{"id":12655,"date":"2017-07-18T00:11:39","date_gmt":"2017-07-17T22:11:39","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=12655"},"modified":"2017-07-17T17:49:29","modified_gmt":"2017-07-17T15:49:29","slug":"der-minisatellit-als-raumsonde","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2017\/07\/18\/der-minisatellit-als-raumsonde\/","title":{"rendered":"Der Minisatellit als Raumsonde"},"content":{"rendered":"<p>Der Boom der Kleinsatelliten inspiriert mich zu meinem heutigen Blog. Er hat eine einzige Fragestellung: Gibt es einen sinnvollen Einsatz f&uuml;r solche Kleinsatelliten?<\/p>\n<p>Was spricht f&uuml;r die Kleinsatelliten als Raumsonde?<\/p>\n<ul>\n<li>Sie sind preiswert. Der DLR Satellit BIROS, der nach Waldbr&auml;nden Ausschau h&auml;lt und derzeit wohl weltweit gute Dienste tut, kostet <a href=\"http:\/\/www.bz-berlin.de\/berlin\/treptow-koepenick\/berliner-satellit-spuert-waldbraende-aus-dem-weltall-auf\"> 15 Millionen Euro,<\/a> das ist ein Zehntel der Kosten eines gro&szlig;en Satelliten. Davon entfallen 4,2 Millionen Euro f&uuml;r den Start.<\/li>\n<li>Sie tragen eine hohe Nutzlast. <a href=\"http:\/\/www.dlr.de\/firebird\/desktopdefault.aspx\/tabid-9104\/15718_read-42455\/\"> Biros 60 kg bei 140 kg Startmasse<\/a><\/li>\n<li>Sie sind gro&szlig; genug um gen&uuml;gend Strom und auch Platz f&uuml;r zumindest eine kleine Antenne zu haben<\/li>\n<\/ul>\n<p><!--more--><\/p>\n<p>Was spricht gegen Kleinsatelliten als Raumsonden?<\/p>\n<ul>\n<li>Trotz hoher Nutzlast d&uuml;rften sie nur wenige Instrumente tragen, weil das absolute Gewicht vergleichen mit gr&ouml;&szlig;eren Raumsonden klein ist.<\/li>\n<li>Eine gro&szlig;e Antenne scheidet aus Platz- und Gewichtsgr&uuml;nden aus<\/li>\n<li>Ebenso sehr gro&szlig;e Solarpaneele<\/li>\n<li>RTG kommen wegen ihrer hohen Kosten nicht in Frage<\/li>\n<\/ul>\n<p>In einen Orbit k&ouml;nnen sie nicht einschwenken, weil der n&ouml;tige Treibstoff die Sonden zu schwer macht.<\/p>\n<p>Aus diesen Einschr&auml;nkungen heraus kann man relativ leicht die Ziele umreisen: Sie m&uuml;ssen erdnah sein. Eine gr&ouml;&szlig;ere Kommunikationsanlage f&uuml;r hohe Datenraten ist bei den kleinen K&ouml;rpern nicht drin, damit sollten sie nahe der Erde operieren.<\/p>\n<p>Ich habe zuerst einmal mit dem <a href=\"https:\/\/trajbrowser.arc.nasa.gov\/\">NASA Trajektory Browser<\/a> nach Zielen gesucht. Gibt man als maximales dV 4 km\/s ein, das ist in etwa die Energie, die man f&uuml;r einen Marsvorbeiflug braucht, dann bekommt man schon Hunderte von Ergebnissen. Ich habe die Liste dann eingeschr&auml;nkt, indem ich sie auf gut bekannte Orbits und gro&szlig;e Ziele (Magnitude&gt;12) beschr&auml;nkt habe.<\/p>\n<h3>Das Design<\/h3>\n<p>Doch zuerst mal zum Design der Raumsonde. Ich bin hier den Weg gegangen, dass ich kommerziell verf&uuml;gbare Teile f&uuml;r eine Stufe genommen habe, die den Satelliten aus dem Erdorbit bef&ouml;rdert und dann mir erst &uuml;ber die Instrumente und Kommunikation Gedanken mache. Vorbild soll der Satellit BIROS sein mit einem Gewicht von 80 kg ohne Nutzlast.<\/p>\n<p>Zuerst mal braucht man zwei Tanks f&uuml;r den Treibstoff NTO und MMH um die Erde zu verlassen. Bei der Airbus Group findet man als kleinsten Tank den 235 l Tank f&uuml;r Treibstoffe mit einem Maximalbetriebsdruck von <a href=\"http:\/\/www.space-propulsion.com\/spacecraft-propulsion\/bipropellant-tanks\/index.html#235\"> 22 Bar.