Training für die bemannte Marslandung
Früher hieß es wir brauchen die ISS um uns auf die Marslandung vorzubereiten. Nachdem sich herumgesprochen hat, dass dem nicht so ist, will ich mal einen Plan skizzieren wie man für eine bemannte Marslandung trainieren können. Ich will mal folgende Eckpunkte anreisen, die wir vielleicht vor der ersten bemannten Marsexpedition klären sollten:
- Wie ist die Strahlenbelastung über die fast drei Jahre, in denen man sich außerhalb des Erdmagnetfelds befindet?
- Können wir die Besatzung über so lange Zeit versorgen?
- In welchem Zustand ist die Besatzung nach dieser Zeit unter reduzierter oder gar keiner Schwerelosigkeit?
- Erprobung der gesamten Ausrüstung soweit möglich
Auf der anderen Seite soll das Risiko minimiert werden, also wenn ein wichtiges System ausfällt, die Vorräte nicht reichen oder die Besatzung strahlenkrank wird, sollten wir schnell wieder zur Erde zurückkehren.
Nun mit der ISS kommen wir da nicht sehr weit. Zum einen geht das schon mit der Position los: sie ist ja noch innerhalb des Erdmagnetfelds, dass uns vor den meisten kosmischen Strahlen schützt. Daneben ist es recht schwer in Schwerelosigkeit Arbeiten auf dem Mars zu trainieren.
Aber wir haben den Mond vor der Haustür und in der Tat gibt es einige Parallelen:
- Er hat eine reduzierte Schwerkraft, sogar noch stärker als die des Mars (man kann dies ausgleichen indem man die Raumanzüge schwerer macht).
- Man kann nur mit einem Raumanzug das Labor verlassen
- Wir können dort genauso Bodenproben untersuchen und Expeditionen machen
Was den Mond vo, Mars unterscheidet ist die Dauer des Tag/Nachtzyklus und die Temperaturen. Es wird am Tag heißer und in der Nacht kälter und es ist 14 Erdtage lang 14 Erdtage lang Nacht. Doch das kann man ausgleichen. Die Temperaturextreme sind nicht so wesentlich bei der Arbeit draußen, da für gibt es sowieso die Raumanzüge. Ob diese -70°C oder +100°C abhalten müssen – beides ist gleich viel von unserer Wohlfühltemperatur von +20°C entfernt. Zur Temperaturregelung in den Labors kann man die Labors mit Regolith bedecken und so die Unterschiede ausgleichen. Dazu gibt es natürlich noch künstliches Licht und Heizung (RTG). Die Besatzung wechselt zwischen Expeditionsschichten (am Mondtag) und Analysenschichten (in der Mondnacht) ab. Auf dem Mond können wir so ziemlich die ganze Ausrüstung für den Mars erproben, auch die Verfahrensweisen.
Was wir nicht erproben können ist die Landung, außer den letzten Teil weil die Atmosphäre fehlt.
Dann gibt es noch die interplanetare Reise zum Mars. Die dauert je nach Konstellation zwischen 200 und 270 Tagen. Auch das kann man simulieren. Man muss nur nicht die Besatzung auf der direkten Route zum Mond schicken. Langsam beschleunigt, mit Ionentriebwerken spart man zum einen Treibstoff ein, und zum andern kann man die Reise so simulieren. Daneben erhöht es die Nutzlast. Die Besatzung würde wie bei einer Marsmission in einer kleinen Raumstation langsam zum Mond gebracht werden, dort in einen Orbit einschwenken und in einen Mondlander umsteigen, um bei der Forschungsstation zu landen. Diese kann man vorher auf dem gleichen Wege zum Mond befördern, also mit Ionentriebwerken bis in die Mondumlaufbahn und dann chemisch abgebremst auf die Mondoberfläche.
Was macht man bei Problemen? Nun dann sollte man schnell zurück kommen. Der einfachste Weg ist es eine kleine Kapsel wie sie gerade für CCDev entwickelt wird mitzuführen, verbunden mit einer Stufe mit lagerfähigem Treibstoff. Eine Geschwindigkeitsänderung von 1.500 m/s reicht aus um aus jeder kreisförmigen Erdumlaufbahn eine elliptische mit einem Perigäum von 100 km Höhe zu machen. Das Maximum von 1492 m/s tritt in rund 32500 km Höhe auf. Danach sinkt der Geschwindigkeitsbedarf ab. Beim Mond sind es nur noch 1000 m/s. Ein Servicemodul mit einem ausreichenden Treibstoffvorrat könnte die Besatzung in spätestens 3 Tagen wieder zur Erde zurückbringen.
