Könnten Oberstufen als zweite Mission Weltraumschrott beseitigen?

Gebrauchte Oberstufen scheinen einen großen Beitrag zum Weltraumschrott zu leisten . Wäre es nicht ziemlich einfach und billig, stattdessen eine obere Stufe irgendwie physisch an einem großen Stück Weltraumschrott zu befestigen und es in die Atmosphäre oder in die Friedhofsbahn außerhalb von GEO zu drücken? Früher oder später werden die großen Schrottstücke im Orbit kollidieren und in Tausende gefährliche Stücke zersplittern, daher sollte es auf lange Sicht sehr hilfreich sein, eine kleine Anzahl der massivsten zu entfernen.

Trägerraketen können offensichtlich nicht immer eine Nutzlast tragen, die ihre gesamte Kapazität nutzt. Daher gibt es oft Platz für zusätzlichen Treibstoff für eine kleine sekundäre Mission, nachdem die Nutzlast in ihre Umlaufbahn oder Flugbahn eingeführt wurde. Deshalb gibt es einen Markt für sekundäre Nutzlasten. Sogar der Himmelskran von Curiosity auf dem Mars hatte nach der Landung 140 kg ungenutzten Treibstoff . Und Chang'e 5T bereist den cis-Mondraum, nachdem es seine Rückkehrkapsel zur Erde gebracht hat. Oberstufen beenden ihre primären Missionen natürlich oft in den am häufigsten verwendeten Umlaufbahnen, wo es am wichtigsten ist, Trümmer zu entfernen. Große Manöver wären im Allgemeinen nicht erforderlich. Dieses Konzept könnte opportunistisch für Starts mit freier Kapazität und in Umlaufbahnen ähnlich einem bestimmten großen Trümmerstück angewendet werden.

Was sind die Probleme dabei? Sind die Kosten für das Betanken einer Rakete nach oben unerschwinglich? Ist es gefährlich, sich einem toten, sich drehenden Trümmerobjekt zu nähern und es zu greifen, riskiert es vielleicht sogar, eine Kollision und ein neues Trümmerfeld zu verursachen? Oder ist es ein wirtschaftliches Problem der Tragödie der Allmende , das selbst kleine Investitionen in die Beseitigung von Weltraumschrott verhindert?

Die Konstrukteure der oberen Stufe können dabei helfen, orbitalen Trümmern entgegenzuwirken – indem sie die Stufen deorbitieren. Es ist eine historische Tatsache, dass mit Hydrazin betriebene Stufen dazu neigten, im Weltraum nach einiger Zeit zu explodieren. Durch das Spülen der Tanks und/oder das De-Orbiting können Designer mehr erreichen, als jede Jagd nach einem Stück Müll erreichen kann.
Die großen Schrottstücke sind kein großes Problem, sie sind kartiert und können ausgewichen werden. Es sind kieselgroße Trümmer, groß genug, um ein Fahrzeug zu durchbohren, aber zu klein, um auf einem Radar zu erscheinen – und viel zahlreicher als die großen.
@SF. Langfristig treffen die großen Stücke auf etwas und zersplittern in Trümmerströme. Indem man die wenigen Größten abbaut, wird auf lange Sicht der größte Teil des Schutts vermieden. Das ist sowieso das Argument, aber vielleicht wird es nur deshalb vorgeschlagen, weil es machbar ist.
@LocalFluff: Die meisten davon im niedrigen Orbit werden schon lange vorher von selbst deorbitieren. Diese in höheren Umlaufbahnen werden von der 2. Stufe nicht erreicht werden.

Antworten (5)

Rendezvous und Andocken sind kein triviales Problem – Sie sprechen über das Hinzufügen einer im Wesentlichen zusätzlichen komplexen Nutzlast zur oberen Stufe. Sensoren, Lagekontrolle, Kommunikation und einige Mittel, um das wahrscheinlich taumelnde Ziel tatsächlich zu greifen und festzuhalten, sobald Sie dort angekommen sind. Vielleicht finden Sie ein günstiges Ziel, für dessen Annäherung nicht viel Flugzeugwechsel erforderlich ist, aber selbst kleine Flugzeugwechsel sind kostspielig Δ v .