<\/a> Als Triebwerk das <a href=\"http:\/\/www.space-propulsion.com\/spacecraft-propulsion\/apogee-motors\/\"> S400-18<\/a>. Da dieses mit maximal 10 Bar arbeitet, bietet es sich an, den Tank nur zu 2\/3 zu f&uuml;llen. Der Tankdruck w&uuml;rde dann bei Entleerung auf 7 Bar abfallen, ein Druck weit &uuml;ber 10 Bar m&uuml;sste durch ein Druckreduzierventil gew&auml;hrleistet sein. Das erspart eine zus&auml;tzliche Heliumflasche und das verbleibende Volumen wird vor dem Start mit Helium bedruckschlagt. Dazu kommen noch 6 x 10 N <a href=\"http:\/\/www.space-propulsion.com\/brochures\/bipropellant-thrusters\/bipropellant-thrusters.pdf\"> Triebwerke<\/a> f&uuml;r Feinkorrekturen der Bahn und Lage&auml;nderungen. Die Tanks werden in die Struktur integriert so braucht man nur noch einen Schubrahmen zur &Uuml;bertragung der Kr&auml;fte auf den K&ouml;rper.<\/p>\n<p>Bei dem Mischungsverh&auml;ltnis von 1,65 zu 1 kommt man f&uuml;r den Antrieb auf folgende erste Aufstellung:<\/p>\n<table>\n<colgroup>\n<col \/>\n<col \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr>\n<th>Parameter<\/th>\n<th>Wert<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr>\n<td>MMH-Tank leer<\/td>\n<td>16 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>MMH-Tank Treibstoff<\/td>\n<td>137,9 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>NTO-Tank leer<\/td>\n<td>16 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>NTO-Tank Treibstoff<\/td>\n<td>227,2 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Triebwerk<\/td>\n<td>4,3 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Helium Druckgas<\/td>\n<td>0,7 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>6 Lageregelungs-\/Feinkorrekturtriebwerke 10 N<\/td>\n<td>4,2 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Leitungen<\/td>\n<td>4 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Schubger&uuml;st<\/td>\n<td>4 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Gesamtmasse<\/td>\n<td>414,3 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Brennschlussmasse<\/td>\n<td>49,2 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Um &uuml;berhaupt eine Sonnenumlaufbahn zu erreichen, darf bei dem maximalen spezifschen Impuls von 3112 m\/s und einem dV von etwa 3800 m\/s das ganze Gespann beim Start nicht mehr als 518 kg wiegen, mehr Nutzlast bekommt man durch eine kleinere dV Anforderung. Das l&auml;sst dann nur noch 104 kg f&uuml;r den Satelliten &uuml;brig, der schon leer 80 kg wiegt.<\/p>\n<p>Nat&uuml;rlich k&ouml;nnte man nun gr&ouml;&szlig;ere Tanks nehmen. Mit dem n&auml;chstgr&ouml;&szlig;eren 331 l Tank (Leermasse 22,7 kg) steigt bei voller Bef&uuml;llung die Startmasse auf 576,8 kg und die Trockenmasse auf 62,6 kg. Damit l&auml;ge bei demselben dV die Startmasse bei 729 kg und die Nutzlast bei 152 kg.<\/p>\n<p>Ich will im Folgenden beide Ans&auml;tze weiter verfolgen. Unser Satellit braucht in jedem Falle eine instrumentelle Nutzlast. Ich habe mich, da die Ziele Asteroiden oder Kometen sind. f&uuml;r die beiden Instrumente LORRI und RALPH von Nrew Horizonts entscheiden. Das eine ist eine leichtgewichtige Kamera die nur S\/W Aufnahmen macht, das zweite ein abbildendes Spektrometer das in niedriger Aufl&ouml;sung Spektren gewinnt und Farbaufnahmen generieren kann. Beide Instrumente wiegen zusammen 21,1 kg und verbrauchen 13 W an Strom. Mit ihnen kann man die Oberfl&auml;che erfassen und die chemische Zusammensetzung bestimmen.