Aerobraking: Und wo’s das Problem?

Vor dem Aerobraking erst einmal ein Bild von Mond und Jupiter. Das hat nichts mit dem Thema zu tun, aber für mich ist es eine willkommene Abwechslung, auch mal etwas mit anderen Himmelskörpern zu tun zu haben als Mars.

In der Nacht vom 14. auf den 15.3. begegneten Mond und Jupiter einander bis auf wenige Grad Winkelabstand. Hier in Darmstadt spielte sich das Ganze hinter Schleierbewölkung ab, was natürlich die Schärfe beeinträchtigte, aber einen schönen Hof um den Mond erzeugte. Ich habe eine Serie von HDR-Aufnahmen mit einem Teleobjektiv versucht, was wider Erwarten ein brauchbares Ergebnis abwarf. Hier ist es, im Wesentlichen so, wie es aus der Kamera kam. Ich wollte anfangs den Kontrast verbessern, stellte dabei aber fest, dass der Hof um den Mond dabei Schaden nehmen würde und habe es deswegen beim bloßen Ausschneiden des relevanten Bildteils belassen.

Konjunktion aus Mond und Jupiter durch dünne Bewölkung in der Nacht vom 14. auf den 15.3.2017. Canon EOS6D mit Leica Elmarit-R 180mm, HDR-Aufnahme

Credit: Michael Khan, Darmstadt / Konjunktion aus Mond und Jupiter durch dünne Bewölkung in der Nacht vom 14. auf den 15.3.2017. Canon EOS6D mit Leica Elmarit-R 180mm, HDR-Aufnahme

So viel dazu. Nun zum Aerobraking.

Was ist das Problem beim Aerobraking?

Das Hauptproblem liegt auf der Hand. Man hat eine Raumsonde, die eigentlich für den Betrieb im Vakuum gebaut ist und sich nur dort wirklich wohl fühlt, und muss diese nun, zumindest zeitweise, in der Atmosphäre des Planeten Mars betreiben. Dabei wird dem Raumfahrzeug nicht nur eine Ausrichtung im Raum aufgezwungen, sondern es erfährt auch noch einmal pro Umlauf durch atmosphärische Reibung thermische und strukturelle Belastungen. Möglicherweise auch chemische, denn die Moleküle in der Hochatmosphäre sind der harten kosmischen Strahlung und insbesondere der EUV-Strahlung ausgesetzt, was Molekülbildungen aufbricht und sehr reaktive Substanzen wie atomaren Sauerstoff freisetzt.

Da muss man durch.

Idealerweise ist schon bei der Materialauswahl in der Entwicklungsphase der Raumsonde an das Aerobraking gedacht worden. Falls ja, hat man es im Betrieb deutlich leichter, weil die der Strömung ausgesetzten Komponenten der Sonde robust gegenüber Reibungshitze, Druck und Oxidation sind. Die NASA-Marsorbiter MGS, Odyssey und  MRO sind Beispiele für die konsequente Auslegung von Raumsonden für das Aerobraking.

Nun könnte man sich ja vorstellen, dass jemand bei der Entwicklung Geld sparen wollte und aus einem eigentlich für geostationäre Nachrichtensatelliten gedachten Bus eine Mars-Sonde machte. So eine Auslegung passt erst einmal überhaupt nicht zu den Anforderungen. Da bleibt keine andere Wahl als das extrem vorsichtige Aerobraking. Vorsichtig bedeutet: bloß ja nicht zu tief rein in die Atmosphäre. Das bedeutet unweigerlich eine geringe Abbremsung und eine lange Aerobrakingphase mit sehr vielen atmosphärischen Durchläufen.

Einer Sonde, die Aerobraking macht, muss man eine Menge Autonomie mitgeben. Während jedes atmosphärischen Durchflugs ist mit hoher Wahrscheinlichkeit die Ausrichtung der Antenne zur Erde nicht möglich. Die atmosphärische Abbremsung verändert aber nicht nur die Bahn, sie verdreht auch den Satelliten. Am Satelliten greifen nicht nur atmosphärische Kräfte an, sondern auch Drehmomente. Eine Sonde muss so gebaut sein, dass sie wie eine Wetterfahne stabil relativ zur Anströmung ausgerichtet bleibt.

Schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung der Lageänderung während eines Aerobraking-Durchflugs

Credit: Michael Khan, Darmstadt / Schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung der Lageänderung während eines Aerobraking-Durchflugs

Die Rückseiten der Solargeneratoren werden dabei angeströmt, und nur die Rückseiten. Es muss ausgeschlossen werden, dass sich einer der Solargeneratorenausleger ungewollt dreht. Selbst eine kleine Verdrehung wäre schon problematisch, denn dann würden die beiden Solargeneratoren der Anströmung jeweils unterschiedliche Querschnittsflächen bieten. Die Folge wäre eine Rotation der Raumsonde weg von der Anströmung, in Richtung des Solargeneratores, der die kleinere Querschnittsfläche bietet.

Die Bremswirkung bei jedem atmosphärischen Durchflug ist nicht unerheblich; sie entspricht einem Manöver von etwa 1 m/s. Allerdings ist die atmosphärische Dichte nicht im voraus bekannt. Sie kann sich auch kurzfristig erheblich ändern. Man kann sie aus der beobachteten Veränderung der Bahn und aus den Daten der inertialen Plattform zurück rechnen, allerdings erst später.

Die Raumsonde hat im Nominalfall nach dem Verlassen der Atmosphäre einige Aufgaben autonom zu bewältigen:

  • Rotation aus der (dem Kontrollteam nicht genau bekannten) Lage nach Ende des Aerobraking in die zuvor definierte Lage für den außeratmosphärischen Freiflug
  • Rotation der Solargeneratoren zur Sonne, damit die Batterien wieder geladen werden
  • Schwenken der Hauptantenne zur Erde, Etablieren der Funkverbindung, Herunterladen der gespeicherten Telemetrie, Empfang neuer Telekommandos

Außerdem müssen noch Telekommandos von der Erde abgearbeitet werden. Dann muss rechtzeitig vor dem Wiedereintritt in die Hochatmosphäre die Ausrichtung der Sonde in die “Aerobraking- Attitude” gedreht und die Hauptantenne und Solargeneratoren geparkt und verriegelt werden.

Volles Programm also.

Dem steht die verfügbare Zeit gegenüber. Anfangs liegt zwischen zwei atmosphärischen Durchgängen ein ganzer Tag. Kein Problem. Aber gegen Ende der Aerobraking-Phase, die ja typischerweise auf das Erreichen einer niedrigen Bahn hinzielt, ändert sich das Bild deutlich.

Die atmosphärischen Durchgänge werden länger, je kürzer die Bahnperiode ist. Sie werden absolut länger, und relativ zur Bahnperiode noch deutlicher, denn wenn das Apozentrum sich 400 km nähert, sinkt die Umlaufperiode auf rund zwei Stunden. Es gibt dann nicht mehr nur einen Aerobraking-Durchgang pro Tag, sondern stolze zwölf!

Wenn die Zeit außerhalb der Atmosphäre kurz wird, dann kommt es kritisch darauf an, wie schnell die Sonde geschwenkt werden kann.Sonst passt das ganze Programm nicht in die kurze Zeit zwischen aufeinander folgenden atmosphärischen Durchgängen.

Zum Schwenken verwendet man Drallräder. Das sind schwere Metallscheiben, die mit einem Elektromotor in Drehung versetzt und die auch wieder abgebremst werden können. Wird ihre Drehbewegung beschleunigt,dann dreht sich der Satellit um die Drehachse des Drallrads, aber entgegengesetzt der Rotationsrichtung der Scheibe.

Mit drei Drallrädern, deren Achsen senkrecht zueinander stehen, kann ein Satellit in beliebige Richtungen gedreht werden, ohne dass Treibstoff verbraucht wird. Technisch aufwändiger lässt sich dies auch mit einem kardanisch aufgehängten Drallrad realisieren, aber das ist hier nebensächlich.

