Warum ist Philae nicht mit einem Antriebssystem ausgestattet?

Lassen Sie mich die Antwort von @ Tildalwave etwas erweitern. Die meisten Lander auf luftlosen Körpern benötigen ein Antriebssystem, da sie sonst zu schnell landen würden. Aber das liegt nur daran, dass die meisten Landungen auf Objekten mit viel Gravitationsmasse durchgeführt wurden. Versuchen wir einfach herauszufinden, wie hoch die Fluchtgeschwindigkeit wäre. Wikipedia gibt uns die folgenden Hinweise, einschließlich einiger Kometeninformationen :

• Größe: 4 km Durchmesser
• Form: Unregelmäßig, aber ungefähr oval.
• Durchschnittliche Kometendichte: 0,6 g/cm^3

Okay, das ist nicht viel weiter zu machen, aber was können wir davon glänzen? Nun, nicht viel, aber versuchen wir einfach, eine Masse herauszufinden und dann der Geschwindigkeit zu entkommen. Hier sind die Zahlen, die dazu führen:

• Volumen: (Kugel mit 4 km Durchmesser)$3.4 \times 10^{16}$cm$^3$
• Masse:$2.0 \times 10^{13}$kg
• Fluchtgeschwindigkeit (2 km vom Massenmittelpunkt): 1,2 m/s

Okay, das ist eine ziemlich niedrige Fluchtgeschwindigkeit, zu Fuß würde es mehr als reichen, und Sie könnten leicht vom Kometen springen! Was müssten Sie also tun, wenn Sie aktiv versuchen würden, darauf zu landen?

1. Eine Art Radarsystem, um zu wissen, wie nah man dem Boden war
2. Antriebssystem

Diese nehmen Kraft und Masse und fügen viel Komplexität hinzu. Die Alternative ist, sich von Rosetta auf eine ballistische Flugbahn bringen zu lassen, die genau mit der Fluchtgeschwindigkeit landet. Es ist nicht schwer, einen Aufprall von 1 m/s zu absorbieren. Tatsächlich landete der Mars Phoenix Lander mit 2,4 m/s auf dem Mars, was dies noch realistischer macht.

Das Thruster-System macht das Ganze komplizierter. Der einzige wirkliche Vorteil wäre eine Art Abbruchfähigkeit und eine leicht verbesserte Landung von Rosetta, aber das ist ziemlich unbedeutend im Vergleich zu der zusätzlichen Komplexität der Mission. Das Delta v, das erforderlich ist, um von der Umlaufbahn auf die Ballistik zu wechseln, ist für Rosetta vernachlässigbar, und es erfordert sowieso bereits solche Fähigkeiten. Warum sich die Mühe machen, mehrere komplexe Systeme hinzuzufügen?

Tatsächlich hat Philae ein Antriebssystem. Wie in dieser verwandten Frage erläutert , verwendet das Active Descent System ein Kaltgas-Triebwerk , um den Lander bei Bedarf in Richtung des Kometen zu treiben.

Es braucht es nicht wirklich und es würde unnötig zu seiner Masse beitragen. Rosetta wird eine relativ langsame und wahrscheinlich stark elliptische Umlaufbahn um 67P/Churyumov-Gera einnehmen ... aaagh! Chury!, mit dem Perigäum nur etwa einen Kilometer davon entfernt. Die Umlaufbahn wurde jedoch noch nicht bestimmt, siehe meine verwandte Frage und die Antwort dort. Es wird wahrscheinlich nicht so lange dauern, bis Rosetta seine eigenen Beobachtungen aus nächster Nähe des Kometen übermittelt, und könnte sich sogar mit der Zeit ändern, da Koma, Schweife und allgemein seine Oberflächenaktivität während seines Vorbeiflugs näher an der Sonne zunehmen. Rosetta hat natürlich auch ein eigenes halbautonomes Kollisionsvermeidungssystem an Bord, das es ihr ermöglichen wird, auf Trümmer in ihrem Weg zu reagieren und ihre Flugbahn anzupassen.