<\/p>\n<p>Das zweite ist eine ad&auml;quate Kommunikationsanlage. Aufgrund der Gr&ouml;&szlig;e ist keine gro&szlig;e Antenne m&ouml;glich. Doch wenn man die Stirnseite von Biros nutzt und der K&ouml;rper quadratisch ist, so kann man eine 60-cm-Antenne unterbringen. Mit einem 10-W-Sender kann man basierend auf den bekannten Werten von Raumsonden dann etwa 36 kbit aus 1 AE Entfernung zu einer 35-m-Bodenstation &uuml;bertragen. Das halte ich f&uuml;r ausreichend. Die Antenne w&auml;re festmontiert, genauso wie die Experimente die sich an einer Seite befinden. Das ist keine Einschr&auml;nkung, weil die Begegnung nur wenige Stunden dauert und danach kann man den Sondenk&ouml;rper so drehen, dass die Antenne dauernd zur Erde zeigt. Die Daten werden zwischengespeichert und dann &uuml;bertragen, heute haben schon 6U-Cubesats 1 Terabit an Speicher verbaut. Die Datenrate beruht auf Werten des X-Bandes. Da die gesamten Daten zwischengespeichert werden, k&ouml;nnte man auch auf das Ka-Band ausweichen, das 3-5-mal h&ouml;here Datenraten erlaubt. Es wird, weil es stark wetteranf&auml;llig ist, heute nicht im Routineeinsatz genutzt.<\/p>\n<p>Eine Laser&uuml;bertragung, sowohl auf Basis von LADEE wie auch BIROS habe ich gepr&uuml;ft. Die Datenrate l&auml;ge aber selbst bei einem gro&szlig;en Teleskop als Empfangsstation, unter der obigen die im X-Band erreicht wird. Bei Dawn wog das gesamte Kommunikationssubsystem ohne die HGA-Antenne 18,6 kg, Dazu k&auml;me dann noch 1,2 kg f&uuml;r eine kleinere HGA von 60 cm Durchmesser. Damit w&auml;re man bei folgender Massenbilanz:<\/p>\n<table>\n<colgroup>\n<col \/>\n<col \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr>\n<th>Parameter<\/th>\n<th>Wert<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr>\n<td>BIROS ohne Nutzlast<\/td>\n<td>80 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Instrumente<\/td>\n<td>21,1 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Sendesystem<\/td>\n<td>19,8 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Nettomasse Raumsonde<\/td>\n<td>121 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Mit dem kleineren Antriebssystem kommt man so auf eine Maximalgeschwindigkeits&auml;nderung (spezifischer Impuls: 3100 m\/s) von 3552 m\/s. 52 m\/s f&uuml;r Lager&auml;nderungen und als Reserve abgezogen bleiben 3500 m\/s.<\/p>\n<p>Ich betrachte also zuerst die M&ouml;glichkeit. Ich gehe im Folgenden davon aus, dass die Raumsonde als Sekund&auml;rnutzlast in einem 550 km hohen sonnensynchronen Orbit ausgesetzt wird. Eine genaue Berechnung ergab, dass man in drei Uml&auml;ufen, wenn man den Betrieb des Triebwerks auf unter 1400 km Entfernung beschr&auml;nkt, eine Bahn von 1323,4 x -44239 km erreicht, eine Bahn mit einem C3 von 8,2 km\u00b2\/s\u00b2 (2866 m\/s &uuml;ber Fluchtgeschwindigkeit). Das entspricht einem dV von 3,5 km\/s aus eienr 200 km Bahn die der Ames Trajectory Browser verwendet und wenn man dies als Maximal-Dv eingibt, als Zeitraum 2017 bis 2022 w&auml;hlt, bekommt man schon 18 Bahnen angezeigt. Ich habe zwei herausgesucht:<\/p>\n<p>Startet man am 1.10.2018 so passiert man