Selbst die Kommunikationsverzögerung kann man nachbilden, ohne tricksen zu müssen. Wir müssen nur die Landung auf der Mondrückseite durchführen und die gesamte Kommunikation über einen Satelliten abwickeln. Dann gibt es keine direkte Funkverbindung mehr und die gewünschte Verzögerung ist sogar justierbar, wenn der Satellit seine Umlaufbahn anpasst (mondnah bei großer Verzögerung, mondfern bei kleiner). Ein Satellit in einer 200 km Umlaufbahn hat z.B. eine Umlaufsdauer von 127 Minuten. Durch die nahe Umlaufbahn ist er auch nur kurz über dem Landeort. Je höher die Umlaufbahn, desto mehr davon ist im Sichtbarkeitsbereich der erdgebunden Stationen und desto länger gibt es Funkkontakt. Natürlich kann man auch dies einfach mit dem Store and Forward Prinzip simulieren.
Wie könnte es aussehen? Nun ich nehme mal als Basis eine Rakete mit 100 t Startmasse. Bei einer Reisedauer von 230 Tagen, einem Δv von 6,5 km/s (worst case), Solarzellen mit 809 W/m² für den Betrieb der Ionentriebwerke und deren spezifischem Impuls von 4500 s kommt man auf folgende Rechnung:
- Rettungs/rückkehrkapsel: 5 t (Dragon: 4,2 t + Lebenserhaltungssystem für 3 Tage)
- Servicemodul: 4,1 t / 0,5 t
- 25,5 t Treibstoff, 3,8 t Tanks
- 6 t Triebwerke und Strukturen
- 26,3 t Solargenerator
- 29,3 t für Wohnmodul/Vorräte etc.
Bei reinen Frachttransporten kommen rund 39 t in der Mondumlaufbahn an, wenn man sich mehr Zeit lässt wird die Nutzlast höher. Bei 300 Tagen sind es z.B. schon 46,5 t.
Die Landung auf dem Mond kostet Treibstoff. Bei einem Δv von 2,3 km/s (Apollo-Vorgabe) würden von 100 kg noch 40 kg Nutzlast (ohne die ausgebrannte Abstiegsstufe) auf dem Mond abgesetzt werden. Aber bei der Landung auf dem Mars dürften von 100 t im Erdorbit im günstigsten Fall auch nur 25-28 t übrig bleiben. Beim Einbremsen in den Marsorbit und beim Start zurück sieht es sogar noch schlechter aus, genauso beim rückstart vom Mars sodass in der Summe man für den Aufbau einer Mondstation in etwa genauso viele Flüge braucht.
So könnte es aussehen:
- Flug 1: Wohnmodul auf den Mond (15,6 t)
- Flug 2: Labormodul auf den Mond (15,6 t)
- Flug 3: Ausrüstung zum Mond (15,6 t)
- Flug 4+5: Vorräte (für 500 Tage, 3 Astronauten, 14,6 kg/Tag wie bei der ISS)
- Flug 6: Mondlander / Rückkehrstufe in den Mondorbit (39 t), daran angebracht weitere Ausrüstung
- Flug 7+8 Ministation für die Reise zum Mond und Zurück, Rettungsraumschiff und Vorräte (78 t in Mondorbit, davon 21 t Vorräte)
Das sind 800 t im Erdorbit, aufgeteilt in 8 Flüge einer SLS. Das ist in etwa auch das was für Marsmissionen veranschlagt wird. Gelingt es, den Verbrauch deutlich zu reduzieren (für drei Astronauten braucht man rund 43 t Vorräte für eine 985 Tage Marsmission, wenn man die ISS Zahlen zugrunde liegt), dann sieht es deutlich günstiger aus.
