Wie kann Aerobraking verwendet werden, um ohne Landung in eine hohe Umlaufbahn zu gelangen?

Die Idee beim Aerobraking besteht normalerweise darin, Folgendes zu tun:

1. Lassen Sie Ihre orbitale Einfügung wie gewohnt brennen, aber anstatt den ganzen Weg in Ihre endgültige Umlaufbahn zu verlangsamen, verlangsamen Sie gerade genug, um vom Planeten eingefangen zu werden. (Diese Verbrennung wird in der Nähe des Planeten ausgeführt, wobei der Oberth-Effekt verwendet wird, um die erforderliche Treibstoffmenge zu reduzieren.) Sie landen in einer stark elliptischen Umlaufbahn mit Periapsis (dem niedrigsten Punkt) in der Nähe des Planeten.
2. Machen Sie auf jeder folgenden Umlaufbahn eine kleine Korrekturzündung an der Apoase (höchster Punkt). Das Bodenteam berechnet, wie tief das Raumschiff sicher in die Atmosphäre fliegen kann, und berechnet die Korrekturverbrennung, um die Periapsishöhe entsprechend anzupassen. Bei jedem Durchgang durch die Atmosphäre verlangsamt Sie der Widerstand leicht und verringert Ihre Apoapsis-Höhe.
3. Wenn Sie die richtige Apoasenhöhe haben, machen Sie eine Verbrennung an der Apoase, um die Periapsis wieder aus der Atmosphäre zu holen.

Das bringt das Raumfahrzeug mit wesentlich weniger Treibstoff in eine niedrige Umlaufbahn des Mars, als für den direkten Eintritt in diese Umlaufbahn erforderlich wäre. Beachten Sie, dass Schritt 1 optional ist: Sie können tatsächlich die Atmosphäre zum Einfangen in die Umlaufbahn verwenden, aber dies ist eine ziemlich fortgeschrittene Version des Aerobremsens namens Aerocapture. Es wurde noch nicht versucht, sowohl wegen der erforderlichen Präzision als auch wegen der Belastung des Raumfahrzeugs.

Der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) war ein Beispiel für ein Raumschiff, das auf dem Mars Aerobraking einsetzte. Seine ursprüngliche Umlaufbahn betrug 300 km x 45.000 km (Periapsishöhe x Apoapsishöhe). Es folgte dann einer langen Zeitspanne von Aerobraking-Manövern über einen Zeitraum von etwa sechs Monaten und senkte seine Umlaufbahn auf 250 km x 316 km. Beachten Sie, dass wir mit besserer Kenntnis der Marsatmosphäre geringere Einbrüche vornehmen können, wodurch die Dinge schneller werden.

Hier ist eine grobe Darstellung, wie sich die Umlaufbahn von MRO während des Aerobraking-Vorgangs geändert hat:

Aerobraking hebt die Periapsis nicht an, aber das Manöver zum Anheben der Periapsis ist nicht so kostspielig - insbesondere wenn man bedenkt, wie viel Kraftstoff insgesamt gespart wird. Im Allgemeinen kann Aerobraking einem Raumfahrzeug nur Energie entziehen, was es unmöglich macht, eine Umlaufbahn anzuheben (was eine Erhöhung der Energie erfordert).

Die "hohe Marsbahn", auf die Bezug genommen wird, ist eine elliptische Umlaufbahn mit einer niedrigen Periapsis und einer hohen Apoapsis. Normalerweise sehe ich so etwas wie eine Umlaufbahn von einem Tag. Die Idee ist, die Treibstoffmenge zu reduzieren, die benötigt wird, um den Mars zu verlassen und zur Erde zurückzukehren, was jedoch das Mars Ascent Vehicle stärker belastet, das nun diese stark elliptische Umlaufbahn erreichen muss. Es ist ein allgemeiner Massenhandel, der dazu neigt, elliptische Orbit-Rendezvous für chemische Systeme zu bevorzugen, insbesondere wenn die Komponenten ähnliche Erdabgangsmassen haben sollten. (Ich glaube jedoch nicht, dass dies so passieren wird, da wir sehr wahrscheinlich elektrische Antriebssysteme verwenden werden, die ein Rendezvous in einer niedrigen Marsumlaufbahn begünstigen werden.)

Das Aerobraking zur Unterstützung des Einfangens in die Marsumlaufbahn aus einem hyperbolischen Anflug wird als Aerocapture bezeichnet. Ja, eine Aerocapture funktioniert ganz gut, um in eine elliptische Umlaufbahn einzufangen. Sie möchten jedoch nicht, dass es so elliptisch ist, dass Ihre Aerocapture-Unsicherheit dazu führen könnte, dass es überhaupt nicht erfasst wird und am Mars vorbeifliegt. Das wäre schlecht.

Nach dem Aerocapture-Ereignis muss an der Apoapsis ein Antriebsmanöver durchgeführt werden, um die Periapsis anzuheben und einen zweiten atmosphärischen Eintritt zu verhindern. (Oder passen Sie es zumindest an, im Falle eines hohen Aerobraking-Passes, um die Umlaufzeit fein abzustimmen.) Dieses Manöver ist klein.