ExoMars: Letzte Manöver vor Beginn des Aerobraking

Mitte März steht für den ExoMars-Orbiter TGO der Beginn der Phase des Aerobraking an. Vorher aber waren mehrere große Manöver auszuführen. Das ist nun abgeschlossen. Nur kleine Korrekturen stehen noch aus.

Darstellung des Inklinationsmanövers vom 19.1.2017 des Orbiters TGO der Mission ExoMars 2016

Credit: Michael Khan / Darstellung des Inklinationsmanövers vom 19.1.2017 des Orbiters TGO der Mission ExoMars 2016

Am 19.1. wurde die Bahnneigung von knapp 8 auf etwa 74 Grad erhöht, wie man in dieser Grafik sieht. Die geringe Anfangsinklination war durch die Anforderung diktiert, dass der TGO das Landedemonstrationsmodul Schiaparelli zielen musste. Schiaparelli ging in der äquatornahen Region Meridiani Planum nieder. Während der atmosphärischen Eintrittsphase musste der TGO über Schiaparelli hinweg fliegen, um dessen Daten empfangen zu können.

Nach dem Bahneinschuss war der TGO auf einer sehr hoch exzentrischen Bahn, deren Mars-fernster Punkt mehr als 96,000 km über der Oberfläche lag. Nach der Erhöhung der Inklination (dazu gab es noch zwei kleinere Korrekturmanöver im Januar) musste jetzt noch die Umlaufperiode von mehr als vier Tagen auf exakt 24 Stunden reduziert werden. Ansonsten würden beim Aerobraking zwischen zwei atmosphärischen Durchflügen anfangs mehr als vier Tage vergehen. So würde es viel zu lange dauern, bis endlich die Zielbahnhöhe von 400 km erreicht ist.

Das Manöver, mit dem die Apozentrumshöhe auf etwa 30,000 km abgesenkt und die Umlaufperiode auf 24 Stunden reduziert wird, fand am Perizentrumsdurchgang am 11. Februar statt. Morgen gibt es noch eine kleine Nachkorrektur, die von vorneherein eingeplant war.

Mitte März dann, wenn alles bereit ist, wird bei einem Apozentrumsdurchgang ein kleines Bremsmanöver durchgeführt. Dieses senkt das Perizentrum in die Hochatmosphäre ab. Zunächst bleibt man mit dem Mars-nächsten Punkt noch in sicherer Höhe, um zu sehen, wie es läuft. Falls alles klar geht, kann in den darauf folgende Wochen das Perizentrum weiter etwas abgesenkt werden, vielleicht so auf etwa 115 km.

Wichtig ist, dass der vorausberechnete Wärmestrom durch atmosphärische Reibung nicht über 1400 Watt pro Quadratmeter steigt. Die Raumsonde kann das doppelte dieses Werts vertragen, man hat also 100% Sicherheitsmarge.

Im Durchschnitt wird pro Tag das Apozentrum um etwa 140 km gesenkt. Von Mitte Juni bis Mitte August wird es eine Auszeit geben. Dann feht nämlich der Mars in die obere Konjunktion. Die Sonne steht während dieser Zeit zwischen Erde und Mars. Die Kommunikation zwischen Erde und Raumsonde ist während einiger Tage komplett unterbrochen. Bereits eine ganze Zeit vorher und nachher ist immer noch die Qualität der Bahnbestimmung reduziert, weil die Funksignale dicht an der Sonne vorbei müssen.

Die Konjunktion muss man einfach aussitzen. Dazu wird das Perizentrum wieder auf sichere Höhe angehoben und die Raumsonde sozusagen in dieser Abwartebahn “geparkt”. Einige Monate später, wenn man Vertrauen in die Qualität der Bahnbestimmung und den Zustand der Sonde hat, geht es weiter mit dem Aerobraking.

Die Zielbahn wird gegen Ende des Jahres endlich erreicht. Dann wird ein letztes großes Manöver das Perizentrum aus der Atmosphäre heben. Das Aerobraking ist vorbei – die Wissenschaft kann beginnen.

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

  1. Energetisch betrachtet ist Aerobraking gut, doch man verliert Zeit für die eigentliche Mission. Im Falle des TGO wohl etwa ein Jahr. In dieser Zeit gibt es bereits eine Alterung durch Strahlungseinwirkung und Temperaturschwankungen. Falls eine Radionuklidbatterie als Stromquelle dient (beim TGO nicht der Fall), würde diese nach einem Jahr bereits etwas schwächer sein. Das Aerobraking-Manöver braucht auch eine irdische Mannschaft, die hier beim TGO ein Jahr lang aktiv ist. Das trägt natürlich auch zu den Gesamtkosten der Mission bei. So lange die Missionskosten aber über einer Milliarde liegen, sind die paar Millionen, die es für die Erdmannschaft während des Aerobraking braucht, wohl verkraftbar.

