Sommerferien für den ExoMars-TGO

ExoMars-TGO, der neue große Mars-Orbiter der ESA, wird wahrscheinlich bis in das Jahr 2018 hinein mit Aerobraking beschäftigt sein. Das ist die aerodynamische Abbremsungsphase. Der niedrigste Punkt der Bahn wird um ca 105 km gehalten, anfangs etwas höher, später etwas niedriger.

Bei jedem Durchflug durch die Hochatmosphäre des Mars findet etwas Abbremsung statt. Nicht so viel, dass da etwas überhitzt oder abgerissen wird. Aber doch so viel, dass jedes Mal etwas Bahnenergie dissipiert (=in Wärme umgewandelt) wird. Das Maß für die Bahnenergie ist die große Halbachse, die Hälfte der Entfernung vom marsnächsten Punkt (dem Perizentrum) zum marsfernsten (dem Apozentrum). Die große Halbachse wird also bei jedem Durchflug etwas kleiner. Da der Bahnradius am Perizentrum immer ungefähr gleich bleibt, muss zwangsläufig das Apozentrum abgesenkt werden. Und zwar ohne Treibstoffverbrauch.

Ziel ist eine Apozentrumshöhe von rund 400 km. Ob die durch Aerobraking erreicht wird oder ob man vorher aufhören muss und den Rest mit Triebwerksmanövern bewerkstelligt, muss noch abgewartet werden. Auf jeden Fall muss am Ende das Perizentrum auf etwa 400 km angehoben werden. Das geht nur mit Treibwerksmanövern. Am Ende der Aerobrakingphase muss also zwangsläufig Treibstoff aufgewendet werden. Aber summa summarum viel weniger, als wenn man kein Aerobraking gemacht, sondern das Apozentrum nur mit den Triebwerken von einer Höhe von etwa 95,000 km abgesenkt hätte. Es gibt im Leben aber nichts umsonst. Die Treibstoffersparnis wird mit einer langen Wartezeit erkauft, bevor endlich die wissenschaftliche Phase beginnen kann.

Apozentrum und Perizentrum der operationellen Zielbahn werden nicht  genau gleich sein, denn das Ziel des ExoMars-TGO ist nicht eine exakte Kreisbahn. Dazu aber später mehr, in einem eigenen Artikel.

Die Sommerpause

Jetzt ist aber erst einmal Sommerpause für den ExoMars TGO. Grund ist eine obere Konjunktion des Mars, wobei Erde und Mars in etwa so stehen, dass die Sonne sich zwischen ihnen befindet. Dies unterbindet effektiv den Austausch von Funksignalen. Weder kann das Kontrollzentrum auf der Erde die Telemetrie vom ExoMars-TGO empfangen, noch kann es Telekommandos hochsenden. Riskante Operationen wie das Aerobraking sind unter solchen Bedingunen natürlich ausgeschlossen.

Verlauf der Winkel Sonne-Mars-Erde (durchgezogen) udn Sonne-Erde-Mars während der oberen Mars-Konjunktion im Sommer 2017

Credit: Michael Khan, Darmstadt / Verlauf der Winkel Sonne-Mars-Erde (gestrichelt) und Sonne-Erde-Mars (durchgezogen) während der oberen Mars-Konjunktion im Sommer 2017

Die Abbildung zeigt den Verlauf zweier Winkel von Mitte Juni bis Ende August 2017. die durchgezogene rote Linie zeigt den Winkel Sonne-Erde-Mars. Wenn man von der Erde aus eine Linie zur Sonne zieht und eine zweite zum Mars und dann den Winkel zwischen den beiden Linien bestimmt, dann ist das dieser.

Die gestrichelte blaue Linie dagegen zeigt den Winkel Sonne-Mars-Erde, also den Winkel zwischen den Vektoren vom Mars zur Erde und vom Mars zur Sonne. Wenn nur die gestrichelte Linie gegen Null geht, die durchgezogene dagegen gegen 180 Grad, dann hat man eine Opposition: von der Erde aus gesehen stünden Mars und Sonne in fast genau entgegen gesetzten Richtungen. Das wäre kein Problem für die Operationen.

