Donnerstag, der 28. Juli 2016 ist ExoMars DSM-Tag. Dann wird die ESA-Marssonde ExoMars 2016, ein Gespann aus dem “Trace Gas Orbiter” (TGO) und dem Landedemonstrator “Schiaparelli”, zum ersten Mal ihr Haupttriebwerk in einem großen Manöver, dem DSM (Deep Space Manoeuvre) einsetzen.

Letzte Woche wurde das Triebwerk bereits einmal in einem kleinen Testmanöver erfolgreich gezündet. Am 28.7. um 11:30 MESZ soll es aber 50 Minuten lang brennen und dabei 420 kg Treibstoff verbrauchen – etwa 95% des gesamten Manövers von 343 m/s.

Der Rest wird zwei Wochen später im DSM 2 erledigt, wenn die durch den ersten, großen Teil des Manövers veränderte, interplanetare Bahn der Sonde neu vermessen worden sein wird. Aus dieser Vermessung gewinnt man automatisch auch Kenntnis über die Effizienz des eingebauten Triebwerks. Wenn sein Schub leicht über oder unter dem Nominalwert liegt, wird dies bei der Planung der darauf folgenden Manöver berücksichtigt.

Was hat es mit dem DSM überhaupt auf sich?

Ein Deep Space Manoeuvre findet weitab von einem anderen Himmelskörper statt, in den Tiefen das Raums, also in “deep space”.

Es gibt zwei Arten von Manövern, die die Bahn eines Raumfahrzeugs betreffen.

Die ersten sind Korrekturmanöver (engl.: “trajectory correction manoeuvres”). Sie werden durchgeführt, wenn sich die Bahnbestimmung zeigt, dass die tatsächliche Bahn von der geplanten abweicht und dass diese Abweichung größer als ein vorher definierter Grenzwert ist. Korrekturmanöver sind stochastischer Natur. Weder ihre Größe noch ihre Richtung ist im Vorfeld bekannt. Allenfalls kann man abschätzen, welche Manövergröße mit welcher Wahrscheinlichkeit nicht überschritten werden wird. Wenn es keinen Fehler in der Bahn gäbe, dann bräuchte man auch keine Korrekturmanöver. Es gibt aber immer Fehler, denn es besteht immer eine Unsicherheit in allen Modellen der diversen Störkräfte, die die Bahn beeinflussen.

Die zweiten sind deterministische Manöver. Sie sind bereits lange im voraus geplante und berechenbare Manöver, deren Zeitpunkt, Größe und Richtung bereits in der Missionsanalyse, also Jahre vor dem Start ermittelt wurden. Das DSM ist genau wie die folgenden großen Manöver, Mars Orbit Insertion (MOI, 19.1.2016), Inclination Change Manoeuvre und Apoares Lowering Manoeuvre (ICM und ALM, beide Januar 2017, dazu bald mehr bei “Go For Launch”) natürlich ein deterministisches Manöver. Es enthält auch eine nicht-deterministische, also stochastische Komponente, weil nicht exakt vorher bestimmbare Variationen in der Bahn bei der endgültigen Planung einbezogen werden.

Die nächste Frage ist, wozu man überhaupt ein DSM auf dem Weg zum Mars braucht. Schließlich sind andere Mars-Missionen ohne ein solches Manöver ausgekommen. Man hätte doch sicherlich die Zielparameter für die Erdflucht am 14. März und das Einfangmanöver am 19. Oktober so aufeinander abstimmen können, dass es des Manövers zwischendrin nicht bedurft hätte?

Das stimmt. Das hätte man so tun können. Die Antwort ist, dass die Notwendigkeit des DSM aus der Optimierungsaufgabe folgt, mit der das Startfenster und das Treibstoffbudget berechnet wurden. Dabei sind viele Randbedingungen zu berücksichtigen, die nicht alle mit der Himmelsmechanik zu tun haben.