Die zweite und alle folgenden Expeditionen kommen mit 5 Flügen aus, dabei wird es wenn man die Vorräte in Modulen wie dem MPLM verpackt mit der Zeit sogar deutlich mehr Wohnraum geben, da diese nach Verbrauch der Vorräte leer sind.
So gesehen macht die Rückkehr zum Mond wirklich Sinn, zumal wir ja noch keine echte mondbasis haben auf der Mondrückseite ist auch noch niemand gelandet. Nur muss man das dann wie eine Marsmission aufziehen. Eben nicht wie Bush mal Apollo-Equipment nachbauen und Missionen von einigen tagen oder Wochen planen.
Wenn man es so aufzieht kann man das meiste simulieren, man kann notfalls in 3 Tagen zurückkommen. Was noch erprobt werden muss sind sehr große Hitzeschutzschilde für den Mars um große Module landen zu können. (Grund für das Skycrane Verfahren bei Curiosity war ja auch, weil man sonst den Rover nicht hätte absetzen können, es gibt in der Kapsel, obwohl sie doppelt so groß wie die letzte ist, einfach zu wenig Platz, denn sie hat eine ungünstige Doppelkegelform. Doch dass kann man auch unbemannt mit Ausrüstung oder Gewichten testen.
Was machen die Astronauten? Nun auf dem Weg zum Mond recht wenig. Immerhin dürfen sie 240 Tage lang die Däumchen drehen, aber das würden sie bei eine, Trip zum Mars aus. Am Mond angekommen würden sie zuerst einmal einen Bulldozer in Betrieb nehmen und damit Regolith über ihre Quartiere und die Vorräte kippen, damit diese nicht so extremen Temperaturen ausgesetzt sind. Regolith, feiner Staub aus tausenden von Mikrometeoriten hat wie feine Vulkanasche nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit. eine dicke Schickt schützt so vor Temperaturschwankungen und senkt das Risiko das von den kosmischen Strahlungen ausgeht. Danach nehmen sie die Behausungen und Geräte in Betrieb. Während des Mondtages wären längere Exkursionen möglich, z.B. mit einem Mondmobil mit Schlafkojen in Wohnwagenform. Ein solches würde man wohl auch auf dem Mars einsetzen, denn sonst wäre der Aktionsradius auf wenige Kilometer begrenzt. Nach 14 Tagen kommen sie zur Wohnung zurück. Nun können sie ausruhen und in Ruhe Bodenproben untersuchen, katalogisieren oder Werkzeug warten – es ist 14 Tage lang Nacht.
Nach rund 500 tagen geht’s dann zurück zur Erde. Der Lander wird mit Bodenproben beladen, er koppelt an die Transferstation mit der Kapsel im Mondorbit an und wiederum dauert es 240 Tage bis man wieder in einer niedrigen Umlaufbahn angekommen ist. Dort koppelt die Kapsel ab, zündet ihre Triebwerke und die Besatzung landet wie bei einer ISS Mission. Das Raumschiff im Erdorbit könnte man erneut verwenden, sodass man für die zweite Mission nur 436 t anstatt 800 t benötigt.
In der Summe wäre es die wohl risikoloseste Trainingsmethode und vieles kann dort schon getestet werden und muss nur für eine Marsexpedition nochmal gebaut werden, so die gesamte Ausrüstung auf dem Mond und das Transfermodul. Der wesentliche Zusatzaufwand besteht nur darin einen Mondlander wie das LM zu entwickeln um die Astronauten zu transferieren und auf Basis dessen Abstiegsstufen für die unbemannten Teile die man auch weich absetzen muss. Würde man wie zu Apollo Zeiten vorgehen und sich langsam an die Aufgabe herantasten (Apollo 7: CM/SM im Erdorbit testen, Apollo 8, CM/SM im Mondorbit testen, Apollo 09 : LM im Erdorbit testen Apollo 10: LM im Mondorbit testen Apollo 11: Landung) so wird man fast zwangsläufig auf den Mond als trainingsplatz kommen. Doch heute denke ich ist man nicht so geduldig.
