Aerocapture – Wikipedia

Schematische Darstellung der verschiedenen Phasen des Aerocapture-Manövers. Die atmosphärische Höhe ist aus Gründen der Klarheit stark übertrieben.

Aerocapture ist ein Orbitaltransfermanöver, bei dem ein Raumfahrzeug die aerodynamische Widerstandskraft aus einem einzelnen Durchgang durch eine Planetenatmosphäre nutzt, um die Umlaufbahn zu verlangsamen und einzuführen.

Aerocapture nutzt die Atmosphäre eines Planeten oder Mondes, um ein schnelles, nahezu treibstofffreies Einführungsmanöver für die Umlaufbahn durchzuführen und ein Raumschiff in seine wissenschaftliche Umlaufbahn zu bringen. Das Aerocapture-Manöver beginnt, wenn das Raumschiff von einer interplanetaren Annäherungsbahn in die Atmosphäre des Zielkörpers eintritt. Der beim Absenken des Fahrzeugs in die Atmosphäre erzeugte Luftwiderstand verlangsamt das Raumschiff. Nachdem sich das Raumschiff so verlangsamt hat, dass es vom Planeten erfasst werden kann, verlässt es die Atmosphäre und führt bei der ersten Apoapsis eine kleine Treibverbrennung aus, um die Periapsis außerhalb der Atmosphäre anzuheben. Zusätzliche kleine Verbrennungen können erforderlich sein, um Apoapsis- und Neigungszielfehler zu korrigieren, bevor die anfängliche wissenschaftliche Umlaufbahn hergestellt wird.

Im Vergleich zum herkömmlichen Einsetzen in die Antriebsbahn könnte diese nahezu kraftstofffreie Verzögerungsmethode die Masse eines interplanetaren Raumfahrzeugs erheblich reduzieren, da ein wesentlicher Teil der Masse des Raumfahrzeugs häufig als Treibmittel für die Verbrennung in die Umlaufbahn verwendet wird. Die Einsparung von Treibmittelmasse ermöglicht es, der Mission mehr wissenschaftliche Instrumente hinzuzufügen, oder ermöglicht ein kleineres und kostengünstigeres Raumschiff und möglicherweise ein kleineres, kostengünstigeres Trägerraketenfahrzeug.^[1]

Aufgrund der aerodynamischen Erwärmung während des atmosphärischen Durchgangs muss das Raumfahrzeug in einer Aeroshell (oder einem einsetzbaren Zugangssystem) mit einem Wärmeschutzsystem verpackt sein. Das Fahrzeug benötigt auch eine autonome geschlossene Führung während des Manövers, damit das Fahrzeug auf die gewünschte Erfassungsbahn zielen und dem Fahrzeug befehlen kann, die Atmosphäre zu verlassen, wenn ausreichend Energie verbraucht wurde. Um sicherzustellen, dass das Fahrzeug über ausreichende Kontrollbefugnisse verfügt, um zu verhindern, dass das Raumfahrzeug zu tief in die Atmosphäre eindringt oder vorzeitig austritt, ohne genügend Energie zu verbrauchen, muss entweder eine Hebeschale oder ein Widerstandsmodulationssystem verwendet werden, das den Luftwiderstandsbereich des Fahrzeugs während des Flugs ändern kann.^[2][3]

Es wurde gezeigt, dass Aerocapture auf Venus, Erde, Mars und Titan mit vorhandenen Einstiegsfahrzeugen und Materialien für Wärmeschutzsysteme möglich ist.^[4] Derzeit laufen Studien zur Bewertung der Durchführbarkeit von Aerocaptures bei Uranus und Neptun zur Unterstützung von Missionen im nächsten Jahrzehnt. Die Aerocapture bei Jupiter und Saturn wird als langfristiges Ziel angesehen, da ihre riesigen Schwerkraftbohrungen zu sehr hohen Eintrittsgeschwindigkeiten und rauen aerothermischen Umgebungen führen, die die Aerocapture an diesen Zielen zu einer weniger attraktiven und möglicherweise nicht realisierbaren Option machen.^[5] Es ist jedoch möglich, mit Aerocapture bei Titan ein Raumschiff um den Saturn einzusetzen.

Kurze Geschichte der Luftaufnahme[edit]

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Histogramm mit der Anzahl der Veröffentlichungen zur Luftaufnahme seit den 1960er Jahren, klassifiziert nach Zielplaneten.