• Erstens war die Raumsonde für die Startperiode im Januar 2016 ausgelegt. Als im September 2015 entschieden wurde, das stattdessen die alternative Startperiode im März 2016 genutzt werden musste, war der TGO schon gebaut. Seine Masse und sein Tankvolumen standen fest. Die Anpassung der Mission an die neue Startperiode musste sich also nach der Decke strecken.
• Zweitens war auch der Landedemonstrator Schiaparelli bereits entwickelt und gebaut. Sein Hitzeschild war bis zu einer gewissen Eintrittsgeschwindigkeit qualifiziert, die sich für die Startgelegenheit im Januar ergeben hätte. Hieraus ergab sich eine ziemlich harte Randbedingung für die Planung der Alternativmission im März. Eine aufwändige Requalifikation des Hitzeschilds sollte vermieden werden.
• Drittens sollte das sich aus dem zuvor geplanten Start im Januar ergebende Landedatum am 19. Oktober 2016 beibehalten werden, auch wenn es für die Startperiode im März eigentlich nicht optimal war. Bahnmechanisch vorteilhafter wäre dann eine Ankunft Ende September geworden. Aber was soll’s, für die Veranstaltung zur Ankunft war schon der Saal angemietet, die Schnittchen waren bestellt und die Einladungen gedruckt. Gut, und nebenbei waren auch die Bodenstationen bereits für die zwei Monate vor der Ankunft reserviert und alle Simulationen und Vorbereitungen waren für den Oktober ausgelegt.
• Viertens – und wichtigstens: Der TGO hat nur ein Haupttriebwerk mit 424 N Schub. Dies deswegen, weil es in Europa nicht sehr viele bereits weithin erprobte Antriebssysteme für Raumsonden gibt. Das mit dem 424 N-Triebwerk stammt von geostationären Satelliten. Ursprünglich basiert es auf der Antriebseinheit, die bei der amerikanisch-deutschen Jupitermission Galileo zum Einsatz kam. Eine Neuentwicklung wollte man vermeiden. Also musste man mit diesem kleinen Triebwerk leben. Das Problem ist nun, dass das erforderliche Einschussmanöver am Mars von vorneherein ziemlich groß ist. Wenn nun auch noch das Triebwerk schwach ist, dann dauert es sehr lange, bis die zum Einschuss notwendige Abbremsung relativ zum Mars aufgebracht wurde. Beim TGO schon rund zweieinhalb Stunden. Lange Manöver kosten aber mehr Treibstoff als kurze, weil die Abbremsung nicht komplett nahe dem optimalen Punkt möglichst dicht am Mars, sondern auch schon weit davor und noch weit davon erfolgt. Beim TGO kommt so noch eine happige “Strafe” zusammen, das “Delta-v”, also die virtuelle Geschwindigkeitsänderung, steigt um rund 30%.

Das DSM verringert die Ankunftsgeschwindigkeit am Mars. Dadurch schafft man es, die Eintrittgeschwindigkeit von Schiaparelli in die Atmosphäre nicht größer werden zu lassen als bei der Startperiode im Januar. Positiver Nebeneffekt ist auch, dass eine verringerte Ankunftsgeschwindigkeit Einsparungen beim MOI gibt, und zwar gleich doppelt. Zum einen beim nominalen Wert, und dann noch einmal bei den Gravitationsverlusten wegen des kleinen Triebwerks.

Zusammengenommen ist, ausgehend von der fest stehenden Anfangsmasse vollgetankt beim Start der Raumsonde der Treibstoffverbrauch für DSM und MOI zusammen geringer, als er es wäre, wenn man nur ein MOI, aber kein DSM hätte.

Trotz all der Randbedingungen ist es übrigens so, dass die Mission mit Start im März mit etwas günstigerem Treibstoffbudget durchgeführt werden kann als die im Januar. Trotz der ganzen Randbedingungen, die noch hinzu kamen, um dem Missionsanalytiker das Leben schwer zu machen.