Bei der Ann&auml;herung im Perihel ist der gr&ouml;&szlig;ere Betrag beim Start f&auml;llig. Dieser findet im Gravitationsfeld der Erde statt, wobei der hyperbolische Exzess wegen der gr&ouml;&szlig;eren Gravitationskraft der Erde naturgem&auml;&szlig; h&ouml;her ist.<\/p>\n<p>Trotzdem: 20-22 km\/s sind enorm viel. Die beim Start schnellste Raumsonde war bisher New Horizons mit einer Startgeschwindigkeit unter 17 km\/s. Dabei wog diese nicht mal 500 kg. Schon auf die niedrigere Geschwindigkeit von 20 km\/s k&ouml;nnte man gerade mal 100-200 kg mit einer Atlas V in einen Merkurobrit bringen.<\/p>\n<h2 class=\"western\">Schneller mit Venus Fly-By<\/h2>\n<p>Schon Mariner 10 nutzte die Venus als Sprungbrett. Die Venus kann das Perihel einer Bahn soweit absenken, dass aus einer Venus-Transferbahn eine Bahn wird, deren sonnenn&auml;chster Punkt beim Perihel von Merkur liegt. Das geht schon bei Bahnen die sonst ihr Perihel in der Entfernung der Venus haben. Eine &Uuml;berschussgeschwindigkeit wirkt sich kaum auf das Aphel aus. Das Perihel sinkt dagegen deutlich ab, wie folgende Tabelle zeigt. Die Vorbeiflugh&ouml;he an der Venus wurde dabei konstant bei 500 km gehalten und die Startgeschwindigkeit von der Erde bezieht sich auf eine Fluchtgeschwindigkeit von 11 km\/s, die man typisch in einem erdnahen Orbit hat.<\/p>\n<table width=\"100%\" cellspacing=\"0\" cellpadding=\"4\">\n<colgroup>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr valign=\"TOP\">\n<th width=\"20%\">Startgeschwindigkeit Solar<\/th>\n<th width=\"20%\">Startgeschwindigkeit Erde<\/th>\n<th width=\"20%\">Startbahn<\/p>\n<p>[Mill. km]<\/th>\n<th width=\"20%\">Endbahn<br \/>\n[Mill. km]<\/th>\n<th width=\"20%\">Geschwindigkeitsdifferenz zu Merkur am Perihel<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"20%\">24.000 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">12.430 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">71,9 x 149,6<\/td>\n<td width=\"20%\">46,6 x 120,7<\/td>\n<td width=\"20%\">5761 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"20%\">25.000 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">11.998 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">81,3 x 149,6<\/td>\n<td width=\"20%\">51,4 x 117,1<\/td>\n<td width=\"20%\">6088 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"20%\">26.000 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">11.634 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">92,1 x 149,6<\/td>\n<td width=\"20%\">57,2 x 113,1<\/td>\n<td width=\"20%\">6853 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"20%\">27.000 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">11.349 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">104,3 x 149,6<\/td>\n<td width=\"20%\">70 x 109,3<\/td>\n<td width=\"20%\">9221 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Ich habe die gr&ouml;&szlig;eren Startgeschwindigkeiten hinzugenommen, weil wie oben gezeigt, man so die Differenz zur Geschwindigkeit Merkurs minimieren kann.<\/p>\n<p>F&uuml;r die erste Bahn errechnet sich so eine abzubremsende Geschwindigkeit in einen 500-km-Orbit von 4203 m\/s und f&uuml;r die Zweite eine von 4476 m\/s. Die beiden anderen Bahnen sind nicht mehr g&uuml;nstiger. Zusammen mit der Startgeschwindigkeit ist man so bei 16.633 m\/s und 16.475 m\/s. Das ist zwar fast 4 km\/s besser als ohne Vorbeiflug, aber klar ist, dass so die Nutzlast minimal ist: Eine Atlas V k&ouml;nnte so noch etwa 500 kg in einen Orbit um Merkur bringen. Elliptische Orbits sind etwas g&uuml;nstiger, doch angesichts der kleinen Schwerkraft von Merkur nicht viel. Bei Messenger machte dies rund 850 m\/s aus.