Raumfahrt im Konvoi, was sind die Vor- und Nachteile?

In dem Roman „ Das Mars-Projekt “ von Wernher von Braun fliegen Menschen im Konvoi zum Mars. Wird heute überhaupt ernsthaft erwogen, mehrere Raumfahrzeuge gemeinsam zu schicken?

Die meisten vorgeschlagenen Missionen zum Mars erfordern den Vorab-Einsatz einiger Nutzlasten auf dem Mars, bevor Menschen ankommen. Wenn es stattdessen zusammen mit dem bemannten Raumschiff gesendet wird, kann ich mir einige potenzielle Vorteile vorstellen. Im Notfall könnte die Besatzung im Flug zum Oberflächenlebensraum evakuieren. Sie könnten eines der Raumschiffe opfern, wenn sie einen größeren Bedarf an Treibstoff für die Landung haben. Auf dem Mars könnten sie die Landung der Raumfahrzeuge teleoperieren oder vielleicht in Formation landen, um sicherzustellen, dass sie alle in Reichweite der Besatzung landen.

Nachteile können das Kollisionsrisiko und Schwierigkeiten beim Andocken von Raumfahrzeugen zum Transfer von Treibstoff, Besatzung oder Fracht sein. Und es scheint nicht möglich zu sein, mehrere gleichzeitige Starts zuverlässig vom Boden aus durchzuführen (obwohl das Militär diese Fähigkeit mit soliden Trägerraketen hat), sodass der Konvoi im Orbit zusammenkommen müsste.

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In The Case For Mars wies Robert Zubrin darauf hin, dass durch den Start von Frachtmissionen zum Mars, die für eine 2 Jahre später eintreffende Besatzung bestimmt sein werden, bestätigt werden kann, dass die Fracht sicher gelandet ist, bevor die Besatzung gefährdet wird. Auf diese Weise eliminieren Sie eines der größten Risiken, bevor die Crew überhaupt abreist.

Antworten (5)

Das ist eine interessante Idee. Hier sind mehrere Überlegungen zu beachten:

  1. Fähigkeit, mehrere Raketen schnell hintereinander in dasselbe Flugzeug zu starten. Sehr teuer: Sie müssen alles verdoppeln und die Qualitätskontrolle mehr als verdoppeln, da Sie mit engeren Gewinnspannen und in einer Atmosphäre von, sagen wir, übertriebener Eile arbeiten. Sie müssen nach dem Anstieg Abfindungen zahlen, die das Budget belasten.

  2. Transmarsianische Umlaufbahn Einfügungsgenauigkeit: Eine Verzögerung im Wert von einer Sekunde würde bedeuten, dass die Transitmodule beim Abschalten des Triebwerks nicht nah beieinander sind. Das Reisen zwischen den Modulen wird nicht einfach sein.

  3. Ballistischer Alptraum. Anstatt nur auf den Einstiegspunkt zu zielen, müssen alle Kurskorrekturen die Module entlang der Route zusammenhalten.

  4. Eintritts-, Abstiegs- und Landeschwierigkeiten - wie Sie sagten, ist eine Kollision eine reale Möglichkeit, wenn Sie die Module in einem bestimmten Abstand (20-30 Meter) voneinander landen möchten.

  5. Fehlen einer klaren Anforderung, Module zusammenzuhalten. Der Transit ist die Phase mit dem geringsten Risiko (trotz galaktischer kosmischer Strahlung und Sonneneruptionen), und Lebenserhaltungssysteme sind bei größeren Besatzungen effizienter. Wenn ein Modul während des Flugs ausfällt, gibt es keine Reservekapazität in anderen Modulen. Sie möchten auf jeden Fall alle Besatzungsmitglieder in einem Fahrzeug behalten. Sie möchten auch keine Cocktailpartys für Gäste aus anderen Modulen veranstalten.

  6. Vorpositionierte Frachten können auf effizienteren Flugbahnen gestartet werden, wodurch die Gesamtmissionskosten gesenkt werden.

TL;DR - Formationstransit erhöht die Kosten und senkt die Risiken nicht.