schon am 4.2.2019 den Erdkreuzer 433 Eros, immerhin 17 km gro&szlig;. Man braucht nur eine Geschwindigkeit von 1 km\u00b2\/s\u00b2 (w&uuml;rde hier einer Brennschlussmasse von 178 kg entsprechen, was entweder komfortbale 7,8 kg Reibstoff f&uuml;r 130 m\/s Korrekturverm&ouml;gen &uuml;brig l&auml;sst oder eben 7 kg mehr Nutzlast). Das Nette: Die Passage findet nur 0,23 AE von der Erde entfernt statt, was die Datenrate auf &uuml;ber 680 Kbit\/s anheben wird. Die Passage erfolgt mit 6,9 km\/s relativ zu Eros.<\/p>\n<p>Bei den Kometen ein geeignetes Ziel zu finden wird schwerer, vor allem wenn man eine geringe Relativgeschwindigkeit haben m&ouml;chte, damit man mehr Zeit f&uuml;r gute Aufnahmen hat und weniger Bewegungsunsch&auml;rfe. Ein Start am 3.2.2018 f&uuml;hrt am 7.12.2019 an 289P Blanpain vorbei mit einer relativen Geschwindigkeit von 9,85 km\/s, ebenfalls in kurzer Distanz: 0,23 AE von der Erde. Allerdings geh&ouml;rt 289P zu den alten Kometen. Er war nach seiner Entdeckung 1819 aber 200 Jahre lang verschwunden und wurde erst bei Himmelsdurchmusterungen mit dem 2,2 m PANSTARRS Teleskop wiederentdeckt. Er erreicht nur 18 Magnitude und d&uuml;rfte daher sehr klein sein. Vielleicht ist es auch die Gelegenheit einen Kometen zu untersuchen, der weitestgehend ausgegast ist. Eine gute Alternative ist 109P Swift-Tutle, ein Komet, dessen Kern auf 26 km Gr&ouml;&szlig;e gesch&auml;tzt wird. Er ist Verursacher des Perseidenstroms, den man gestern Abend beobachten konnte. Ein Start am 11.10.2016 w&uuml;rde am 6.6.2017 an Swift-Tutle vorbeif&uuml;hren. Vorbeifluggeschwindigkeit 11,25 km\/s. Entfernung von der Erde 0,03 AE die Bahn ist mit einem C3 von 0,03 km\u00b2\/s\u00b2 paretisch die Erdbahn.<\/p>\n<p>Kurzum: Es gibt viele Ziele, dabei habe ich mich auf die beschr&auml;nkt, die relativ einfach zu erreichen sind.<\/p>\n<h3>Die Nachteile<\/h3>\n<p>Klar ist: es ist eine Vorbeiflugmission an einem kleinen Himmelsk&ouml;rper. Durch die Kleinheit ist die Zeitspanne, in der man Daten gewinnen kann nicht gro&szlig;. Eros und Swift-Tuttle sind mit 17 bzw. 26 km schon relativ gro&szlig; f&uuml;r Ziele. Nimmt man die optischen Daten von LORRI und l&auml;sst die \u201ehei&szlig;e\u201c Phase des Encounters beginnen, wenn das Ziel 200 Pixel gro&szlig; ist, (das war bisher bei den Raumsonden so ein Kriterium bei Voyager war das schon Monate vor dem Vorbeiflug der Fall, aber die Ziele waren da auch Gasplaneten &#8211; 2000-5000 mal gr&ouml;&szlig;er) dann dauert ein Vorbeiflug bei Eros maximal 4057 s und bei Swift-Tuttle 4622 s. F&uuml;r Ralph sind es 1231 und 1155 s. Da w&uuml;rde, selbst wenn man von Einzelaufnahmen auf Videoformat &uuml;bergeht, w&uuml;rde nur ein kleiner Bruchteil des heute &uuml;blichen Speichers benutzt werden. Allerdings kann die Sonde auch diese Daten aufnehmen, denn anders als New Horizons, die ja nun auch an einem kleinen Asteroiden im Kuiperg&uuml;rtel vorbeifliegt, findet der Vorbeiflug nahe der Erde statt, bei Pluto war die Belichtungszeit schon sehr hoch, weil nur noch 1\/1000 des Lichts ankam, das auf die Erde trifft. Damit kann man auch mehr aus der Optik herausholen, die Kamera <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/new-horizons2.shtml\">LORRI<\/a> hatte z.B. keinen Sensor, der die volle Aufl&ouml;sung des Teleskops ausnutzte, weil sonst die