Hier aber haben wir eine Konjunktion, denn beide Winkel sind klein. Bei unter 2-3 Grad hat man bei Verwendung des X-Bands (Frequenz um 8 GHz) kein brauchbares Signal mehr. Aber auch schon bei etwas größeren Werten dieser Winkel bemerkt man eine deutliche Verschlechterung der Signalqualität, weil die Signale so dicht an der Sonne vorbei geschickt werden müssen. Das beeinträchtigt vor allem die Genauigkeit der Bahnbestimmung. Deswegen hat man dem ExoMars-TGO vom späten Juni bis Ende August eine Auszeit gegönnt. Sozusagen Sommerferien.

Das Perizentrum wurde für diese Sommerpause von 105 km auf über 160 km abgehoben. Nun findet kaum noch atmosphärische Abbremsung statt. Diese Parkbahn ist also erst einmal stabil. Natürlich wurden bei der Auswahl der Perizentrumshöhe für die Parkbahn auch die zu erwartenden Bahnstörungen bis Ende August berücksichtigt. Ein Eingreifen ist ja aktuell nicht möglich.

Bahnentwicklung beim Aerobraking

Beim Einschuss  in die Bahn um den Mars wurde eine hochelliptische Bahn mit einem Apozentrumsradius von knapp 100,000 km gewählt. Der marsnächste Punkt dieser Bahn lag etwa 250 km über der Oberfläche des roten Planeten. Diese Bahn hatte eine Umlaufperiode von etwas über vier Tagen. Die Bahnebene lag noch nahe der Äquatorebene des Mars. Anfang dieses Jahres wurde mit einem großen Triebwerksmanöver die Bahnneigung auf 74 Grad erhöht. Danach wurde das Apozentrum auf etwas über 33,000 km Höhe abgesenkt, sodass ein Bahnumlauf nur mehr einen Tag dauerte.

Mitte März dann begann das Aerobraking. Allerdings schön vorsichtig, erst einmal noch mit einer Perizentrumshöhe, die deutlich höher als 105 km war und dann durch weitere Manöver Stück für Stück abgesenkt wurde. Zu Beginn der Sommerferien für ExoMars-TGO war nach 125 Atmosphärendurchgängen die Apozentrumshöhe schon auf 14,000 km und die Bahnperiode auf 9 Stunden gesunken.

Ein schönes Stück Arbeit  geschafft, könne man meinen. Aber Halt – vor dem ExoMars-TGO liegen noch rund 1000 Atmosphärendurchgänge. Vielleicht mehr, wenn sich im weiteren Verlauf des Aerobraking Schwierigkeiten ergeben, die ein zeitweises Anheben des Perizentrums und damit eine geringere Bremswirkung erfordern. Die Endphase des Aerobraking wird es in sich haben. Dann wird es pro Tag  12 Atmosphärendurchgänge geben: 12 Mal zur Erde drehen, Daten austauschen, Batterie aufladen, Kommandos empfangen und ausführen, wieder zur Lage für den Eintritt drehen, durchrauschen.

Das ist alles nicht ganz ohne. Da tut die Verschnaufpause, die wir jetzt haben, ganz gut. Freundlicherweise hat die Himmelsmechanik es so eingerichtet, dass die Konjunktion im Sommer liegt, was vielen Kollegen einen Erholungsurlaub gestattet, bevor er richtig zur Sache geht. Als nächste Aktion, wenn das Aerobraking Ende August wieder los geht, muss ein erneutes Walk-in vorgenommen werden: das vorsichtige, stückweise Absenken des Perizentrums in die Atmosphäre hinein.

 

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.