Es ist selbst für ein speziell gebautes Raumschiff ein herausforderndes Problem – nicht sicher, ob es als Zusatz zu einer oberen Stufe machbar ist.

Aber mehr als 100 Andockvorgänge haben erfolgreich stattgefunden, ich kenne nur einen, der fehlschlug, ein Progress-MIR-Andockvorgang in den 1980er Jahren. Und die benötigten sense/ctrl/com et cetera Funktionen werden jetzt von Tag zu Tag schnell kleiner billiger besser. Ich würde denken, dass eine Oberstufe solche Einrichtungen sowieso hat oder gut nutzen würde.
Vielleicht - mein Fachwissen liegt nicht im Raumfahrzeugdesign. Aber beachten Sie auch, dass die meisten dieser erfolgreichen Dockings die teuersten Bemühungen der Menschheit beinhalten, viele hatten einen Menschen in der Schleife und alle beteiligten stabile, kooperative Ziele, die entworfen wurden, um an sie angedockt zu werden (mit der möglichen Ausnahme von Hubble). Es ist eine interessante Idee - jemand mit mehr Erfahrung auf diesem Gebiet sollte sich einbringen.

Viele Satelliten haben sehr spezifische enge Startfenster von einigen Minuten / Tag, wenn alle Einschränkungen zum Erreichen der Zielumlaufbahn erfüllt sind. Solche Einschränkungen passen normalerweise nicht gut zu einem Rendezvous kurz nach dem Start zu einem vorhandenen spezifischen Trümmer. Wenn der Start rutscht (ein häufiges Ereignis), ist das neue Startfenster für die primäre Nutzlast im Allgemeinen immer noch nicht mit einem Rendezvous mit demselben Trümmerziel kompatibel. (Die Startfenster zur ISS sind beispielsweise einige Minuten breit.) Ein Rendezvous mit niedrigen Treibstoffkosten zu einem bestimmten Zeitpunkt, möglicherweise viele Monate nach dem Start, könnte möglich sein, aber das würde bedeuten, dass die Stufe so lange betriebsbereit sein müsste ( was viele Änderungen an der Bühne bedeutet; die meisten Bühnen laufen nur wenige Stunden, nicht Tage oder Wochen).

Und wie bereits gesagt, waren fast alle Rendezvous mit kontrollierten Zielen, die für Rendezvous konzipiert wurden, und nicht für träge, nicht angetriebene, taumelnde Fahrzeuge.

Wie andere gesagt haben, ist so ziemlich jedes Stück davon eine Herausforderung.

Die Brennstoffreserven, die benötigt werden, um das Rendezvous zunächst zu bewerkstelligen und dann zu bewegen, sind alles andere als trivial. Das ist der Grund, warum GEO-Sats ein wenig in eine Friedhofsbahn geschoben werden, anstatt zu versuchen, sie zu deorbitieren.

Auch das Abfangen eines sich schnell bewegenden unkontrollierten Objekts ist alles andere als trivial.

Das Greifen eines sich schnell bewegenden und möglicherweise stürzenden Objekts, das nicht speziell zum Greifen entwickelt wurde, ist alles andere als trivial.

Die Modifizierung einer zweiten Stufe für den erweiterten Betrieb im Weltraum ist alles andere als trivial. Sie müssen sich um die Kraftstofflagerung kümmern, vorausgesetzt, dass kryogene Kraftstoffe verwendet werden. Eine einfache Batterie reicht möglicherweise nicht mehr aus, was jetzt Solaranlagen bedeutet.

All dies ignoriert die Tatsache, dass die meisten Starts zu GTO (einer Transferbahn) und nicht direkt zu GEO erfolgen, sodass die zweite Stufe es nicht einmal zu GEO schafft, was den Treibstoffbedarf weiter erhöht.