Aerocapture wurde seit den frühen 1960er Jahren für Planetenmissionen untersucht. Londons wegweisender Artikel über die Verwendung aerodynamischer Manöver zur Änderung der Ebene eines Satelliten in der Erdumlaufbahn anstelle eines Antriebsmanövers gilt als Vorläufer für das Konzept der Luftaufnahme.^[6] Das Aerocapture-Konzept wurde dann als aerodynamisches Bremsen oder „Aerobraking“ bezeichnet und von Repic et al. Als potenzielle Methode zum Einsetzen der Umlaufbahn für Mars- und Venus-Missionen untersucht.^[7][8] In der modernen Terminologie bezieht sich Aerobraking auf ein anderes “Aeroassist” -Manöver und ist nicht mit Aerocapture zu verwechseln. Cruz ‘Artikel von 1979 war der erste, der das Wort Aerocapture verwendete, und es folgten eine Reihe von Studien, die sich auf seine Anwendungen bei Mars Sample Return (SR) konzentrierten. In den späten 1980er Jahren wurde das Aeroassist Flight Experiment (AFE) konzipiert, um mithilfe einer vom Shuttle gestarteten Nutzlast die Luftaufnahme auf der Erde zu demonstrieren. Das Projekt führte zu einer Reihe bedeutender Entwicklungen, einschließlich der Leitflug-Software, wurde jedoch aufgrund von Kostenüberschreitungen abgesagt und nie geflogen.^[9] In den späten 1990er Jahren wurde die Aerocapture für die Mars Odyssey-Mission (damals als Mars 2001 Surveyor bezeichnet) in Betracht gezogen, später jedoch aus Kostengründen und aufgrund des Erbes anderer Mars-Missionen zugunsten des Aerobraking eingestellt.^[10] In den frühen 2000er Jahren wurde Aerocapture vom NASA-Programm für In-Space Propulsion Technology (ISPT) als Schwerpunktbereich identifiziert. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein multizentrisches Aerocapture Systems Analysis Team (ASAT) zusammengestellt, um Referenz-Aerocapture-Missionen an verschiedenen Zielen des Sonnensystems zu definieren und alle technologischen Lücken zu identifizieren, die vor der Implementierung eines Flugprojekts geschlossen werden müssen. Das ASAT-Team unter der Leitung von Mary Kae Lockwood vom NASA Langley Research Center untersuchte detailliert Aerocapture-Missionskonzepte für Venus, Mars, Titan und Neptun.^[11] Seit 2016 besteht ein erneutes Interesse an Aerocapture, insbesondere im Hinblick auf die Einführung kleiner Satellitenbahnen auf Venus und Mars.^[12] und Flaggschiff-Missionen nach Uranus und Neptun im kommenden Jahrzehnt.^[13]

Vorteile der Luftaufnahme[edit]

NASA-Technologen entwickeln Wege, um Roboter-Raumfahrzeuge in langlebigen wissenschaftlichen Umlaufbahnen um entfernte Ziele des Sonnensystems zu platzieren, ohne dass schwere Treibstoffladungen erforderlich sind, deren Fahrzeugleistung, Einsatzdauer und Masse für wissenschaftliche Nutzlasten historisch begrenzt sind.

Eine Studie zeigte, dass die Verwendung von Aerocapture gegenüber der nächstbesten Methode (Verbrennung von Treibmittel und Aerobraking) eine signifikante Erhöhung der wissenschaftlichen Nutzlast für Missionen von Venus (79% Anstieg) bis Titan (280% Anstieg) und Neptun (832% Anstieg) ermöglichen würde. . Darüber hinaus zeigte die Studie, dass die Verwendung der Aerocapture-Technologie wissenschaftlich nützliche Missionen zu Jupiter und Saturn ermöglichen könnte.^[14]

Die Aerocapture-Technologie wurde auch für den Einsatz in bemannten Mars-Missionen evaluiert und bietet erhebliche Massenvorteile. Für diese Anwendung muss die Flugbahn jedoch eingeschränkt werden, um übermäßige Verzögerungsbelastungen für die Besatzung zu vermeiden.^[15][16] Obwohl es ähnliche Einschränkungen für die Flugbahn von Robotermissionen gibt, sind die menschlichen Grenzen typischerweise strenger, insbesondere angesichts der Auswirkungen einer längeren Mikrogravitation auf Beschleunigungstoleranzen.