Wichtig ist die Masse der Metallscheibe. Je größer, desto effektiver. Will man eine Raumsonde bauen, die schnell geschwenkt werden kann – genau das wäre im Fall einer Sonde, die am Mars Aerobraking machen soll, sehr wünschenswert – dann sollte man ihr richtig fette Drallräder mitgeben. Bei den bereits erwähnten NASA-Marsorbitern hat man genau das gemacht.

Nun könnte man sich ja vorstellen, dass jemand bei der Entwicklung Geld sparen wollte und aus einem eigentlich für geostationäre Nachrichtensatelliten gedachten Bus eine Mars-Sonde machte. Ein geostationärer Satellit braucht nie schnell geschwenkt zu werden. Der dreht sich konstant mit 15 Grad pro Stunde um die Hochachse. Nur in der Kommissionierungsphase oder in Notfällen sind Schwenks notwendig, und die brauchen nicht schnell zu sein. Deswegen hat kein geostationärer Bus große, schwere Drallräder. Eine aus Kostengründen von so einem Bus abgeleitete Mars-Sonde wäre also auch nicht imstande zu schnellen Schwenks.

Hm, das wäre aber gar keine gute Idee, so eine Mars-Sonde zu bauen und dann mit der Aerobraking zu versuchen.

Mensch, hoffentlich macht nie einer sowas.

 

 

 

 

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.

4 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Was passiert eigentlich mit der großen Hauptantenne des TGO? Wird die jedesmal vor und nach dem Perizentrumsdurchgang in die stabile Halteposition gebracht bzw. wieder ausgeklappt? Zumindest zu Ende der atmosphärischen Bremsphase, wenn die Perizentrumsdurchgänge rasch aufeinanderfolgen, stelle ich mir das etwas stressig vor.

    • Notabene: in diesem Artikel geht es ja gar nicht um den TGO. Da stehen nur allgemeine Betrachtungen dazu, wie eine Sonde gebaut sein sollte, damit das Aerobraking leicht vonstatten geht.

      Unabhängig vom Artikel also:

      Was passiert eigentlich mit der großen Hauptantenne des TGO?

      Die Hauptantenne des TGO ist und bleibt während der Aerobraking-Phase in der gesicherten Position. Das bedeutet, dass man zur Kommunikation den ganzen Satelliten zur Erde drehen muss.

  2. Wäre es im Notfall möglich, über die Niedriggewinnantenne Kontakt aufzunehmen und so ggf. einen stabilen Orbit einzustellen? Ist eigentlich zwischen den einzelnen Marssonden Kommunikation möglich (so wie die Sonden als Relais zu den Landern dienen)?

    • Nochmals: Thema des Artikels ist hier nicht der TGO.

      Was den TGO nun aber betrifft: Über diese Entfernung (Mars wird im Sommer die obere Konjunktion durchlaufen) ist keine brauchbare X-Band-Verbindung zur Erde über die LGA möglich. Ohnehin muss eine Raumsonde, die Aerobraking macht, imstande sein, im Notfall autonom das Periares auf eine sichere Höhe anzuheben. Sie muss dazu wissen, wann sie am Apoares ist (dort muss das Manöver zum Anheben der gegenüber liegenden Seite stattfinden), in welche Richtung die Beschleunigung stattfinden muss und wieviel Delta-v verabreicht werden muss. Auch das Auslösen dieses automatischen Anhebens muss ohne Zutun der Erde erfolgen können.

      Kommunikation über UHF ist zwischen den einzelnen Sonden zumindest theoretisch möglich, wenn sie über die geeignete Hardware verfügen, was bei TGO, MRO und Maven der Fall ist (Electra). Was mit Odyssey ist, entzieht sich meiner Kenntnis. Die hat auch ein UHF-Paket, das aber noch nicht den Standard von Electra implementiert. Auch Mars Express mit seinem Melacom-UHF-Transponder könnte problematisch sein, was Receiver Lock und solche Feinheiten angeht. Ich bin kein Fachmann für Fragen der Funktechnik. Die Übertragung nennenswerter Datenvolumina dürfte allerdings schon an den Abständen der Sonden zueinander scheitern.

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