Man könnte spekulieren, dass mehrere Besatzungsfahrzeuge in Formation ein gewisses Maß an Ausfallsicherheit bieten würden. Nehmen wir an, 3 Fahrzeuge mit jeweils 50 % überschüssiger Besatzungskapazität. Wenn also bei einem Fahrzeug ein katastrophales Ereignis eintritt, könnte seine Besatzung zu den verbleibenden Fahrzeugen evakuiert werden. Dies wirft natürlich Fragen darüber auf, welche Art von Ereignissen einem Fahrzeug widerfahren könnten, um eine Evakuierung zu erfordern, während diese erfolgreich durchgeführt werden kann, und ob die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses die zusätzlichen Kosten und die Komplexität des Aufbaus und der Einführung einer Fahrzeugflotte rechtfertigen würde in eine Formation.
Warum um alles in der Welt würde eine vernünftige Person daran denken, eine Marsmission direkt von der Erdoberfläche aus zu starten? Montieren Sie stattdessen das Raumschiff im Orbit und lassen Sie es einer Shakedown-/Checkout-Phase unterziehen. Was mehrere Module betrifft, scheint es offensichtlich, dass ein großer Vorteil darin bestünde, zwei oder mehr Module zu haben, die sich am Ende von Kabeln (möglicherweise mit einem zentralen Servicekern) umeinander drehen, um eine künstliche Schwerkraft bereitzustellen.
@jamesqf - Wenn die Module angebunden sind, fliegen sie nicht mehr in Formation / Konvoi. Die Montage im Orbit führt zum Verdampfen der Treibmittel und zu einem erhöhten Missionsrisiko, falls ein Start fehlschlägt.
@Deer Hunter: Ich nehme an, ob angebundene Module ein Konvoi sind, ist eine Frage der Definition. Es scheint jedoch die einzige Möglichkeit zu sein, die notwendige künstliche Schwerkraft für eine Langzeitmission bereitzustellen. Die Montage im Orbit verringert tatsächlich das Startrisiko: Wenn der Start eines Moduls fehlschlägt, starten Sie einfach ein anderes. Was das Abdampfen von Treibmitteln betrifft, so werden Sie, wenn dieses Problem nicht gelöst wird, (es sei denn, Sie haben Treibmittelextraktionsanlagen auf Marsbasis) echte Probleme haben, Ihre Mission zurück zur Erde zu bringen.
@Anthony X Ihr Kommentar erinnert mich an die Parallele zur Zuverlässigkeitsanalyse. i) Zwei Elemente, die beide funktionieren müssen = geringere Systemzuverlässigkeit als ein Element aufgrund der erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit. ii) Zwei Gegenstände, von denen einer funktionieren muss = erhöhte Zuverlässigkeit. iii) wie (ii), aber mit einem Schalter zum Aktivieren des zweiten Elements = nicht so gut wie ii). Daher ist die Rettung ein bisschen wie der Schalter in iii) und hat eine Zuverlässigkeitszahl, die den Gewinn kompensieren kann (oder auch nicht, seien wir positiv).

Weltraum-"Konvois" werden, in meinen kühnsten Träumen, eines Tages außerordentlich häufig sein. Der Grund hat sehr wenig mit den traditionellen Vorteilen des gemeinsamen Reisens zu tun, dh Kameradschaft, Redundanz usw. Das Andocken von Raumfahrzeugen ist schwierig genug, um dies unpraktisch zu machen. Stattdessen werden Sie die Konvois als natürliche Folge der Orbitalmechanik sehen.

Um von der Erde zum Mars oder einem anderen Planeten zu gelangen, werden Sie wahrscheinlich eine Hohmann-Transferbahn benutzen .

Dies sind stark elliptische Umlaufbahnen, die sich weit ausdehnen, sodass Ihr Aphel die Umlaufbahn des Zielplaneten erreicht. Es ist sehr peinlich, etwas so Großes wie einen Planeten zu verpassen, also planen Sie einen Hohmann-Transfer, damit der Planet zur gleichen Zeit wie das Raumschiff in der Nähe Ihres Aphels ankommt. Die niedrigsten Delta-V/Schub/Treibstoff-Hohmann-Transfers treten in einem sich wiederholenden "Transferfenster"-Zyklus auf, der auf den Umlaufbahnen der Quell- und Zielplaneten basiert.

Für den Mars tritt das Low-Delta-V-Transferfenster alle zwei Jahre auf. Bei der Venus alle 15 Monate*.

Der Launch Window Planner von Alex Moon ist ein Startfenster-Rechner für das Kerbal Space Program, der dies schön veranschaulicht. Die Fahrt von Kerbin nach Duna kann nur 1,7 km/s Delta-V oder mehr als das Zehnfache der gleichen Reisezeit dauern, je nachdem, wann Sie Ihre Trans-Duna-Injektionsverbrennung durchführen.

Wenn wir eine wahrhaft raumfahrende Zivilisation werden, werden Sie wahrscheinlich viele Raumschiffe sehen, die in den Wochen vor einem Kolonietransferfenster zu LEO starten. Sie werden jedes Fahrzeug abschütteln und alle Knöpfe und Geräte vor ihrer langen Reise testen. (Hoffentlich tanken sie auch aus einem umlaufenden Depot auf.) Schließlich, wenn die magische Zeit näher rückt, werden Sie sehen, wie sie nacheinander jedes Licht ausschalten und langsam von Ihrem Fenster/Bildschirm/Teleskop verschwinden.