Aerocapture-Raumfahrzeugdesigns[edit]

Das Aerocapture-Manöver kann mit drei Grundtypen von Systemen durchgeführt werden. Das Raumfahrzeug kann von einer Struktur umgeben sein, die mit Wärmeschutzmaterial bedeckt ist, das auch als starres Aeroshell-Design bekannt ist. In ähnlicher Weise besteht eine weitere Option darin, dass das Fahrzeug eine Aerocapture-Vorrichtung wie einen aufblasbaren Hitzeschild einsetzt, der als aufblasbare Aeroshell-Konstruktion bekannt ist. Die dritte wichtige Konstruktionsoption ist ein aufblasbarer, nachlaufender Ballut – eine Kombination aus Ballon und Fallschirm aus dünnem, haltbarem Material, das nach dem Einsatz im Vakuum des Weltraums hinter dem Fahrzeug gezogen wird.

Stumpfer Körper, starres Aeroshell-Design[edit]

Das starre Aeroshell-System mit stumpfem Körper umhüllt ein Raumschiff in einer Schutzhülle. Diese Schale wirkt als aerodynamische Oberfläche, bietet Auftrieb und Luftwiderstand und schützt vor der intensiven Erwärmung, die während des atmosphärischen Hochgeschwindigkeitsfluges auftritt. Sobald das Raumschiff in die Umlaufbahn gebracht wurde, wird die Aeroshell abgeworfen.

Die NASA hat in der Vergangenheit stumpfe Aeroshell-Systeme für atmosphärische Eintrittsmissionen verwendet. Das jüngste Beispiel sind die Mars Exploration Rovers, Spirit and Opportunity, die im Juni und Juli 2003 gestartet und im Januar 2004 auf der Marsoberfläche gelandet sind. Ein weiteres Beispiel ist das Apollo Command Module. Das Modul wurde für sechs unbemannte Raumflüge von Februar 1966 bis April 1968 und elf bemannte Missionen von Apollo 7 im Oktober 1968 bis zur letzten bemannten Apollo 17-Mondmission im Dezember 1972 verwendet. Aufgrund seines umfangreichen Erbes ist das Design des Aeroshell-Systems gut bekannt . Die Anpassung der Aeroshell vom atmosphärischen Eintritt an die Aerocapture erfordert eine missionsspezifische Anpassung des Wärmeschutzmaterials an die unterschiedlichen Heizumgebungen der Aerocapture. Auch Hochtemperaturklebstoffe und leichte Hochtemperaturstrukturen sind erwünscht, um die Masse des Aerocapture-Systems zu minimieren.^[1]

Aufblasbares Aeroshell-Design[edit]

Das aufblasbare Aeroshell-Design ähnelt stark dem Aeroshell- oder stumpfen Körperdesign. Die aufblasbare Aeroshell wird oft als Hybridsystem mit einem starren Objektivrevolver und einem aufgeblasenen, angebrachten Verzögerer bezeichnet, um die Widerstandsfläche zu vergrößern. Unmittelbar vor dem Eintritt in die Atmosphäre erstreckt sich die aufblasbare Aeroshell von einer starren Nasenkappe und bietet eine größere Oberfläche, um das Raumschiff zu verlangsamen. Das aufblasbare Aeroshell-Design besteht aus Dünnschichtmaterial und ist mit einem Keramiktuch verstärkt. Es bietet viele der gleichen Vorteile und Funktionen wie das Design von nachlaufenden Balluten. Die aufblasbare Aeroshell ist zwar nicht so groß wie die nachlaufende Ballute, aber ungefähr dreimal so groß wie das starre Aeroshell-System und führt das Aerocapture-Manöver höher in der Atmosphäre aus, wodurch die Heizlasten reduziert werden. Da das System aufblasbar ist, ist das Raumfahrzeug während des Starts und der Kreuzfahrt nicht eingeschlossen, was mehr Flexibilität bei der Konstruktion und dem Betrieb des Raumfahrzeugs ermöglicht.^[1]

Trailing Ballute Design[edit]

