Warum ein Mars-Orbital-Erd-Rückgabefahrzeug für die Probenrückgabe verwenden?

Der Plan der NASA sieht vor, zwei getrennte Missionen durchzuführen, um die Bohrkernproben nach Hause zu bringen, die der Perseverance-Rover entnehmen wird. Die Proben sollen von einer Landmission aufgenommen und in eine Umlaufbahn um den Mars gebracht werden. Dort werden die Proben an ein anderes Raumschiff andocken, das sie zur Erde bringt.

Warum nicht stattdessen zwei Starts in der Erdumlaufbahn andocken, damit genug Masse auf dem Mars gelandet werden kann, um die Proben sowohl aufzunehmen als auch nach Hause zu bringen? Starten Sie beispielsweise zuerst eine vollgetankte Oberstufe, die das Ding zum Mars bringen kann, und starten Sie dann das Fahrzeug zum Aufnehmen, Aufsteigen und Zurückbringen, um die beiden anzudocken. Wenn dieser Prozess fehlschlägt, kann ein neuer Versuch unternommen werden, ohne dass die Proben verloren gehen, die Perseverance mehrere Jahre lang sammeln wird.

Das Andocken in LEO ist mit Hunderten von Erfolgen zur Routine geworden, und ich denke, nur zwei Fehlschläge in der Geschichte. Aber ein autonomes Andocken im Marsorbit wurde noch nie versucht. Warum es auf die harte Tour versuchen?

Sie landen also den Treibstoff für die Rückkehr auf dem Mars und starten ihn dann zurück in die Marsumlaufbahn, wofür?
Bei der Eroberung des Südpols hier auf der Erde gingen die Entdecker ähnlich vor: Anstatt alle Vorräte mitzunehmen, kamen sie also mit der Hälfte am Südpol an und verbrauchten sie auf dem Rückweg zuerst startete eine Expedition, die 'Basen' hinterließ, kleine Vorratsdepots auf dem Weg ungefähr auf halbem Weg zum Pol, dann zurück - und beim nächsten Mal würden sie die Hälfte der Vorräte von den Basen verbrauchen, dann hinter der letzten Basis, die sie starten würden Neue blieben halb so groß, sodass sie, als sie den Pol erreichten, fast keine Vorräte mehr hatten.
Auf dem Rückweg erschöpften sie gerade die Basen, während sie mit leichtem Gepäck unterwegs waren und nur noch genug Vorräte hatten, um die nächste Basis zu erreichen.
@user3528438 Weil es einfacher und sicherer wäre, den kostbaren Marsschlamm nicht zu verlieren. 3 Milliarden Dollar werden in das Sammeln der Proben auf der Marsoberfläche investiert, also wäre eine weitere Investition von etwa einer Viertelmilliarde in zusätzliche Trägerraketen ein gutes Risikomanagement.
Ein weiteres Problem besteht darin, die Rakete unter Marsbedingungen nutzbar zu halten. Aufgrund der Ungewissheit des Landepunkts sollte es realistischerweise in der Lage sein, monatelang, wenn nicht länger, auf die Lieferung von Marsboden zu warten. Leider sind nicht so viele Details über die Architekturstudie von Mars Sample Return verfügbar. Aber nach künstlerischen Konzepten sieht es so aus, als ob die Aufstiegsrakete thermisch konditioniert werden sollte.
Wie könnten Andockstarts in der Erdumlaufbahn alles, was auf dem Mars passiert, unterstützen oder verhindern?
@SF. Interesse nur an "Auf dem Weg zurück ..." -> was Scott und sein Team getötet hat. Das Depot, das sie anstrebten, war zu kurz gesetzt worden (um etwa 20 Meilen aus dem Gedächtnis). Sie wussten das, aber wenn es dort gewesen wäre, wo es ursprünglich geplant gewesen wäre, hätten sie (sehr wahrscheinlich) gelebt. Die eigentliche Ursache [tm] war, dass sie (ohne ihr Wissen) auf dem Belastungsniveau Höchstleistung bei 8000 Kalorien/Tag benötigten und nicht so viel zu sich nahmen, sodass sie sich langsam zu Tode hungerten. | Es kann schwierig sein, dies in eine gute Metapher für die Rückführung der Mars-Probe umzuwandeln :-);.
@RussellMcMahon Deshalb darfst du das Rendez-vous nicht verpassen. Amundsen bewältigte seine Route ohne Probleme.
@SF. Jasch. Wenn Scott wüsste, was wir wissen ... . || Scotts übermäßiges Vertrauen in Arbeitskräfte und das Fehlen eines angemessenen Verständnisses des Kalorienbedarfs machten im Vergleich zu Amundsens Ansatz den (oder einen) fatalen Unterschied. Sogar das Support-Team, das Scott auf halbem Weg begleitete und dann (wie geplant) zurückgeschickt wurde, wäre um Haaresbreite gestorben. Eine erstaunliche Geschichte. || Bekannt genug: Ein Mitglied, das mit dem Support-Team umkehren sollte, wurde stattdessen in die Polarparty aufgenommen - und somit sowohl den Pol erreicht als auch starb.