Was könnte man mit der ISS machen? Nun eine Sache kann man klären. Überstehen die Leute den Trip gesundheitlich. Also zuerst mal einige Astronauten zuerst 240 Tage auf der ISS behalten, dann für 500 Tage zur Erde und dann nochmals 240 Tage auf die ISS und man hat eine Vorstellung wie sie am Ende gesundheitlich dastehen. Noch optimaler wäre natürlich ein Aufenthalt über die vollen 900-1000 Tage an Bord der ISS. Wenn sie dann nicht mehr alleine aus der Kapsel rauskommen oder bei der Landung sich Knochen gebrochen haben, dann weiß man wenigstens, dass es nix ist mit der Marsexpedition.
Warum das keiner macht? Weil man schon von früheren Rekorden von Kosmonauten weiß, wie es ausgeht: nach derzeitigem Stand der Wissenschaft werden die Astronauten nach 240 Tagen selbst bei intensivem Training auf der Erde alleine nichts machen können, dazu haben sie zu viel Muskelmasse verloren. Ob es auf dem Mars noch geht (bei 40% unserer Schwerkraft) – ich bin skeptisch, denn der Raumanzug und das Überlebenspack kommen ja an Extragewicht noch dazu.
Wie sähe denn die Rechnung aus, wenn man für die Reise zum Mars eine Geschwindigkeit wählt, die das Raumschiff in sagen wir 30 Tagen zum Mars bringt.
Wie groß wäre die Geschwindigkeit und welche Massen müssten Transportiert werden.
Immerhin muss man aus dem Erdorbit beschleunigen und ins Marsorbit einbremsen.
Und für die Rückreise müsste nochmal ein „Tanklaster“ in den Marsorbit gebracht werden. (Dessen Hinreise kann ja im Hohman-Transfer passieren).
Bernd
Das kann ich mit meinen Formeln für die Reisezeit nicht berechnen. Mit parabolischen Geschwindigkeiten kommt man auf knapp 70 Tage, dann wird die Geschwindigkeit hyperbolisch und ein Ausdruck unter der Wurzel negativ. Immerhin bei 70 Tagen ist man am Mars 14 km/s zu schnell, muss mit 16,5 km/s von der Erde Starten (bei Niedrigenergiebahnen: <1 km/s und 3,4 km/s) was definitiv nicht heute möglich ist, auch nicht mit nuklearen Triebwerken
Vor einigen Jahren hab ich mit einem Mediziner bei der DLR geprochen. Er war damit befasst medizinische Daten der russischen (langzeit) Missionen/Besatzungen auszuwerten. Nach seiner Ansicht wären Astronauten bei der Ankunft auf dem Mars in einem so schlechten Gesundheitszustand, daß sie sofort auf eine Intensivstation gehörten.
Als vorbereitende Maßnahme halte ich daher die Simulation von Gravitation für sehr wichtig um dem Muskel- und Knochenschwund entgegenzuwirken. Es gibt ja schon die Idee eines rotiernden Raumschiffes und ähnliches. Vielleicht könnte man auf der ISS auch eine kleine Zentrifuge testen, in der sich ein Astronaut zum schlafen oder für bestimmte Zeit aufhält. Ich halte jede weitere Detailplanung für hinfällig,ja sogar realitätsfremd, wenn da keine Lösung gefunden wird.
Ein Zentrifugenmodul war ja für die ISS vorgesehen, wurde dann aber doch nicht gestartet.
http://de.wikipedia.org/wiki/Centrifuge_Accommodations_Module
Auf der einen Seite recht großfressige Versprechen wie die mögliche Landung einer Dragon-Kapsel auf dem Mars (und wie soll die Besatzung zurückkommen?), auf der anderen Seite werden die selbst die grundlegendsten Forschungen für bemannte Marsflüge gestrichen.
Die Zentrifuge dort war aber für die Forschung und kleine Proben von Setzlingen oder ähnlichem. Wenn Du Menschen 1:10 verkleinern kannst wäre es natürlich auch gegangen….
Zentrifuge 10:1 vergrößern?
@Dragon auf den Mars:
Das war Zubrin und den kann man leider inzwischen nicht mehr ernst nehmen.
Bernds Idee finde ich aber persönlich interessant. (Zubrin ist übrigens bis heute ein eklantanter Gegner des „umwegs über den Mond“, wobei er da schon in „The Case for Mars“ ziemlich fadenscheinige Argumente von sich gegeben hat.