Eine der primären aufblasbaren Verzögerungstechnologien ist eine nachlaufende Ballutenkonfiguration. Das Design besteht aus einem torusförmigen oder donutförmigen Verzögerer aus einem leichten Dünnschichtmaterial. Der Ballut ist viel größer als das Raumschiff und wird wie ein Fallschirm hinter dem Fahrzeug gezogen, um das Fahrzeug zu verlangsamen. Das “nachlaufende” Design ermöglicht auch ein einfaches Abnehmen nach Abschluss des Aerocapture-Manövers. Das Design des nachlaufenden Balluts hat Leistungsvorteile gegenüber dem starren Aeroshell-Design, z. B. die Größe und Form des Raumfahrzeugs nicht einzuschränken und das Fahrzeug einer viel geringeren aerodynamischen und thermischen Belastung auszusetzen. Da der nachlaufende Ballut viel größer als das Raumfahrzeug ist, erfolgt die Luftaufnahme hoch in der Atmosphäre, in der viel weniger Wärme erzeugt wird. Der Ballut nimmt die meisten aerodynamischen Kräfte und Wärme auf und ermöglicht so die Verwendung eines minimalen Wärmeschutzes um das Raumfahrzeug. Einer der Hauptvorteile der Ballutenkonfiguration ist die Masse. Wenn die starre Aeroshell 30–40% der Masse eines Raumfahrzeugs ausmacht, kann der Ballutmassenanteil nur 8–12% betragen, wodurch Masse für mehr wissenschaftliche Nutzlast gespart wird.^[1]

In der Praxis[edit]

Aerocapture wurde noch nicht auf einer Planetenmission ausprobiert, aber der Wiedereintrittssprung von Zond 6 und Zond 7 nach der Rückkehr des Mondes waren Aerocapture-Manöver, da sie eine hyperbolische Umlaufbahn in eine elliptische Umlaufbahn verwandelten. Da bei diesen Missionen nach der Luftaufnahme kein Versuch unternommen wurde, das Perigäum anzuheben, kreuzte die resultierende Umlaufbahn immer noch die Atmosphäre, und beim nächsten Perigäum trat ein Wiedereintritt auf.

Aerocapture war ursprünglich für den Mars Odyssey Orbiter geplant.^[17] später jedoch aus Kostengründen und aus Gründen der Gemeinsamkeit mit anderen Missionen auf Aerobraking umgestellt.^[18]

Aerocapture wurde vorgeschlagen und auf die Ankunft am Saturnmond Titan analysiert.^[19]

In der Fiktion[edit]

Aerocapture in der Fiktion kann in Arthur C. Clarkes Roman gelesen werden 2010: Odyssey Two, In diesem Fall nutzen zwei Raumschiffe (ein russischer und ein chinesischer) die Luftaufnahme in Jupiters Atmosphäre, um ihre überschüssige Geschwindigkeit zu verlieren und sich für die Erkundung von Jupiters Satelliten zu positionieren. Dies kann als Spezialeffekt in der Filmversion angesehen werden, in der nur ein russisches Raumschiff einer Luftaufnahme unterzogen wird (im Film fälschlicherweise Aerobraking genannt).

Spieler des Videospiels Kerbal Raumfahrtprogramm Verwenden Sie häufig Aerocapture, wenn Sie die Satelliten von Jool erkunden (einem Gasriesen, der als Analogon zum Jupiter dient).

In der Fernsehserie Stargate Universe setzt der Autopilot des Schiffs Destiny eine Luftaufnahme in der Atmosphäre eines Gasriesen am Rande eines Sternensystems ein. Dadurch wird das Schiff direkt in den Stern in der Mitte des Systems geleitet.

Verwandte Methoden[edit]

Aerocapture ist Teil einer Familie von “Aeroassist” -Technologien, die von der NASA für wissenschaftliche Missionen zu jedem Planetenkörper mit einer nennenswerten Atmosphäre entwickelt wurden. Diese Ziele könnten Mars, Venus und Saturnmond Titan sowie die äußeren Planeten sein.

Aerobraking ist ein weiteres Aeroassist-Manöver, das einige Ähnlichkeiten, aber auch einige wichtige Unterschiede zur Aerocapture aufweist. Während Aerocapture zum Einführen eines Raumfahrzeugs in die Umlaufbahn von einer hyperbolischen Flugbahn verwendet wird, wird Aerobraking zum Reduzieren der Apoapsis eines Raumfahrzeugs verwendet, das sich bereits in der Umlaufbahn befindet.

Einer der Hauptvorteile der Verwendung einer Aerocapture-Technik gegenüber einer Aerobraking-Technik besteht darin, dass Missionskonzepte für die menschliche Raumfahrt aufgrund des schnellen Übergangs in die gewünschte Umlaufbahn ermöglicht werden, wodurch die Länge der Mission um Monate verkürzt wird.^{[remove or clarification needed]}

Software[edit]

• Aerocapture Mission Analysis Tool (AMAT) Bietet eine schnelle Missionsanalyse für Aerocapture- und Entry-, Descent- und Landing-Missionskonzepte (EDL) für atmosphärentragende Ziele im Sonnensystem.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]