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Wie kommt man m&ouml;glichst schnell mit mehreren Vorbeifl&uuml;gen zu Merkur?<\/h3>\n<p>Es geht, das zeigte Messenger. Doch die Raumsonde brauchte fast sieben Jahre vom Start bis zur Ankunft in dem Endorbit. Dabei machte sie sechs Swing-Bys: Einen an der Erde, zwei an der Venus und drei an Merkur.<\/p>\n<p>Doch m&uuml;ssen es 7 Jahre Flugzeit sein? Im Prinzip nicht. Man muss nur daf&uuml;r sorgen, dass die neue Umlaufszeit, und Merkurs Umlaufszeit von 88 Tagen, eine m&ouml;glichst kleine gemeinsame Periode haben. Das Vorbild ist hier Mariner 10. Ihre Bahn, die nach der Merkurpassage stark der letzten Bahn in der Tabelle &auml;hnelte, hatte eine Umlaufszeit von 176 Tagen. Das sind zwei Merkurjahre. Merkur k&ouml;nnte sie mit nur 2604 m\/s Geschwindigkeits&auml;nderung in eine von 69 x 84 Millionen km &auml;ndern. Diese hat dann 1,5 Merkurjahre Umlaufdauer \u2013 nach 3 Merkuruml&auml;ufen oder 264 Tagen passiert man Merkur erneut. Das Problem: Die Periode nimmt nun rasch zu. Das n&auml;chste geradzahlige Vielfache w&auml;re 4\/3 mit 4 x 88 = 352 Tagen nach dem man sich erneut begegnet. Kurzum: Wenn man wie bei Messenger nur noch 900 m\/s abbremsen m&ouml;chte, braucht man sehr viele Begegnungen und sehr lange Zeit. Immerhin, f&uuml;r den Fall, dass man die g&uuml;nstige der obigen Startbahnen nimmt, erg&auml;ben sich folgende Zwischenbahnen:<\/p>\n<table width=\"100%\" cellspacing=\"0\" cellpadding=\"4\">\n<colgroup>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/>\n<col width=\"51*\" \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr valign=\"TOP\">\n<th width=\"20%\">Startbahn<\/th>\n<th width=\"20%\">Nach Vorbeiflug<\/th>\n<th width=\"20%\">Differenz zu 500 km Kreisbahn<\/th>\n<th width=\"20%\">Neue Umlaufsdauer<\/th>\n<th width=\"20%\">Gesamtdauer<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"20%\">51,4 x 117,1 Mill. Km<\/td>\n<td width=\"20%\">51,4 x 100,5 Mill. Km<\/td>\n<td width=\"20%\">3476 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">132 Tage<\/td>\n<td width=\"20%\">105 Tage<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"20%\">51,4 x 100,5 Mill. Km<\/td>\n<td width=\"20%\">51,4 x 88,7 Mill. Km<\/td>\n<td width=\"20%\">2541 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">117 Tage<\/td>\n<td width=\"20%\">369 Tage<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"20%\">51,4 x 88,7 Mill. Km<\/td>\n<td width=\"20%\">51,4 x 83,1 Mill. Km<\/td>\n<td width=\"20%\">2086 m\/s<\/td>\n<td width=\"20%\">110 Tage<\/td>\n<td width=\"20%\">720 Tage<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Relativ schnell deutlich wird, dass man f&uuml;r einen immer kleiner werdenden Geschwindigkeitsgewinn immer l&auml;nger werdende Perioden zwischen zwei Begegnungen mit Merkur erreicht. Nach der letzten Bahn m&uuml;sste man nun 440 Tage warten (gesamt also 1160 Tage oder mehr als 3 Jahre) bis man mit rund 2,1 km\/s einschwenken k&ouml;nnte. Dabei liegt diese Geschwindigkeit immer noch &uuml;ber der, die Messenger aufwenden musste.