15 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Bei “pro Tag 12 atmosphärsche Durchgänge” musste ich stutzen. Dann grinsen.
    Ich lasse mal ein kleines i hier.
    Und der Kommentar darf natürlich gerne weg.

    • Danke. Ich hab’s jetzt ohnehin ein bisschen anders formuliert. Eigentlich weiß ich gar nicht, wie viele der Begriffe, die ich täglich verwende, auf Deutsch ausgedrückt werden sollen. “Aerobraking pass” klingt übersetzt immer gestelzt.

      • Gerade Texte wie der obige richten sich doch ohnehin eher an Leute, denen diese Begriffe zumindest grob geläufig sind, oder nicht? Aufgrunddessen gehe ich persönlich davon aus, dass sich kaum jemand daran stört, wenn sie im Original oder in wörtlicher Übersetzung hier auftauchen.

        Zum eigentlichen Thema: Werden die Telemetriedaten aus der Aerobrakingphase eigentlich ebenfalls wissenschaftlich genutzt? Was wird da alles erfasst? Kann man daraus auch Neues über die Marsatmosphäre lernen? Oder nutzt man sie nur für die Berechnung der nächsten Kommandos?

  2. Der TGO (seine Masse vor allem) wurde auf die Kapazität der Proton-Statrakete abgestimmt und in diese Berechnung ist wohl auch das Aerobraking eingegangen. Der TGO wurde also so gross/schwer wie überhaupt möglich konzipiert und gebaut. Allerdings ist der TGO mit 122kg nicht besonders schwer, was auch daran liegen wird, dass ja Schiaparelli mitflog und Schiaparelli 600 Kg schwer ist/war.
    Die gesamte ExoMars-Mission mit der Kombination TGO/Schiaparelli und der Idee den TGO nicht nur für wissenschaftliche Zwecke, sondern auch als Relais für Schiaparelli und Landestellen-Prospektor für die ExoMars -Rover Mission zu verwenden zeugt von der Idee, möglichst viel aus einer einzigen Marsmission herauszuholen – etwas was bei der Seltenheit von ESA/Rokosmos Marsmissionen wohl auch nötig ist.

    Zudem: der Mars kann ja von der Erde aus nur alle 2 Jahre angesteuert werden und die Reisezeit ist auch nicht besonders kurz. Im Grunde ist der Mars als Ziel häufiger und bald schon einmal bemannter Missionen für die heutige Raketentechnologie schon fast zu weit weg von der Erde. Es verwundert mich deshalb, dass der Mond nach den Appollo-Missionen fast in Vergessenheit geriet, den der Mond kiegt nun mal wirklich vor der Haustür – sicher im Vergleich zum Mars. Die Raumfahrtorganisationen – vor allem die NASA, aber auch die ESA -, haben sich in Bezug auf Mond und Mars etwa so verhalten wie ein einsamer Farmer, der die naheliegende vermeintlich kärgliche, aber gastfreundliche Nachbarsranch kaum je besucht und statt dessen immer wieder kräftezehrende Ausflüge zu einer weit entfernten (und auch darum interessant erscheinenden Ranch) unternimmt.

    • Wie bitte, 122 kg Masse für den TGO? Wo haben Sie denn die Information her? Ich habe die Current Best Estimate für die aktuelle TGO-Masse nicht zur Hand, aber sie dürfte noch über 1600 kg liegen, bei anfänglich 3700 kg. Die Startmasse war 4332 kg.

      • 112 kg wissenschaftliche Instrumente hat der TGO. Aber klar sind die ja nur ein Teil des TGO. In der Wikipedia liest man dazu
        Startmasse: 4332 kg (davon 112 kg wissenschaftliche Instrumente und 600 kg Schiaparelli)”

        • Interessant wäre es noch zu wissen um wieviel grösser die TGO-Masse ohne Aerobraking hätte sein müssen.

