Die Erde umkreisen, bevor es zum Mond geht

Von der Erdoberfläche direkt in die Mondumlaufbahn zu gehen, ohne in LEO anzuhalten, würde vernachlässigbare Einsparungen bieten - abhängig von Ihren Annahmen vielleicht 20 m / s an ∆v (und 2-3 Stunden an Verbrauchsmaterialien). ¹

Laut Apollo By The Numbers und Bob Braeunigs Simulationen betrug das ∆v-Budget für den Start in die Umlaufbahn plus translunare Injektion für die Apollo-Missionen insgesamt etwa 12250 m/s, sodass jede Differenz weit weniger als 1 % des Treibstoffbudgets ausmachen würde.

1. Unter der Annahme, dass in jedem Fall ein Aufstieg in eine kreisförmige Umlaufbahn an der Kármán-Linie erfolgt, dann im ersten Fall zwei Hohmann-Transfers , von der Kármán-Linie auf die 160-km-Parkbahn, dann von der Parkbahn auf Mondhöhe; und im zweiten Fall ein einzelner Hohmann-Transfer von der Kármán-Linie auf Mondhöhe. Die Apollo-Missionen haben eine schnellere Flugbahn als Hohmann (spart 2 Tage Reisezeit pro Strecke), aber der Unterschied zwischen der Parkumlaufbahn und den Nonstop-Versionen ist wahrscheinlich sehr ähnlich.

Auf der Wikipedia-Seite heißt es, die Erde zu umkreisen sei notwendig, "um die Bereitschaft von Raumfahrzeugsystemen zu überprüfen", aber ich bin gespannt, wie sich dies auf den Treibstoffbedarf und andere Aspekte der Navigation auswirkt.

Die Verwendung einer Parkbahn sparte höchstwahrscheinlich Kraftstoff im Vergleich zu einer direkten translunaren Einbringung. Ein direktes Einfügen in eine translunare Flugbahn hätte im Vergleich zu diesem Bedarf durch Hinzufügen einer Parkbahn eine winzige Menge Treibstoff gespart, wenn alles perfekt gelaufen wäre. Allerdings funktioniert nie etwas perfekt. Der Raketenschub variiert und die Navigationssensoren sind unvollkommen. Der Start in der Apollo-Ära war größtenteils ein Koppelnavigationsprozess ; In der Apollo-Ära gab es kein GPS.

Dies führte dazu, dass sich während des Starts Navigationsfehler aufbauten. Ein Start direkt in eine translunare Flugbahn hätte bedeutet, dass diese Fehler und der Injektionsfehler nach dem Start + Injektion korrigiert werden müssten. Dies hätte die winzigen zusätzlichen Kosten für die Platzierung des Fahrzeugs in einer Parkbahn vor der translunaren Injektion mehr als ausgeglichen. Bei einer Parkbahn wurden die meisten Startfehler durch die translunare Injektionsverbrennung korrigiert. Es waren noch Korrekturverbrennungen erforderlich, aber diese waren viel kleiner als diejenigen, die für einen direkten Start benötigt worden wären.

Viel wichtiger ist, dass die Nutzung einer Parkbahn die Missionen ermöglicht hat. Ein direkter translunarer Insertionsstart hätte ein sofortiges Startfenster erfordert. Der Start hätte um einen Tag (oder vielleicht mehrere Monate) verzögert werden müssen, wenn beim direkten Einsetzen in eine translunare Flugbahn während des Countdowns etwas schief gelaufen wäre. Die Missionsplaner hielten ein Startfenster von 2,5 Stunden für das Minimum, das erforderlich war, um eine angemessene Erfolgschance zu haben. Dies allein schloss die Möglichkeit eines Starts direkt in eine translunare Flugbahn aus.

Bei zwei Apollo-Missionen ist beim Countdown tatsächlich etwas schief gelaufen. Apollo 14 startete aufgrund von Wetterproblemen mit 40 Minuten Verspätung, und Apollo 17 startete aufgrund einer automatischen Abschaltung bei der T-30-Sekundenmarke mit 2 Stunden und 40 Minuten Verspätung.

Dass die NASA die Parkbahn als Mittel zur Überprüfung der Bereitschaft von Raumfahrzeugsystemen für die Fortsetzung der Mission verwendete, war ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung einer Parkbahn. Dies war nicht der primäre Treiber. Der Hauptgrund war, dass die Nutzung einer Parkbahn die Missionen durchführbar machte.

Das Erreichen einer Umlaufgeschwindigkeit auf der Erdoberfläche ist aufgrund der Erdatmosphäre nicht praktikabel. Zuerst muss ein Schiff über die Atmosphäre kommen und dann Umlaufgeschwindigkeit erreichen.

Sobald die Höhe erreicht ist, ist der effizienteste Weg, die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen, eine horizontale Verbrennung. Sie könnten die Hauptverbrennung entlang eines Flugbahnwinkels ungleich Null durchführen, aber dann erleidet die vertikale Komponente des Schubs einen Schwerkraftverlust.

Typischerweise ist der erste Teil der Flugbahn eines Raumschiffs nahezu vertikal, neigt sich dann aber nach Osten, um dem Schubvektor eine größere horizontale Komponente zu verleihen, wenn die Atmosphäre dünner wird.

Wenn sich das Schiff über der Atmosphäre befindet, brennt es am stärksten und bewegt sich in einem Flugbahnwinkel von nahezu Null (mit anderen Worten, horizontal).

Eine direkte Einführung in die Mondumlaufbahn würde also brennen, um eine horizontale Geschwindigkeit von 10,9 km / s zu erreichen, wenn sie sich über der Atmosphäre befindet. Aber irgendwann während dieser Verbrennung wird das Schiff mit einer horizontalen Geschwindigkeit von 7,8 km/s fahren. An diesem Punkt würde ich sagen, dass sich das Schiff im Orbit befindet. Nach Erreichen der Umlaufgeschwindigkeit könnte das Schiff weiter feuern, um weitere 3,1 km/s für die Trans Lunar Insertion (TLI) zu erreichen.

Oder es könnte die Motoren nach Erreichen der Umlaufgeschwindigkeit abschalten und die verbleibenden 3,1 km / s TLI später verbrennen. Was ist der Unterschied ist Delta V? Null.

Aus John Schillings Launch-Simulator-Methodik pdf :

Die Townsend-Technik beginnt mit der Annahme, dass alle Weltraumstarts aus einem direkten Aufstieg in eine niedrige kreisförmige Parkbahn bestehen, gefolgt von einer Reihe von Manövern auf der Umlaufbahn zur endgültigen Zielumlaufbahn. Tatsächlich fliegen viele Trägerraketen nur auf einer Flugbahn mit direktem Aufstieg, selbst auf einer hohen oder nicht kreisförmigen Umlaufbahn. Eine Beobachtung dieser Trajektorien stellt jedoch fast immer fest, dass die Trägerrakete in einer Höhe von einigen hundert Kilometern fast horizontal durch die lokale Kreisbahngeschwindigkeit beschleunigt. Man kann das Problem vereinfachen, indem man dies als eine augenblickliche "Parkumlaufbahn" behandelt, die durch direkten Aufstieg erreicht wird, und wobei alle nachfolgenden motorisierten Flüge als "Manöver auf der Umlaufbahn" behandelt werden.

Hervorhebung von mir hinzugefügt.

Auch hier befinden sich praktisch alle Flugbahnen eine Zeit lang in einer erdnahen Umlaufbahn. Mal ganz kurz, mal in einer ausgedehnten Parkbahn.