  • Überprüfen Sie den Wert für Venus, bevor Sie darauf schwören.
  • All dies ist strittig, wenn die EmDrive-Technologie um einige Größenordnungen skaliert werden kann.
Es könnte erwähnenswert sein, dass dies bereits bei der Mars Orbiter Mission (MOM) von ISRO und der MAVEN der NASA passiert ist , wobei letztere die erstere auf dem Weg zum Mars überholte und beide Orbiter weniger als 2 Tage voneinander entfernt am Mars eingesetzt wurden.
@TidalWave Die 64.000-Dollar-Frage lautet: „Ist es bei all dem Gerede über einen Roboteraufstand wirklich sicher, sie den ganzen Planeten für sich haben zu lassen?“
Wo kann ich den Scheck abholen, wenn ich darauf antworte? ;D
+1 (auch) für die Verwendung von KSP, um Ihren Standpunkt zu verdeutlichen. Dank dieses außergewöhnlichen Spiels ist die Orbitalmechanik jetzt für Spieler zugänglich.

Das Reisen durch den Weltraum in einer Reihe von Fahrzeugen, die relativ dicht beieinander auf derselben Flugbahn liegen, ist teuer und unnötig, wie Deer Hunter betont.

Aber zum Mars zu reisen, sagen wir, in einer Reihe von Schiffen, die weit voneinander entfernt sind, vielleicht sehr weit, könnte Sinn machen. Ein Fahrzeug konnte Personen transportieren, und die anderen konnten Vorräte oder Treibstoff transportieren. Sie könnten von mehreren verschiedenen Pads auf der ganzen Welt gestartet werden, was eine Möglichkeit wäre, die Kosten zu verteilen. Es könnte uns auch ermöglichen, die Kosten über die Zeit zu verteilen. Es könnte uns ermöglichen, vorhandene Raketenverstärker wie Delta oder Atlas zu verwenden, anstatt neue, leistungsstärkere zu entwickeln (wie die geplante SLS). Das Versorgungsschiff könnte Monate oder sogar Jahre im Voraus gestartet werden und langsame, billige Routen nehmen, während das bemannte Schiff möglicherweise die schnellstmögliche Reise unternimmt, um die Strahlenbelastung der Besatzung zu minimieren. Ich glaube, das ist tatsächlich ein Szenario für eine bemannte Reise zum Mars. Roboter könnten zuerst eintreffen, um das Habitat zu bauen, wahrscheinlich unterirdisch, damit die Leute schnell ankommen und einziehen konnten. Roboter würden auch anfangen, Treibstoff, Wasser, Sauerstoff, vielleicht sogar Nahrung zu produzieren, damit nicht alles von der Erde dorthin gebracht werden muss. (Andererseits, warum überhaupt Leute schicken?)

Ein weiterer Vorteil, zuerst Vorräte zu schicken, besteht darin, dass man den Erfolg der Versorgungsmission bestätigen kann, bevor man die Besatzung schickt. Der Antarktisforscher Ernest Shackleton plante eine transantarktische Mission, die die Vorräte eines anderen Teams nutzen sollte, aber das andere Team scheiterte an seiner Mission. zum Glück für Shackleton und seine Crew blieb ihr Schiff im Eis stecken und wurde zerstört, bevor sie die Antarktis durchqueren konnten; Wäre das nicht passiert, hätten sie sich wahrscheinlich in der Mitte des Kontinents wiedergefunden, in der verzweifelten Not nach nicht vorhandener Nahrung ...
...um ihre eigenen erschöpften Vorräte zu ersetzen. Natürlich scheint der Verlust seines Schiffes außerhalb der Antarktis kaum als "Glück" zu qualifizieren, aber trotz dieses Missgeschicks kamen alle Männer von Shackleton sicher nach Hause. Wenn sie gewusst hätten, dass die Versorgungsmission scheitern würde, hätten sich Shackletons Männer natürlich eine Menge Ärger ersparen können.

Interplanetare Startfenster

Die Effizienz interplanetarer Reisen - der benötigte Treibstoff und die benötigte Zeit - variiert aufgrund der Orbitalmechanik erheblich mit der Zeit. Das bedeutet, wenn wir von einer fernen Zukunft mit erheblichem Verkehr zwischen, sagen wir, Erde und Mars ausgehen, würden wir erwarten, dass die meisten Schiffe in einer Richtung in denselben wenigen Tagen gestartet werden, in denen die Reise effizient ist, und dann eine Pause einlegen viele Monate mit Fahrten, die nur bei absoluter Notwendigkeit durchgeführt werden, da sie viel mehr Treibstoff und damit ein anderes Schiff erfordern.

Und dennoch bedeutet ein Start im Abstand von einem Tag eine Entfernung in der Größenordnung von einer Million Kilometern. Nicht gerade eine enge Formation und keine Möglichkeit, sich zwischen den Fahrzeugen zu bewegen.
Dieses Szenario ist ein wichtiger Handlungspunkt im Heinlein-Roman „The Rolling Stones“.

Ein zusätzliches Risiko durch einen Konvoi: Wenn Sie einen bösen Schlag erleiden, bedeutet ein Konvoi, dass Trümmer wahrscheinlicher ein anderes Schiff treffen würden.

Auf der anderen Seite bedeutet ein Konvoi, dass Sie eine bessere Chance haben, jemanden aus einem beschädigten Raumschiff zu retten.

Raumfahrt im Konvoi, was sind die Vor- und Nachteile?
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