  3. Proton-M, Ariadne 5 und Delta IV Heavy sind die einzigen heute “zertifizierten”(?) Schwerlastraketen und nur die kamen für die Exo-Mars Mission in Frage. Keine allzu grosse Auswahl. Es kommen aber bald Ariane 6, Falcon Heavy, Vulcan und New Glenn dazu – mit zum Teil deutlich höherer Nutzlast. Die Exo-Mars Nachfolgemission (?) kann dann eine höhere Nutzlast einplanen, allerdings müsste dann wohl auf eine Kooperation mit Rokosmos verzichtet werden – mindestens was die Trägerrakete angeht. Ausser die Angara A5 ist dann “vertrauenswürdig”. Die Angara A5 bleibt aber bezüglich Nutzlast hinter den geplanten neuen Schwerlastraketen zurück

  4. Die Sommerpause wegen der Konstellation “Mars-Sonne-Erde in Linie” verlängert natürlich die Zeit bis zum Beginn der wissenschaftlichen Mission des TGO und sie verkürzt sie wohl auch – über die “Alterung” der Instrumente und der übrigen Satellitenteile.
    Ich könnte mir vorstellen, dass ein Aerobrakingmanöver, ja eine ganze Sequenz von Aerobrakings irgendwann vom Satelliten selbst gesteuert wird. Dazu müsste der Satellit vor allem seine genaue Position bestimmen können, eine Fähigkeit die vielen anderen Missionen ebenfalls von Nutzen wäre.

    • Aerobraking scheint nach Wikipedia hohe Präzisionsanforderungen zu stellen. Der Eintauchwinkel und die Eintauchtiefe in die Atmosphäre haben nur kleine Toleranzen. Ein Satellit, der das Manöver selber steuert muss also über Präzisionsinstrumente verfügen. Andererseits ist er ja näher am Mars als erdbasierte Systeme. Eventuell könnte er den Abstand zum Mars allein über die Grösse eines Marsabbildes in einer seiner Kameras bestimmen(?) und die Flugbahnrichtung über die Schnelligkeit und die Grössenänderung mit der das Marsbild bei fixer Kameraposition über den Kamerasensor huscht.

      • Aerobraking ist nicht so kritisch, was die Genauigkeitsanforderungen betrifft. Klar muss die Bahn enigermaßen bekannt sein. Aber nur insoweit, als dass man mit einem kleinen Triebwerksmanöver eine gewisse Perizentrumshöhe einstellen will. Das kann man auch recht genau bewerkstelligen, zumal man ja anfangs immer das Walk-in macht: erst einmal runter auf 130 km, dann einige Orbits weiter 125, dann später 120, 115 etc. Die Manöver, um 5 km tiefer zu kommen, sind sehr klein, deswegen ist auch deren Genauigkeit nicht kritisch.

        Die Abbremsung beeinflusst die Höhe des Apozentrums, und wie viel Abbremsung erzielt wurde, misst die Trägheitsplattform sehr genau. Die Apozentrumshöhe sinkt auf natürlichem Wege sehr langsam ab. Wenn die Trägheitsnavigation misst, dass die Abbremsung von Durchgang zu Durchgang zunimmt, dann kann entweder durch die Bodenstation oder automatisch das Kommando gesandt werden, am nächste Apozentrum ein Kleines Anhebemanöver zu machen – dann wird das Perizentrum 1, 2 km oder wieviel man braucht angehoben.

        Das wirkliche Problem ist, wie man berechnet, wo genau denn das Apozentrum sein wird. Man weiß ja einigermaßen genau, wo das Perizentrum war – dort wo die Trägheitsplattform die Spitze in der Abbremsung gemessen hat. Aber das Apozentrum? Das liegt einen halben Bahnumlauf später, aber was ist denn die genaue aktelle Bahnperiode? Die vom letzten Umlauf weiß man, wenn man die Zeiten zweier aufeinanderfolgenden Spitzen in der Abbremsung voneinander abzieht. Den Effekt durch den gerade zuende gegangenen Durchlauf weiß man aber nicht so exakt.