Antworten (2)

Earth Orbit Rendezvous ist eine Methode zur Anwendung roher Gewalt. Mars Orbit Rendezvous verbessert tatsächlich die Effizienz, möglicherweise um einiges.

Eine Probenrückgabe zum Mars (oder, was das betrifft, eine direkte bemannte Mission zum Mars) muss der Reihe nach Folgendes tun:

  1. Start von der Erde (*)

  2. Begeben Sie sich auf eine Transferbahn zum Mars (*)

  3. Landen Sie mit einem bereitstehenden Aufstiegsfahrzeug auf dem Mars

  4. Starten Sie vom Mars und gelangen Sie mindestens in die Marsumlaufbahn (*)

  5. Begeben Sie sich in die Transferbahn zur Erde (*)

  6. Entweder auf der Erde landen oder im Erdorbit geborgen werden.

Die markierten Gegenstände erfordern absolut eine beträchtliche Menge an Delta-V - jedes Fahrzeug, das dies tut, mit gegenwärtiger oder naher Zukunftstechnologie, wird hauptsächlich Kraftstoff sein und mindestens eine Masse haben, die mehrere Male so groß ist wie ihre Nutzlast . Dies ist die Tyrannei der Tsiolkovsky-Raketengleichung.

Die Positionen 0 und 3 brauchen unbedingt eine Hochschubrakete, was heute leider chemischen Treibstoff bedeutet, was im Verhältnis zu den Nutzlasten einen abgrundtiefen spezifischen Impuls und enorme Booster bedeutet.

Earth Orbit Rendezvous bietet eine Methode, um ein sehr, sehr großes Raumschiff in der Erdumlaufbahn zusammenzubauen, wenn Sie keinen Booster haben, der groß genug ist, um es in einem Stück zu starten. Dies impliziert mindestens zwei teure Starts von Schwergut-Boostern, und wir haben heute einige ziemlich schwere Schwergut-Booster und werden in Zukunft einige noch schwerere (Starship, SLS) haben.

Eine leichte Komplikation besteht darin, dass wir beim Senden unbemannter Raumfahrzeuge zu anderen Planeten häufig den Booster verwenden, um den Anfangsimpuls in ihre Transferbahn zu liefern (die Nutzlast ist viel geringer als die maximale Nutzlast des Boosters zu LEO), anstatt sie von LEO zu fliegen zu lassen ihr Ziel aus eigener Kraft. Dies ist jedoch meist nur ein Betriebsdetail.

Aber schauen wir uns diese Liste von Manövern an. Die Rakete für den Transfer zur Erde (Nr. 4) ist etwas ziemlich Wesentliches (mindestens ein Mehrfaches der Masse der zur Erde gelieferten Nutzlast) und wird für die Aufgaben 2 und 3 nicht benötigt.

Wenn wir in die Marsumlaufbahn starten und dann das Marsaufstiegsfahrzeug über Bord werfen und an ein Erdrückkehrfahrzeug andocken, dann können sowohl das Erdrückkehrfahrzeug als auch das Marsaufstiegsfahrzeug ungefähr das gleiche Gewicht haben: ein Vielfaches der Nutzlast, die zur Erde geht.

Wenn wir eine inszenierte Rakete bauen, um in die Marsumlaufbahn zu starten, die das Erdrückkehrfahrzeug trägt, und dann das Erdrückkehrfahrzeug abzünden, um zur Erde zurückzukehren, muss das Marsaufstiegsfahrzeug ein Mehrfaches der Nutzlast sein, die zur Erde fliegt. Das ist VIEL mehr – besonders wenn „mehrere“ eher 10 als, sagen wir, 3 entspricht.

Sie können darauf wetten, dass eine größere und schwerere Rakete auch die Landung erheblich erschwert und die Kosten dafür erhöht, dass sie überhaupt zum Mars gebracht werden.

