Wie machen wir eine Hin- und Rückreise zum Mars?

Wenn die US-Regierung jemals wieder in Gang kommt, können Sie die Design Reference Architecture 5.0 (DRA 5) der NASA für bemannte Missionen zum Mars lesen. (Ich habe eine Kopie, aber ich sehe keine Möglichkeit, sie hier hochzuladen.) Hier ist eine Zusammenfassung .

Die Grundidee besteht darin, mehrere Saturn Vs oder gleichwertige zu verwenden und Teile der Mission aufzustellen. Einige Teile werden im Erdorbit zusammengesetzt, andere treffen auf der Marsoberfläche oder im Marsorbit aufeinander. Das Dokument zeigt Variationen, die sieben bis zwölf Ares V-Trägerraketen erfordern, wobei jede Ares V etwa 1,5 Saturn V entspricht. Bei der chemischen Antriebsvariante sind etwa 2/3 der Starts Raketenstufen mit Treibladung.

Um die Rückkehr einigermaßen machbar erscheinen zu lassen, werden einige Tricks angewendet. Erstens wird ein Mars-Orbit-Rendezvous verwendet, genau wie wir das Lunar-Orbit-Rendezvous für Apollo verwendet haben. Dann brauchen die Menschen auf dem Mars nur noch eine Rakete, die groß genug ist, um sie in die Marsumlaufbahn zu bringen, und eine Kapsel, in der sie nur Stunden oder Tage überleben müssen. Ihr Rückkehrfahrzeug im Orbit um den Mars, mit dem Treibstoff zum Verlassen des Mars und den Vorräten zum Überleben der Reise, musste nicht landen, was die erforderliche Masse erheblich reduzierte. Zweitens wird die Rakete auf dem Mars dort hauptsächlich mit Kohlenstoff und Sauerstoff betankt, die aus der CO ₂ -Atmosphäre gewonnen werden. (Sie bringen Wasserstoff, um daraus Methan zu machen.) Drittens gelangte das umlaufende Rückkehrfahrzeug in die Umlaufbahn um den Mars, indem es Aerocapture verwendete, viel Treibstoff durch eine Aeroshell ersetzte und etwas Masse einsparte.

Obwohl ich fragen würde: Warum müssen wir eine Möglichkeit bieten, zurückzukommen? Die Fähigkeit, zurückzukommen, macht ungefähr 2/3 der Missionskosten aus. Es wäre viel billiger, sie auf eine einfache Reise zu schicken und dann viel kleinere und kostengünstigere Nachschubmissionen durchzuführen, um sie auf unbestimmte Zeit am Leben und produktiv zu halten. An hochqualifizierten Freiwilligen werde es nicht mangeln.

Anstelle des NASA-Ansatzes, der ohne eine Änderung der Finanzierung in absehbarer Zeit nicht stattfinden wird, lassen Sie mich den SpaceX-Ansatz betrachten.

Durch die Kombination von ISRU-Technologien (In-situ-Ressourcennutzung, im Wesentlichen Off-Earth-Produktion von Kraftstoff) und Airbraking kann man enorme Kraftstoffeinsparungen erzielen.

Lassen Sie mich die Missionen ähnlich wie beim Kerbal Space Program beschreiben, beginnend mit dem Ende und Hinzufügen von mehr Stufen, mehr Boostern und schwereren Raketen, wenn man sich dem Start nähert.

Apollo war alles in einem:

1. Wiedereintritt und Landung auf der Erde: Airbraking; eine robuste Kapsel mit schwerem Hitzeschild, kein Treibstoff.
2. Rückkehr zur Erde aus der Mondumlaufbahn: ~ 1 km / s mit den oben genannten, plus einem Motor und einem Tank dafür. (auch das Antreiben des Aufstiegsfahrzeugs, Punkt 3., obwohl es unnötig war)
3. Mondaufstieg - Mondaufstiegsmodul. Ein kleines, leichtes, hauchdünnwandiges 2-Personen-Flugzeug mit ~1 km/s Delta-V, genügend RCS-Treibstoff und der Fähigkeit, die Kapsel im Mondorbit zu treffen.
4. Mondabstieg und Landung - eine Mondabstiegsstufe von ~1 km/s, die das Obige mit all seinem Treibstoff zu einem Aufsetzen auf weicher Oberfläche befördert. Auch Landebeine und ein Haufen Ausrüstung, die beim Aufstieg nicht benötigt werden.
5. Mondinsertion - Alles bisher mit etwa 1 km / s in eine niedrige Mondumlaufbahn bringen, unter Verwendung des Tanks und des Motors von (2.)
6. Mondtransfer - Antrieb wie oben von LEO, wieder derselbe Motor. Ungefähr 4 km/s. Dies wurde durch die letzte Stufe des Werfers mit der oben genannten Nutzlast in einer massiven Verkleidung ("Stufe IV / B") durchgeführt.
7. 8. und 9. Beenden des Orbitalaufstiegs mit der gleichen Beschleunigung wie 6 + auf nahezu Orbitalgeschwindigkeit mit Stufe II (zusammen mit einem Start-Fluchtsystem) und Anheben des Ganzen und Geben des ersten Kicks mit Stufe 1. Für insgesamt fast 10 km / s.