Ach ja, @Zentrifuge:
http://en.wikipedia.org/wiki/Nautilus-X
Da gab es im Rahmen des Nautilus-X Konzeptes eine Idee eines aufblasbaren Rings.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:ISS_demo_annotated.png
Na, 30 Tage waren wohl etwas optimistisch. Dann eben 70 Tage. Damit wären wir aber immer noch im Zeitfenster einer ISS-Mission.
Du hast 16,5 Km/s berechnet. Als Geschwindigkeitserhöhung aus dem Orbit oder als gesamter Geschwindigkeitsvektor vom Startplatz?
16,5 km/s waren doch meine ich die Geschwindigkeit der Voyager-Missionen (Okay, 15 km/s).
Im 2. Falle wäre es also nur eine Frage des Maßstabes (Wie in den 60ern: Atlas vs. Saturn V, ginge heute aber intelligenter). Beim Einbremsen müsste man das passende Verhältniss zwischen Aerobreaking und Bremsen durch Triebwerke berechnen. Für den Rückstart muss nur genug Treibstoff durch einen Tanker zur Verfügung stehen, beim Einbremsen in den Erdorbit wären die Bedingungen für ein Aerobreaking besser als auf dem Mars, die Hardware wäre aber aus genau diesem Grund groß genug.
Das ganze hört sich für mich auf jeden Fall besser an als Zentrifugen etc. pp.
Was fehlt wäre die Vision aus den 60ern: „Think big“
Die Kosten? HIER fehlt die Vision! Die amerikanische Mondlandung war ein riesiges Konjunkturprogramm! Merkwürdigerweise ist nämlich kaum ein Geldschein auf dem Mond gelandet. Es blieb alles im amerikanischen Wirtschaftskreislauf. Es gibt sicherlich Investitionen mit einem höheren (volkswirtschaftlichen/monetären) Mehrwert als die Raumfahrt. Aber so schlecht ist der nicht. Hier wird (leider) immer so getan, als wenn Geld in der Raumfahrt (egal ob bemannt oder nicht) quasi in einem Ofen verbrannt wird. Tatsächlich landet es aber wieder im Wirtschaftskreislauf, schafft Arbeitsplätze und Steueraufkommen. Solange nicht zuviel von diesem Geld in Verwaltung verschwendet wird, halte ich in Raumfahrt investierte Steuergelder für garnicht mal so schlecht.
Gruß, Bernd
Für bemannte Flüge ist das Zentrifugenmodul für die ISS natürlich zu klein. Aber bevor man größere Geräte baut, wäre es recht nützlich, schon praktische Erfahrung mit dieser Technik zu haben. Auch weiche Landungen auf dem Mond wurden ja vorher mit kleineren unbemannten Geräten erprobt.
16,5 km/s ist die Geschwindigkeit von New Horizons. Die Nutzlast sinkt exponentiell, so transportiert eine Atlas 551 bis zu 5 t auf 11,4 km/s (normale Marstransferbahn) aber nur 0,5 kg auf 16,5 km/s. Schlimmer ist, dass man am Mars dann 14 km/s zu viel drauf hat. Dann braucht man nochmal eine Atlas 551 um 1 t abzubremsen….
Ich denke die 16,5 km/s lassen sich auch mittels solarbetriebener Ionentriebwerke erreichen. Die Antwort auf die Frage „Rentiert sich das?“ hängt davon ab wieviel Gewicht an Solarzellen pro Watt Leistung notwendig ist.
Das Marsraumschiff könnte im Erdorbit unbemannt bis auf fast Fluchtgeschwindigkeit (11,2 km/s) mittels Ionentriebwerken beschleunigt werden. Die Menschen würden dann mit einem chemischen Antrieb in einer Kapsel bis auf diese Geschwindigkeit beschleunigt werden und an das Marsraumschiff andocken.
Bei der nun folgenenden bemannten weiteren Beschnleunigung ist entscheident wie schwer die Solarzellen sind. Ich bin von 80 W/kg ausgegangen und bin auf eine Beschleunigungszeit von unter 2 Monaten gekommen bis die 16,5 km/s erreicht sind. Beim Antrieb hatte ich mich am PPS-1350 orientiert. Das Marsraumschiff würde natürlich größtenteils aus Tanks, Antrieb und Solarzellen bestehen.