  2. Wenn das obige Bild der Bahn des TGO realistisch ist, dann muss man folgern, dass die Triebwerke des TGO relativ zu seiner Masse recht viel Schub liefern, denn die rot eingezeichnete Strecke, in der die Bahn per Raketenschub gekippt wird, ist recht kurz, vielleicht 1% der Orbitlänge, was heisst, dass das Triebwerk nur kurz aktiv war. Doch das entspricht wohl dem normalen Verhalten von chemischen Triebwerken: Sie entfalten einen enormen Schub und verbrauchen in kurzer Zeit sehr viel Treibstoff.
    Nun zu den konkreten Manövern des TGO relativ zum Mars. Erstaunlich ist die grosse Marsnähe des marsnächsten Punktes der Aerobraking-Bahn, nämlich 115 km. Dass man bei den grossen Geschwindigkeiten des TGO (viele tausend Kilometer pro Sekunde) so nahe an den Mars heranfliegen kann ohne dass die Reibung über 1400 Watt pro Quadratmeter steigt, liegt wohl an der dünnen Marsatmosphäre. Das gleiche Manöver um die Erde müsste wohl einen viel grösseren Abstand von der Erde wählen (vielleicht 200 km?, denn die Atmosphäre wird nach aussen schnell dünner). Mir als Laien erscheint die Bremsleistung von 1400 Watt pro Quadratmeter (Bremsleistung, weil ja die erzeugte Wärme dem Bremseffekt entspricht) recht gering. Sie Leistung von 1400 Watt pro Qudratmeter entspricht ungefähr der Leistung der Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter in einer Erdumlaufbahn. Man sollte aus Zeitgründen eigentlich viel höhere Bremsleistungen anstreben, wobei man dann auch die damit einhergehenden kurzfristigen Erhitzungen auf einige hundert Grad müsste verkraften können. Wie wäre es denn mit einem ausklappbaren Schirm von hitzeresistentem Material? Ich stelle mir einen ähnlichen Mechanismus wie beim Knirps (Regenschirmmodell) vor. Ein Vorteil des Raumknirpses wäre zudem, dass man seine Form genau kennt und damit auch seine Bremswirkung. Bei nackten Satelliten dagegen muss man noch die Stellung der Solarpaddel beachten.

    • Von Aerobraking mit ausfahrbarem Hizeschild wäre es zudem nicht mehr weit zum Aerocapture mit Hitzeschild. Heute liegen Aerobraking und Aerocapture weit auseinander, vor allem weil beim Aerocapture sehr viel kinetische Energie (die Energie des beim Himmelskörper ankommenden Vehikels) in einem einzigen Bremsmanöver vernichtet werden muss. Die konzeptionell einfachste Art des Aerocapture benutzt wohl ein ausfahrbares oder abwerfbares Hitzeschild.

        • Ja, beim Aerobraking will man sich das Hitzeschild wohl sparen. Das hab ich mir auch gedacht. Nur würde man beim Aerobraking mit (ausfahrbarem) Hitzeschild und tieferem Eintauchen in die Atmosphäre Erfahrungen gewinnen, die man dann auch für das Aerocapture verwenden könnte. Zudem: Ein ausfahrbares Hitzeschild könnte auch in anderen Situationen nützlich sein.

    • Hier geht’s nun wirklich ziemlich durcheinander.

      Das gezeigte Manöver findet an Apozentrum statt, wenn die Geschwindigkeit viel geringer ist.

      Die Geschwindigkeit des TGO während der atmosphärischen Durchgänge ist nicht “viele Tausend Kilometer pro Sekunde”, sondern maximal etwa 4.5 km/s und dann über den Verlauf der Aerobraking-Phase hinweg abnehmend.

      Die Höhe des Aerobraking ist so gewählt, dass die maximale Energieflussdichte 1400 W/qm nicht überschreitet. Bei einer Variabilität der Luftdichte um einen angenommenen Faktor 2 könnte es zu einem maximalen Wärmefluss von bis zu 2800 W/qm kommen. Das können die verwendeten Kleber an den Nahtstellen der MLI-Isolationsfolien noch vertragen, bei mehr wird’s kritisch.

      In freimolekularer Strömung hängt der Wärmestrom von Dichte und Geschwindigkeit über die Relation v^3 zusammen, der dynamische Druck über v^2. Stellt man die beiden Größen in Relation zueinander, kürzen sich Dichte, Masse und Querschnittsfläche heraus und es bleibt ein Faktor, der der Geschwindigkeit entspricht. Der maximale Wärmestrom in W/qm ist also um den numerischen Wert der Geschwindigkeit in m/s größer als der dynamische Druck in N/qm. Im Fall des TGO haben wir einen dynamischen Druck von etwa 0.3 N/qm (bzw. bis 0.6 N/qm, wenn die Dichte in einem Durchgang 2*größer als erwartet ist)

      Alle anderen Ideen wie Hitzeregenschirme etc. sind hier nicht von Belang. Man hätte den TGO so bauen können, dass er drei Mal so viel Wärme abkann wie jetzt. Also in etwa so wie der NASA-Marsorbiter MGS, der kurzfristig aerodynamische Wärmeströme von mehr als 8 kW/qm vertrug. Dann hätte das Aerobraking nicht ein Jahr gedauert, sondern 4 Monate. Allerdings wären wegen der dann notwendigen Materialien das Projekt teurer geworden. Dieses Mehr an Budget hatte man halt nicht. Das ist alles.

