So kommt ExoMars 2016 zum Mars

Hier die Darstellung des interplanetaren Transfers von ExoMars 2016, dessen Start für kommenden Montag (14. März) ansteht.

Die Schrägansicht wurde statt der Draufsicht von oben auf die Ekliptik gewählt, damit klarer wird, dass die Ankunft und damit auch der Transfer sich außerhalb der Ekliptik-Ebene abspielen. Die Transferdauer für das Fenster im März 2016 ist mit knapp 7 Monaten sehr kurz. Im gegebenen Fall ist das gewählte (19. Oktober) sogar noch drei Wochen nach dem optimalen Ankunftsdatum.

Dies deswegen, weil der 19. Oktober das geplante Ankunftsdatum für das eigentlich anvisierte Startfenster im Januar 2016 war. Als man im Herbst 2015 auf das alternative Startfenster im März umschwenken musste, behielt man aber das alte Ankunftsdatum bei, weil bereits alles für die Ankunft auf dieses Datum vorbereitet war (die Einladungen verschickt, die Schnittchen geordert usw.). Die Trajektorie ist also suboptimal, bleibt aber im Treibstoffbudget, das für das Januar-Startfenster ermittelt worden war.

Der Transfer der Mars-Mission ExoMars 2016 für einen Start am 14. März 2016 in Schrägansicht auf das innere Sonnensystem. Quelle: ESA

Credit: Michael Khan, ESA / Der Transfer der Mars-Mission ExoMars 2016 für einen Start am 14. März 2016 in Schrägansicht auf das innere Sonnensystem. Dargestellt sind neben den Trajektorien der Raumsonde und der Bahn des Planeten Mars auch die Projektionen diieser Bahnen in die Ekliptikebene. Quelle: ESA

Michael Khan

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

12 Kommentare Schreibe einen Kommentar

    • Michael Khan

      Nein, die dünne rote Linie (über dem Transfer selbst) und die dünne orange Linie (über der Mars-Bahn) sind die Projektion der jeweiligen Bahn in die Ekliptik. Ich schreibe das noch in die Bildunterschrift hinein.

      Wäre die Inklination der Marsbahn irgendwie anders – kleiner oder gar null – würde sich auch beim Transfer alles ändern. Andere Abflugbedingungen, andere Ankunftsbedingungen, anderer Transfer.

  1. Fragen:
    1) Würde ein Hohmantransfer eine völlig andere Bahn bedeuten?
    2) Würde ein Hohmantransfer andere Startzeiten und andere Ankunftszeiten bedeuten?
    3) Wäre ein Hohmantransfer weniger effizient (mehr Treibstoffbedarf)?

    Ich nehme an, dass ein reiner Hohmantransfer in dieser Situation (nicht in der Ekliptik) gar nicht möglich ware. dass man aber einen Hohmantransfer mit Korrektur durchführen könnte.

    • Michael Khan

      Ich weiß nicht warum sich alle so am „Hohmanntransfer“ festbeißen. Das ist nur ein theoretischer Idealfall, der hier sowieso nicht passen wird, weil wir es eben nicht mit einem Fall zu tun haben, wo man einfach nur impulsives Delta-v aufzurechnen braucht, zusätzlich noch mit einem großen Manöver mitten drin im Transfer.

      Beim Missionsdesign sucht man nach Transfers, die die Masse nach dem Einschuss in die Bahn um Mars optimieren, unter Berücksichtigung der Randbedingungen wie festes Ankunftsdatum, limitierte Anzahl von Steuerprogrammen für die Rakete, limitierte atmosphärische Eintrittsgeschwindigkeit für die Landesonde etc..

      Da kommt am Ende zwangsläufig die bestmögliche Kombination von Abflug- und Ankunftsbedingungen heraus, und man wird das dann nicht toppen können, indem man sagt „Versuchen wir mal den Hohmanntransfer“.

      • Zitat: „Da kommt zwangsläufig die bestmögliche Kombination heraus“. Heisst das, dass ein automatisches Optimierungsprogramm den Transfer findet, der eine Anforderungsliste am besten erfüllt?

        • Michael Khan

          Das wird in der Praxis niemand so machen.

          Man weiß immer schon im voraus, welche Art von Transfer man als mögliche Optionen zulassen will und optimiert nur noch die Parameter.

          Entschuldigung, ich kann das jetzt nicht alles haarklein ausführen. Keine Zeit.

          • Welche Arten von Transfers gibt es denn und welche davon kommen im Allgemeinen als Option für Erde->Mars in Frage?

          • Michael Khan

            Es gibt endlos viele, je nachdem wie lange es zwischen Start und Ankunft maximal dauern darf, ob man Swingbys erlaubt, welche Art von Antrieb man vorsieht, ob am Ende ein atmosphärischer Eintritt steht oder ein Einschuss in eine Bahn um Mars und ob man zwischendurch große Manöver zulässt oder nicht.

          • Ich dachte an eine Typisierung oder eine griffige Bezeichnung. Gibt es z. B. für den oben gezeigten Transfer irgendeine Möglichkeit einer anderen Person knapp mitzuteilen, um welche grobe Art von Transfer es sich handelt – sowas wie „Hohmanntransfer“ – (sorry für die erneute Nennung des Wortes ^^) oder definiert man das ausschließlich anhand der Parameter?

          • Michael Khan

            Die griffigste Umschreibung der betrachteten Klasse von Erde-Mars-Transfers, die ich hinkriege, ist wie folgt:

            „Die Transfers, die man für die aktuelle ExoMars-Mission zulässt, sind alle solche, die bei Verwendung einer Proton-Rakete und maximal vier einzelnen Startprogrammen, die man von Russland gestellt kriegt, bei einem Start im Jahr 2016 und bei einer Ankunft im Jahre 2016 eine in die Erdfluchthyperbel gestartete Masse von mindestens 4332 kg zulassen, deren hyperbolische Ankunftsgeschwindigkeit beim Mars unter 3.47 km/s liegt und deren Treibstoffverbrauch, unter Maßgabe der Charakteristik des verwendeten Antriebssystems an Bord der Sonde für alle Manöver auf dem Transfer unter Zulassung eines großen Manövers auf dem Flug dergestalt ist, dass nominal nach dem Einschuss in die Marsbahn noch mindestens 1800 kg Masse übrig sind, wobei ausreichend Zeit für die exakte Navigationskampagne vor dem Aussetzen der Landesonde vorzusehen ist.“

            Das klingt jetzt möglicherweise etwas sperrig. Aber es ist so, dass genau die genannten Anforderungen alle die gefundene und hoffentlich auch ab Montag geflogene Trajektorie in erheblichem Maß beeinflussen.

            Niemand schaut sich Hohmanntransfers an. Das ist wie gesagt etwas, was vielleicht für Übungsaufgaben mal Anwendung findet, später in der Praxis aber nie wieder. So etwa von der Art wie die berühmte „zweite kosmische Geschwindigkeit“, von der man dauernd hört oder liest, die aber auch keine praktische Bedeutung hat.

            Man geht aus von den so genannten „Pork Chop Plots“ – Diagrammen wie in diesem Artikel gezeigt. Aber eigentlich ist das schon Information, die schon lange vorher bekannt ist.

            Was man im tatsächlichen Missionsdesign aber machen muss, ist in einem Rechnerprogramm, wahrscheinlich einem, das speziell für diese Mission erstellt wurde, die Randbedingungen (siehe oben), die Kostenfunktion (Masse nach Mars-Einschuss) und den Suchbereich für die wenigen Freiheitsgrade niederzulegen.

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