Jedes Mal, wenn Sie den nächsten Punkt erreichen, multiplizieren Sie die bisherige Masse, einschließlich des bisherigen Kraftstoffs, mit dem benötigten Delta-V, und Sie erhalten den Maßstab, die Größe und die Masse der nächsten (eigentlich vorherigen) Stufe. Wie Sie sehen können, wächst daraus der riesige Saturn V mit einer winzigen Kapsel am Ende. Nichts wiederverwendet. Der gesamte Treibstoff einschließlich der letzten Rückverbrennung wird den ganzen Weg getragen und angetrieben. Viele, viele vollständig entsorgbare Bühnen.

Jetzt versuchen wir dasselbe für die BFR-Mission zum Mars und zurück.

1. Landung auf der Erde. Angetrieben, unter Verwendung kleiner Drucktanks mit Kryokraftstoffen, die in BFS in seinen großen Tanks transportiert werden. Nur einige hundert m/s. obwohl das Fahrzeug groß ist und eine starke Hitzeabschirmung enthält.
2. Wiedereintritt in die Erde. Mit Airbraking, also frei (mit Hitzeschutz auf einer Seite der Rakete)
3. Eroberung der Erde. Airbraking, frei, wie oben.
4. Verlassen der Marsumlaufbahn und Mars-Erde-Transfer. Etwa 2,5 km/s aus den BFS-Haupttanks.
5. Auftanken im Marsorbit. Ein Start von 1-2 BFSs von der Oberfläche, um Treibstoff zum Rückkehrfahrzeug zu bringen, gefolgt von ihrer Rückkehr zur Marsoberfläche. Während das Rückgabefahrzeug kostenlos ist, verdoppeln oder verdreifachen Sie von nun an die Kosten für alles; Sie müssen sie zum Mars bringen!
6. Aufstieg zum Mars. Haupttanks mit Treibstoff aus Mars-In-situ-Ressourcen. Ungefähr 4 km / s, aber im Wesentlichen kostenlos, abgesehen von den Anschaffungskosten für die Ausrüstung. Vor diesem Schritt können die Tanks in allen Fahrzeugen leer sein, die einzige Masse, die bisher an die Oberfläche gebracht wurde, sind etwa 3 BFSs, kein Tropfen von der Erde hergestellter Treibstoff.
7. Marslandung - angetriebene, kleine Drucktanks, mehrere hundert m/s.
8. Mars-Wiedereintritt - frei, aerobraking.
9. Eroberung des Mars - kostenlos, aerobraking.
10. Erde-Mars-Transfer - etwa 4,5 km/s aus BFS-Haupttanks. (x3 Raketen)
11. Betankung der Erdumlaufbahn. Jetzt wachsen die Zahlen wirklich, denn wir brauchen ungefähr 6 BFR-Starts, um den gesamten Treibstoff für Punkt 10 zu bringen. Und sie können aufgrund des Abdampfens zeitlich nicht zu weit voneinander entfernt sein, also brauchen Sie eine Flotte von mindestens 9 von diese (3 zum Mars, 6 zum Auftanken). Vielleicht etwas weniger (Sie können die ersten neu starten, bis der vierte oder so die im Orbit befindlichen aufgetankt hat.) Dieser Schritt fügt also nichts hinzu, sondern multipliziert nur die nachfolgenden Schritte mit 7.
12. und 13 Ungefähr 9–10 km/s – Erdaufstieg und orbitale Einbringung, entweder mit Nutzlast für die Reise (Nahrung, Lebenserhaltung, Wissenschaft, Besatzung) oder nur Treibstoffnutzlast, aufgeteilt zwischen dem BFS und dem BFR-Booster (wiederverwendbar).

Und das ist es. Eine Marslandung bedeutet etwa 9 BFRs, von denen jeder etwa die Größe von Saturn V hat und wahrscheinlich ähnlich viel kostet. Der Unterschied besteht darin, dass alles entweder zurückgewonnen wird oder als permanente Infrastruktur zur weiteren Wiederverwendung am Zielort verbleibt. Nachdem Sie diese 9 BFRs gebaut haben, können Sie, wenn nichts abstürzt, so viele Missionen zum Mars schicken, wie Sie möchten, und sie kosten jeweils etwa 18 Tanks mit Methan und Sauerstoff in erschöpfbaren Ressourcen. In der Zwischenzeit sind von Apollo nur noch einige Museumsstücke übrig, die Sie nicht wiederverwenden werden.