Ja. Und eine Oberstufe ist nicht dafür ausgelegt, wie ein Raumschiff zu funktionieren, außer um Nutzlast zu liefern. Benötigen Sie Sonnenkollektoren anstelle von Batterien und Kommunikation mit der Erde und so weiter und so fort. Aber vielleicht könnte ein Satellit, der die Nutzlast deorbitiert, an der Oberstufe befestigt bleiben und ihren Motor verwenden?

Hier gibt es ein sehr großes Problem: Rendezvous. Sicher, es ist ein ziemliches Routinemanöver mit der ISS, aber das liegt daran, dass die Rakete überhaupt erst in die richtige Umlaufbahn geschossen wird. Wenn die Rakete Umlaufbahnen mit ihrem Ziel abgleichen muss, wird das sehr schnell sehr teuer (in Bezug auf Delta-V).

Angenommen, es wäre etwas an der richtigen Stelle, mit dem sie die Umlaufbahnen abgleichen könnten. Was wirst du machen? Ihn höflich bitten, zum Feuer mitzukommen? Sie haben keine Möglichkeit, den Booster mit dem Ziel zu koppeln. Wenn Sie es auf den genauen Schwerpunkt ausrichten (ist es überhaupt bekannt?) Und Ihren Booster anzünden, wie stellen Sie sicher, dass er nicht herunterfällt? (Nehmen Sie einen Baseballschläger und balancieren Sie ihn senkrecht auf Ihrer Hand. Schwer, nicht wahr? Nehmen Sie jetzt einen anderen Schläger und setzen Sie ihn auf den Schläger, den Sie balancieren. Geben Sie ihm schließlich einen kräftigen Schubs in die Luft --ohne dass die zweite Fledermaus herunterfällt.)

Nun, für einen dedizierten Schlepper aus der Umlaufbahn könnten Sie so etwas tun, wie das Ziel zu harpunieren und es mitzuziehen. Besagter Schlepper hätte einen sehr kleinen Motor, der die Kraft auf etwas halten würde, für das dies funktionieren würde. Sie sprechen jedoch von der Oberstufe. Nehmen wir die Oberstufe des Falcon 9, da ich erst vor ein paar Tagen Gelegenheit hatte, damit zu rechnen. Sein Motor bringt 210.000 Pfund Schub. Angenommen, es hat etwas von seiner eigenen Größe harpuniert, was bedeutet, dass das Halteseil 105.000 Pfund Kraft erfahren wird - dieses Halteseil sollte besser schrecklich gut verankert sein! Und wie ist die Geometrie? Wenn der Booster auf das Ziel drückt, muss die Kupplung fest genug sein, um dieser Art von Kraft standzuhalten, ohne sich zu verschieben (nicht nur eine Harpune! ) Wenn der Booster zieht, vermeidet das das große Gleichgewichtsproblem, bedeutet aber, dass die Halteseile dem Raketenauspuff schrecklich nahe kommen. Kannst du "schmelzen" sagen?