        Mit Kameras und Marsbildern macht man so etwas auf gar keinen Fall. Viel zu ungenau und rechenintensiv, und außerdem guckt die Kamera bestimmt nicht in die Richtung, die man gerade braucht. Schließlich muss man ja auch noch mit der Erde kommunizieren und die Batterien aufladen.

        • Ja, die Trägheits-Navigation liefert heute genaue und einfach zu interpretierende Resultate. Die Auswertung von Kamerabildern eventuell sogar mit künstlicher Intelligenz ist dagegen rechenintensiv und wohl mit der für den Weltraumeinsatz benötigten strahlengehärteten Spezialelektronik aus Performancegründen gar nicht durchzuführen. Irgendwann könnte sich das aber schon ändern, muss sich das vielleicht sogar ändern, wenn Satelliten zunehmend autonom agieren sollen.

          • Niemand wird Technik verwenden, die alles nur komplizierter macht, als es sein muss.

            Man muss gar nicht genau wissen, wie hoch das Perizentrum ist. Man muss nur wissen, ob es zu viel oder zu wenig Abbremsung gibt oder ob gar was ankokelt. Dazu reichen die Trägheisplattform und thermische Sensoren.

            Man muss wissen, wie die Bahnperiode ist, sonst kann man nicht ausrechnen, wo das Apozentrum ist. Auch das ist nicht sonderlich problematisch, außer gegen Ende der Aerobraking-Phase, wo der Atmosphärendurchgang lange dauert und das Maximum der Beschleunigung flach wird. Aber auch das kann man durch genauere Auswertung der Daten der Beschleunigungsmesser in den Griff bekommen.

            KI, Echtzeitbildauswertung, udn was noch alles, darauf lässt man sich in der Realität nicht ein. Es ist sogar so, dass man versucht, Rechenaufwand und Datenvolumen klein zu halten und möglichst alles abzuschalten, was Probleme bereiten könnte.

            Das wirklich allerletzte, was irgendjemand beim Aerobraking haben möchte, ist ein Safe Mode aufgrund eines Stack Overflows oder einer vollgeschriebenen Spiechereinheit.

  5. Zitat: “Das wirklich allerletzte, was irgendjemand beim Aerobraking haben möchte, ist ein Safe Mode aufgrund eines Stack Overflows oder einer vollgeschriebenen Spiechereinheit” Ja – oder eine Sättigung, auch die möchte niemand. Dabei ist doch die Ursache einer Sättigung ein zu kleines Register, eine zu kleine Wortbreite (bei Schaparelli war das wohl so). So etwas könnte man bereits auf Hardware- und Lowlevel-Softwareebene verhindern. Am wichtigsten ist wohl die fehlertolerante Programmierung. Die paar wenigen Sensordaten sollten immer zu einem sinnvollen Gesamtbild zusammenfügt werden.

    • Mit einem definierten Strom von Sensordaten, der mit hoher Sicherheit innerhalb der definierten Bandbreite bleibt, und mit einer überschaubaren Software, die dieses Daten-Rinnsal in einfachen Rechnungen verarbeitet, hat niemand ein Problem.

      Mit einer Sequenz hochaufgelöster Bilddateien, die in Echtzeit im Bordrechner verarbeitet und vielleicht auch noch von einer KI-Software analysiert werden, sieht das allerdings schon anders aus.

      Irgendwelche richtig großen, unüberschaubaren Softwarepakete, die intern viel Speicher aufmachen, nach eigenem Gutdünken Hilfsdateien anlegen und dann vielleicht unvorhersehbar dicke Backen kriegen, abstrapsen und dabei auch noch andere Prozesse mitnehmen.

      Da müsste man schon gute Gründe anbringen, warum das nicht auch ohne geht. Sehr gute Gründe. Richtig gute Gründe.

Schreibe einen Kommentar




Bitte ausrechnen und die Zahl (Ziffern) eingeben