Wie auch immer, solche elliptischen Umlaufbahnen lassen der Missionskontrolle viel Spielraum, um später (wenn die Rosetta im Orbit sein wird) zu entscheiden, an welchem ​​​​Punkt Philae auf seine ballistische Flugbahn entlassen wird. Ich vermute, dass diese Flugbahn von dem Punkt aus versucht wird, an dem Rosetta am Kometen vorbeifliegt, in die entgegengesetzte Richtung seiner Bewegung, um die Wahrscheinlichkeit von ankommenden Trümmern auf nahezu Null zu reduzieren. Der Lander hat auch eine Harpune (siehe den Dorn in der Mitte des Beinrahmens), die unmittelbar nach dem Aufsetzen auf den Kometen feuert, um sich daran zu verhaken. Zusätzlich hat jedes der drei Beine batteriebetriebene Eisschrauben zwischen den beiden gepolsterten Zahnrädern, um den Kometen und die Polster zusätzlich zu greifen, um die Kollision / Landung abzufedern:

   ^{Trainingseinheiten für den Kometenlander Philae (Quelle: DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt )}

Um Ihre Fragen direkter zu beantworten, wäre das Hinzufügen eines Antriebssystems unnötiges Gewicht. Der Philae-Lander wäre nicht in der Lage, mit seinem Attitude Control System (ACS), falls er eines an Bord hätte, schnell genug zu reagieren und möglichen Hindernissen auszuweichen. Stattdessen wird der Lander auf einen Kollisionskurs (oder eine ballistische Flugbahn, Ihre Wahl) mit dem Kometen mit einer ungefähren Geschwindigkeit von 1 m/s gebracht. Das heißt, ich würde sagen, eine höhere Relativgeschwindigkeit als die niedrigste erreichbare mit seinem Freisetzungssystem, und das resultierende kinetische Potenzial sollte ausreichen, um die Auswirkungen von Kollisionen mit kleineren Trümmern oder Druck im entgegengesetzten Vektor zu seiner Bewegung durch das Ausgasen zu negieren, wie Sie erwähnt haben. Die Masse des Landers ist im Sinne der Gravitation vernachlässigbar, trägt aber dennoch zu seiner Trägheitsmasse bei. Mit ein bisschen kluger Entscheidungsfindung von der Missionskontrolle, Sie sollten viele Möglichkeiten haben, den Touchdown zu sichern. Die Harpune, die weichen Pads und die angetriebenen Bohrer sollten den Rest erledigen, um sicherzustellen, dass der Lander dort bleibt, wo er gelandet ist.

Natürlich besteht die Möglichkeit, dass all dies schief geht. Eines der Hauptprobleme, die ich online gesehen habe, ist, dass der Lander selbst mit der Harpune und den Schrauben tief genug Risse erzeugt, damit ein Teil des Kometen, auf dem er gelandet ist, einfach vom Hauptkörper des Kometen absplittert. Das klingt nicht allzu ernst, da der Lander immer noch alle seine Experimente durchführen könnte (einige könnten jedoch weniger schlüssig werden, wie zum Beispiel das CONSERT-Kometenkern-Radiowellensondierungsexperiment), nur auf einem kleineren Stück des eisigen Felsens , aber es könnte dazu führen, dass sich der Lander vollständig von einem Stück der Kometenoberfläche löst, oder das abgebrochene Stück beginnt sich zu drehen, das Landegerät zwischen dem abgebrochenen Stück und dem Hauptkörper des Kometen zerquetscht und dazu führt, dass er seinen Halt daran verliert.

Ich denke, wir müssen abwarten und sehen, aber das Hinzufügen eines Antriebssystems hätte die Hauptbedenken, die ich über seine Erfolgschancen erwähnt habe, auch nicht gemildert. Tatsächlich würde es das Problem nur noch verstärken, da mehr Teile, die versagen könnten, und eine größere Masse des Landers seinen physischen Einfluss auf den Kometen erhöhen würden.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein unerwartetes Ereignis die Flugbahn von Philae verändert, ist vernachlässigbar. Ich vermute, dass die wahrscheinlichste Ursache dafür, dass es vom Ziel abweicht, ironischerweise eine Fehlfunktion des Antriebssystems oder ein Leck in einem Treibstofftank ist!

Ich bin mir nicht sicher, was Sie mit der letzten Frage meinen: "Ist die Masse von 100 kg auf der Erde und die unendlich kleine Schwerkraft von Chury ausreichend, um sicherzustellen, dass der Komet entlang der geplanten Flugbahn aufsetzt?", aber Philae ist mit Harpunen ausgestattet, um ihn zu verankern - ansonsten , selbst wenn es Triebwerke und Leitsysteme hätte, wäre es sehr schwierig zu verhindern, dass es vom Kometen abprallt.