Wenn sich eine Oberstufe "verantwortungsbewusst" aus dem Orbit zurückzieht, nachdem sie ihre Nutzlast abgeliefert hat, dann würde sie auf dem Weg nach unten eine Reihe von Umlaufbahnen kreuzen, wo sie anhalten und sich um Trümmer kümmern könnte. Hypothetisch. Es gibt Ideen auf NIAC-Niveau über Haltegurte und Taschen und Kaugummis zum Andocken an nicht kooperative Objekte. Aber seit ich das gefragt habe, ist mir klar geworden, dass dies kein früher Weg nach oben ist.
@LocalFluff Unter der Annahme eines Motors mit sehr niedrigem Schub habe ich kein Problem damit, an ein nicht kooperatives Objekt anzudocken. Mein Problem dabei ist, dabei hunderttausend Pfund Kraft auf die Verbindung anzuwenden. Und warum nehmen Sie an, dass sich etwas in genau derselben Orbitalebene befindet, aber weiter unten?
Die geostationäre Umlaufbahn ist mehr oder weniger ein und derselbe Ort und einer der beliebtesten. Wenn sich eine Oberstufe aus dem Weg räumt, nimmt sie vielleicht einen anderen stillgelegten Satelliten auf, um ihn von dort mitzubringen.
@LocalFluff-Oberstufen gehen normalerweise nur in GTOs (Geostationary Transfer Orbits), um einen anderen Satelliten "aufzunehmen", den er benötigen würde, um sich in die geostationäre Umlaufbahn zu bringen und dann von dort mit der Masse des stillgelegten Satelliten zu deorbitieren. dies ist deutlich mehr dv als erforderlich, um nur die USA von GTO zu deorbitieren, dessen Treibstoff das Massenbudget der primären Nutzlast auffressen würde.

Unter der Annahme, dass die Trümmer groß genug sind, um sie auf sinnvolle Weise aufzunehmen, was bei weitem nicht immer der Fall ist (Orbitalgeschwindigkeitsflocken, irgendjemand?), Und neben den Problemen mit Startfenstern, Delta-V-Anforderungen sowohl für Orbitalanpassungen für Rendezvous (und für das Deorbiting), das Rendezvous selbst, das Andocken und das Grappling, die bereits erwähnt wurden (ich werde diese hier nur per Hand wegwinken und mich auf die vorhandenen Antworten zur Diskussion darüber beziehen, wie schwierig die vorherigen Faktoren sind), gibt es eine zusätzliche Komplikation . Das Ding auf sichere Weise zurück zur Erde zu bringen.

Jetzt könnten Sie auf einen großen Wasserteich zielen und den Leuten einfach sagen, dass sie sich durch geeignete Kanäle aus dem Weg gehen sollen. (Für Flugzeuge gibt es NOTAMs, und ich bin mir sicher, dass es etwas Ähnliches für Hochseeschiffe gibt.) Ich bin sicher , dass mehr als ein Raumschiff absichtlich in den Atlantik oder Pazifik geschickt wurde. Aber auch so etwas fügt Komplexität hinzu. Ich bezweifle, dass der Zustand eines bestimmten Weltraumschrotts genau bekannt ist, aber Masse macht viel ausUnterschied für das Raketenhandling in einer Freifall-/Mikrogravitationsumgebung. Wenn Sie um ein paar Prozent der Masse abweichen, könnte dies leicht dazu führen, dass Ihr Deorbit vollständig abbrennt, was dazu führt, dass Sie die Erde an einem ganz anderen Ort treffen als geplant. Und wie jemand in einigen anderen Antworten auf eine andere Frage betont hat, ist die einzige Gewissheit, dass Sie sich nach einer Deorbit-Verbrennung auf einer Umlaufbahn befinden , die den Boden auf irgendeine Weise irgendwo schneidet. Hoffentlich ist niemand im Weg, wenn das passiert.

Nicht viele Satelliten sind groß genug, dass irgendein Teil davon den Wiedereintritt überleben würde.
@Hobbes Die obere Stufe der Rakete könnte jedoch groß genug sein. Ich weiß nicht genau, was das Limit ist (und es hängt wahrscheinlich auch vom Wiedereintrittswinkel ab). Das bringt uns zurück zur Kenntnis der Masse für Deorbit-Burning-Berechnungen.
Raketenstufen haben ein niedriges Masse-zu-Volumen-Verhältnis (leerer Tank), daher erfahren sie viel Luftwiderstand und neigen zum Verbrennen.
Ich habe noch nie gehört, dass die Auswirkungen des Wiedereintritts in obere Stufen oder kleine Sats so besorgniserregend waren. Können Sie ein Zitat angeben?
Guter Punkt. Das beste Zitat, das ich habe, ist das RTG von Aquarius, das zugegebenermaßen ziemlich veraltet ist.
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