      • Bei der Geschwindikgeit des TGO hab ich mich verrechnet, hab das aber nicht mehr korrigiert nachdem ich das merkte.
        Meine Überlegung zum Effekt des Aerobraking ist folgende: Die erzeugte Wärmemenge während der Passage sollte der Bremsenergie entsprechen. Bei doppelt so starkem Bremsen (pro Durchlauf) würde ich die doppelte Wärmemenge erwarten (und ungefähr den doppelten Temperaturanstieg). Eine Verkürzung beispielsweise auf 1/5 der Aerobraking-Zeit würde etwa 5 Mal mehr Wärme freisetzen. Das wäre bereits eine starke Erwärmung. Doch selbst ein ganz einfaches, ausklappbares Hitzeschild könnte dies verkraften. Viel teurer ist es die ganze Raumkapsel mit allen Instrumenten genügend wärmefest zu machen.

        • Es ist offensichtlich, dass ein tieferes Eintauchen mit höherer Reibungsenergie das Aerobraking beschleunigt. Aber das mit dem “ganz einfachen, ausklappbaren Hitzeschild” ist eben nicht so leicht zu realisieren wie hinzuschreiben.

          Erstens kommmt da eine ganz erhebliche Größe zusammen, denn die Raumsonde mit Solargeneratoren soll sich dahinter verstecken. Zweitens wirken darauf ganz erhebliche thermische Belastungen und Kräfte ein, wenn man beispielsweise 5 Mal mehr atmosphärische Dichte anvisiert als es beim TGO der Fall ist. Drittens ist da auch das Problem der Stabilität. Beim Aerobraking will man die Kräfte hinten angreifen lassen, damit die Lage sich während des atmosphärischen Durchgangs passiv, durch atmosphärische Momente so ändert, dass die Anströmung immer aus derselben Richtung kommen. Der Wetterfahneneffekt (engl.: “weather vane effect”). Würde man jetzt vorne so einen Schirm aufspannen, ginge das mit der passiven Lagestabilisierung schon einmal nicht.

          Das allein ist schon einmal ein Show Stopper.

          Abgesehen davon, dass dieser Schirm im orbitalen Flug stört, weil er Solargeneratoren udn Antennen abschatten kann, Wärmeabstrahlung der Radiatoren zurückreflektiert und Sensoren den Blick versperrt. Und abgesehen davon, dass es eben nicht so einfach ist, eine solche Struktur entfaltbar und dann sicher abwerfbar zu machen.

          OK, aber abgesehen von alledem ist es eine gute Idee.

          Nebenbemerkung: Es heißt der Hitzeschild, nicht das. “Das Schild” wäre eine Platte, auf der etwas geschrieben steht, beispielsweise “Hitze, nein Danke.”. (Duden)

          • Besten Dank. Und ja, die Fluglage sollte schon stabil sein und bleiben. Ein aufblasbarer nachgeschleppter Ballute wäre wohl die bessere Lösung.

          • Vielleicht eher nicht, denn was passiert mit dem Ballute an seiner Leine, wenn das Gespann aus TGO und Ballute zwischen zwei aufeinander folgenden atmosphärischen Durchgängen gerade in der außeratmosphärischen Phase fliegt? Da wirkt ja keine Widerstandskraft mehr, um die Leine stramm zu halten. Das heißt, der Ballute kann irgendwo herum eiern, wie es ihm gerade gefällt, gegen die Hauptantenne hauen, einen Solargenerator absäbeln, oder seine Leine wickelt sich um den Schwenkarm der Hauptantenne …

            Ist übrigens nett, dass Sie mir per Wikipedia-Link erklären, was ein Ballute ist. Aufgrund meines fortgeschrittenen Alters hatte ich diesen Artikel von mir ja bereits komplett vergessen. 🙂

  3. Ich habe den Artikel von Herrn Khan als sehr informativ empfunden. Ebenso wichtig waren für mein Verständnis auch die Überlegungen von Hern Holzherr und die Stellungnahme des Autors hierzu. Ich glaube übrigens, daß der Wikipedia-Link zum Ballute mehr für die Leser und nicht für den Autor gedacht war, ich wußte übrigens nicht was ein Ballute ist. Natürlich hätte ich mir die Information auch selber besorgen können, aber so war es einfacher. Vielen Dank nochmal für die umfassenden Erklärungen.

    • Ich habe überhaupt nichts gegen Überlegungen, die auch ein bisschen in die Zukunft vorgreifen. Nur sollte man nach meiner Erfahrung nicht immer davon ausgeen, nur weil jemand irgendwo ein Paper veröffentlicht hat, sei das auch alles so machbar, wie das in dem Paper steht. Deswegen weise ich auch gern auf die diversen Stolpersteine hin. Ich weiß nicht, ob alle Leser das im Detail so durchschauen und verstehen, warum lieber ein Konjunktiv anstelle eines emphatischen Indikativs angebracht wäre.

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