Gute Antwort und gut geschrieben. Der Mars Orbit Rendezvous-Ansatz spiegelt den Lunar Orbit Rendezvous-Ansatz wider, den das Apollo-Programm nach Anerkennung der Masseneinsparungen übernommen hat.
Ich würde gerne eine etwas bessere Berechnung sehen, wie viel mehr Delta-V oder Treibstoffmasse erforderlich wäre, um das vollständige Erdrückkehrfahrzeug auf dem Mars zu landen, anstatt das Erdrückkehrfahrzeug in der Marsumlaufbahn zu halten. Ist es wirklich näher an 10 als 3 mal "zum Quadrat" mehr? Das sowjetische Weltraumprogramm konnte in den 1970er Jahren Proben direkt vom Mond zurückbringen. Die Oberflächengravitation des Mondes beträgt 0,16 der der Erde, auf dem Mars 0,37. Würden dafür nicht zwei Falcon-9-Raketen ausreichen?
@LocalFluff Ich muss ein paar Berechnungen anstellen. Dies führt zu vielen Annahmen, hauptsächlich über die Trockenmasse verschiedener Objekte. Die Zahl zum Quadrat ist die Kraftstoffmasse oder die Gesamtmasse des Fahrzeugs, nicht Delta-V. Es ist erwähnenswert, dass das Boosten in den Orbit und dann bei einem Transfer möglicherweise etwas Delta-V verschwendet.
@LocalFluff, was genau machst du mit diesen beiden Falcon-Raketen?
@ikrase Was die NASA jetzt mit ihren beiden Falcon 9-Raketen vorschlägt, aber in der Erdumlaufbahn statt in der Marsumlaufbahn. Das sowjetische Raumfahrtprogramm könnte mit einem einzigen Start Proben vom Mond zurückbringen.
@LocalFluff über diesen einzelnen Start: space.stackexchange.com/q/36677/6944 Es wurde nicht einmal geführt . Beeindruckend.
Ah ja; Die Umweltschützer wollen nicht, dass wir en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_(nuclear_propulsion) Ol' Boom Boom verwenden, damit wir nicht energieeffizient sein können.
@Joshua Ich bin selbst eher ein Typ für Atomraketen mit Gaskern, Project Orion ist vieles, aber energieeffizient ist es nicht.
@ikrase: Wir haben das noch nicht am Laufen. :( Aber fast jede nukleare Methode schlägt die chemischen Raketen, die wir verwenden.
@Joshua Orion ist nicht energieeffizient. Es bringt einfach so viel Energie mit sich, dass es gar nicht sein muss.
@LocalFluff Was Sie vermissen, ist, dass die Kosten für zusätzliches Delta-V exponentiell sind . Sie sehen ein absolutes Minimum von 3.800 m/s, um den Mars zu verlassen, und weitere 2.500 m/s, um nach Hause zu kommen. 10x klingt für die Kosten ganz vernünftig.

In dieser Frage habe ich vorgeschlagen, dass die Höhenforschungsrakete SS520-5 auf den ersten Blick etwa 5 kg von der Marsoberfläche auf eine Flugbahn bringen könnte, um die Erde zu treffen. Diese Rakete (eine dreistufige Feststoffrakete) wiegt beim Start 2,6 Tonnen. Lassen Sie uns die ziemlich große Annahme machen, dass ich keine Probleme übersehen habe (jemand hat bereits die Erkältung als Problem vorgeschlagen). Dann müssten Sie auch eine Art leichte Version der Startschiene und der zugehörigen Systeme landen, die normalerweise mit einem SS520 verwendet werden. Auf der Erde ist das eine Wagenladung Zeug, aber seien wir sehr optimistisch und sagen wir, wir können es auf 1,4 Tonnen herunterbringen, was 4 Tonnen ergibt, die wir brauchen, um auf der Marsoberfläche zu landen.

Wenn wir rückwärts arbeiten, müssen wir das in ein Hitzeschild und ein Landesystem einwickeln. Für Curiousity wies dieses System etwa die dreifache Masse der Landefähre auf, also lassen Sie uns wieder optimistisch – große Dinge auf dem Mars zu landen ist schwierig – das gleiche Verhältnis anstreben, also brauchen wir 16 Tonnen, die in die Mars-Transferumlaufbahn gebracht werden . Dies liegt eigentlich gerade innerhalb der Kapazität einer Falcon Heavy, einer Rakete, die nicht verfügbar war, als diese Missionen entworfen wurden, aber es gibt nicht viel zu entbehren.

Vorwärts arbeitend, muss unsere 5-kg-Nutzlast alle Flugbahnkorrekturen auf dem Weg zur Erde, Kommunikation und Energie für die Reise, einen Wiedereintritt mit Fluchtgeschwindigkeit und eine Art Landung sowie Nutzlast bewältigen, alles in einem Massenbudget von etwa 1/ 3 von dem, was die Marco Cubesats hatten.

Das von Ihnen entworfene Missionsprofil verstößt also nicht gegen die Gesetze der Physik und erfordert nicht einmal ein Earth Orbit Rendezvous, obwohl das vielleicht ein paar mehr kg kostet, aber es würde neue und unerprobte Technologie erfordern, um eine Multitonne zu landen Raumfahrzeug auf dem Mars und dann eine 5-kg-Nutzlast zu bauen, die in der Lage ist, alles Nützliche unversehrt zur Erde zurückzubringen. Das Marsorbit-Rendezvous sieht für mich viel weniger riskant aus.

Es ist definitiv ein deutlich kleineres Raumschiff, wenn Sie Ihren Mars-Erde-Transfertreibstoff nicht mit Ihrem Aufstiegsfahrzeug landen müssen, obwohl ich nicht umhin zu glauben, dass es nützlich wäre, etwas deutlich Größeres als Übung auf der Marsoberfläche zu landen Laufen Sie für ein bemanntes Mars-Aufstiegsfahrzeug.
Warum ein Mars-Orbital-Erd-Rückgabefahrzeug für die Probenrückgabe verwenden?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v