<\/p>\n<p>Das Ganze wird etwas dadurch entsch&auml;rft, das die Raumsonde den Kurs zwischen zwei Begegnungen leicht korrigieren kann. Doch das kostet wiederum weiteren Treibstoff. <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/messenger.shtml\">Messenger<\/a> brauchte noch l&auml;nger, weil die Sonde schon mit geringer Geschwindigkeit startete. So brauchte sie erst mehrere Vorbeifl&uuml;ge, um &uuml;berhaupt das Perihel in Merkurs Entfernung zu bekommen. Bei obiger Sonde w&auml;re die Venus nach 43 Tagen erreicht worden, Messenger passierte sie erst nach 26 Monaten. Die erste Merkurbegegnung erfolgte nach &uuml;ber 4 Jahren anstatt nach einem halben Jahr. Danach ist die Mission mit der obigen Tabelle vergleichbar.<\/p>\n<p>Wie immer erkauft man sich Treibstoffverbrauch mit verl&auml;ngerter Mission. F&uuml;r den Fall, dass man nach einer Merkurbegegnung in eine Umlaufbahn eingeschwenkt w&auml;re, s&auml;he die Bilanz so aus:<\/p>\n<table width=\"100%\" cellspacing=\"0\" cellpadding=\"4\">\n<colgroup>\n<col width=\"85*\" \/>\n<col width=\"85*\" \/>\n<col width=\"85*\" \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr valign=\"TOP\">\n<th width=\"33%\"><\/th>\n<th width=\"33%\">Schneller Weg<\/th>\n<th width=\"33%\">Messenger<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"33%\">Zeit vom Start bis zum Einschwenken:<\/td>\n<td width=\"33%\">369 Tage<\/td>\n<td width=\"33%\">2387 Tage<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"33%\">Startgeschwindigkeit:<\/td>\n<td width=\"33%\">11.988 m\/s<\/td>\n<td width=\"33%\">11.722 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"33%\">Einbremsen in Merkur-Orbit (500 x 15.200 km)<\/td>\n<td width=\"33%\">2629 m\/s<\/td>\n<td width=\"33%\">860 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"33%\">Interplanetare Man&ouml;ver<\/td>\n<td width=\"33%\">100 m\/s<\/td>\n<td width=\"33%\">1047 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"33%\">Gesamt <span style=\"font-family: 'Segoe UI';\">\u0394<\/span>V &uuml;ber Fluchtgeschwindigkeit (11 km\/s)<\/td>\n<td width=\"33%\">3717 m\/s<\/td>\n<td width=\"33%\">2629 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Die Betrachtung ber&uuml;cksichtigt auch, dass Messenger wegen insgesamt 6 Fly-Bys zahlreiche Anpassungen der Bahn ben&ouml;tigte (mindestens sechsmal gab es gr&ouml;&szlig;ere Bahn&auml;nderungen) und daf&uuml;r ebenfalls Treibstoff verbrauchte. Dagegen kommt man bei zwei Passagen noch ohne aus, wie das Beispiel Mariner 10 zeigte.<\/p>\n<p>MESSENGER wog beim Start 1107 kg. F&uuml;r die rund 1100 m\/s Korrekturverm&ouml;gen w&uuml;rde sich ein Startgewicht von 1715 kg geben. Das w&auml;re f&uuml;r eine Delta II als Tr&auml;ger zu schwer. Man h&auml;tte eine Atlas V nehmen m&uuml;ssen, die damals etwa 50 Millionen Dollar teurer war. Messenger war schon an der Nutzlastgrenze der Delta 2. Man setzte eigenes eine Delta 7924H mit vergr&ouml;&szlig;erten GEM-Boostern ein. H&auml;tte man mehr Performance gehabt, sicher h&auml;tte man die Sonde direkt zur Venus geschickt, die sie dann zu Merkur umgelenkt h&auml;tte. So gab es aber erst einen Erdvorbeiflug nach einem Jahr, der sie auf Venuskurs brachte und zwei Venus-Flybys mussten dann das Perihel auf Merkurs Umlaufbahn absenken und das anf&auml;ngliche zu hohe Perihel wieder abbauten. Das alleine kostete schon viel Zeit.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg07.met.vgwort.de\/na\/3a8c377f0b614155b137d0b1778dbb8a\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Merkur ist der innerste der Planeten. Anders als alle anderen inneren Planeten hat er aber selten Besuch bekommen. 1974\/75 besuchte ihn dreimal die Raumsonde Mariner 10. Dies war eine Vorbeiflugmission. Es folgte 2004 Messenger. Sie schwenkte im M&auml;rz 2011 in einen Orbit ein. 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