Belichtungszeit noch l&auml;nger gewesen w&auml;re (1\/5 s). Die 1,8-fache Aufl&ouml;sung w&auml;re technisch m&ouml;glich gewesen. Auch Ralphs Sensor hat eine Pixelgr&ouml;&szlig;e von 13 \u00b5m Erdbeobachtungssatelliten haben heute nur 7 \u00b5m gro&szlig;e Sensoren, auch hier 1,8-fache Aufl&ouml;sung bzw. 9400 anstatt 5000 Pixel pro Zeile. LORRI bzw. RALPH dienen hier nur als Rechenbeispiel, nat&uuml;rlich w&uuml;rde man speziell angepasste Experimente w&auml;hlen, aber man hat dann eine Vergleichsgr&ouml;&szlig;e hinsichtlich Aufl&ouml;sung, Gewicht und Strombedarf. Gerade bei optischen Instrumenten gibt es schon bei kommerziellen Minisatelliten einige eingesetzte Vorlagen, die man &uuml;bernehmen k&ouml;nnte.<\/p>\n<h3>M&ouml;gliche Mission<\/h3>\n<p>Mit einer Masse von maximal 540 kg w&auml;re die Sonde immer noch keine Hauptnutzlast eines Vega oder PSLV Starts, von einer Sojus gar nicht erst zu reden. Es bietet an, sie als Sekund&auml;rnutzlast zu starten. Basierend auf den Startkosten von BIROS w&uuml;rde ein Start etwa 16 Millionen Euro kosten. Der Orbit ist bei einer Planetenmission eigentlich egal, er darf nur nicht zu niedrig sein. So kann man sie in einen sonnensynchronen Orbit aussetzen, aber auch eine niedrige Inklination w&auml;re m&ouml;glich. In dem Orbit wird sie geparkt, bis das Startfenster gekommen ist. W&auml;hrend der Zeit kann man die Instrumente schon mal durchchecken und mit Erdbeobachtungen kalibrieren.<\/p>\n<p>Das gr&ouml;&szlig;ere Antriebsmodul bringt nicht viel mehr. Obwohl die Startmasse auf 698 kg ansteigt, komme ich nur auf 3,8 km\/s &uuml;ber die Fluchtgeschwindigkeit, was nicht ausreicht, die Hauptg&uuml;rtelastroiden zu erreichen. Immerhin, ein Vorbeiflug an dem 32 km gro&szlig;en Ganymed w&auml;re m&ouml;glich. Aber selbst wenn man sich auf Asteroiden oder Kometen beschr&auml;nkt, so gibt es etliche Ziele. Klar jeder Vorbeiflug ist nur eine Momentaufnahme, doch durch die gro&szlig;e N&auml;he zu Sonne hat man kurze Belichtungszeiten und kann in kurzer Zeit sehr viele Aufnahmen machen. Bei gen&uuml;gend genau bekannter Bahn kann man auch die Vorbeiflugdistanz klein halten und so sehr hochaufl&ouml;sende Aufnahmen und Spektren erhalten.<\/p>\n<p>Das Parken im Orbit kann man auch nutzen, um Erdbahnkreuzer zu besuchen. Jedes Jahr fliegt einer oder mehrere in einem kleinen Abstand von wenigen Hunderttausend Kilometern an der erde vorbei. Typischerweise werden diese erst wenige Tage oder Wochen vor der Passage entdeckt. Wenn sich eine Sonde schon im Orbit befindet, kann man sie so innerhalb eines Tages umlenken. Die Passage w&uuml;rde nahe der Erde erfolgen, was praktisch eine Realzeit&uuml;bertragung der Daten erm&ouml;glicht. Diese Objekte sind von Bedeutung weil von den Letzten, die die Erde nahe passieren, viele eine nennenswerte Chance haben die Erde innerhalb der n&auml;chsten 100 Jahre zu treffen.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/fc335daec5e74ebc933a50f8b078c1f4\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Der Boom der Kleinsatelliten inspiriert mich zu meinem heutigen Blog. Er hat eine einzige Fragestellung: Gibt es einen sinnvollen Einsatz f&uuml;r solche Kleinsatelliten? Was spricht f&uuml;r die Kleinsatelliten als Raumsonde? Sie sind preiswert. 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