Zwei Monate 60 Tage = 140 Tage und beim Mars sind es dann nicht 6,3 km/s sondern 14 aufzubringen, bei 50% der Leistung der Solarzellen ….. ohne impulsantrieb kommt man nicht auf gesundheitlich annehmbare Reisezeiten
Also ist es doch eine Frage von „Think Big“.
Es muss nur an das eigentliche Transportraumschiff ein ziemlich großer Tank und ein Triebwerk drangehängt werden.
Das ganze ist besser im Orbit als auf der Erdoberfläche zusammenzubauen. Damit könnte die Struktur ziemlich leicht gebaut werden. Da ja das Orbit schon erreicht ist, braucht man auch keine großen Beschleunigungswerte, die diese Strukturen wieder schwerer machen würden. Eine Beschleunigung auf Reisegeschwindigkeit 16,5 Km/s kann ruhig 24 Stunden dauern, für abbremsen verhält es sich genauso. Was wäre die maximale Anfluggeschwindigkeit für ein Aerobrakingmanöver, wenn die maximale G-Belastung für die Gesamtstruktur sagen wir 0,25 g wäre, und das weitere Einschwenken in einen ersten Orbit vom chemischen Antrieb weiter unterstützt wird.
Oder, weil das Berechnen sicherlich sehr aufwendig ist: MRO ist doch glaub ich mit einem Aerobraking in den Orbit eingeschwenkt, ich find jetzt keine Zahlen über seine Anfluggeschwindigkeit.
Bei Ionenantrieb wäre die Beschleunigungs/Abbremsphase natürlich zu lang.
Es müssten halt nur die ganzen Komponenten und der ganze Treibstoff erstmal in den Orbit gebracht werden, ein guter Teil davon im Hohman-Transfer auch schon zum Mars.
Die Astronauten würden erst losfliegen, wenn alles vorbereitet ist, 70 Tage Hinflug, 1 Monat oder so Aufenthalt (ICH kann die Orbitalmechanik dafür nicht berechnen) und 70 Tage Rückflug.
Was man braucht ist eine Schwerlastrakete für die Komponenten und die könnte dann in Serienbauweise gehen.
Eine permanente Mondstation mit einer Railgun wäre sicherlich auch hilfreich.
Grüsse, Bernd
Bernie, schau die Raketengrundgleichung an, das ist nicht ein großer Tank, das ist etwas größer. Vor allem ignoriert ihr alle die 14 km/s relativ zu Mars ….
Negative Werte unter einer Wurzel sind doch kein Problem, dann müssen wir halt imaginären Treibstoff tanken.
Man könnte es auch sinnloser Weise so interpretieren:
Das Triebwerk muss mit einer bestimmten Frequenz um 180 Grad gedreht werden, so würde die Leistung zwischen positiver und negativer Richtung hin und her pendeln.
Also gaaaaanz grob mal gerechnet:
Eine Rückkehrkapsel àla Orion ein Wohnmodul ca. 40 Tonnen,
Voll/Leermassenverhältniss der Stufe 20:1 (Keine Beschleunigung > 0,1 g), Lagerfähige Treibstoffe mit 3.500 m/sec Impuls
Im Erdorbit 7Km/sec gewinnen, für Marsorbit 10Km/sec chemisch vernichten.
Start aus dem Erdorbit mit 10.000 t, Masse vor Einbremsen in Marsorbit 1.300 t.
Das ganze für die Rückkehr mit niedriger Geschwindigkeit auch nochmal zum Mars schaffen.
Das gäbe endlich mal ne lohnende Stückzahl für eine Schwerlastrakete in den LEO 😉
Sicherlich nicht politisch, aber technisch denkbar.
Grüsse, Bernd
Aaaaalso ….
1: Nach deinen Eckdaten komme ich auf 6130 / 8873 zusammen 15004 m/s wie passt das zu deiner Rechnung (10.000 plus 7.000 m/s)
2: Bei lagerfähigen treibstoffen ist bei 3.200-3.300 m/s Schluss
3: Beim Mars sind 14,5 km/s zu vernichten, da wir ja noch in einen Orbit gelangen wollen, (nicht abziehen, dazuzählen, bei 14 km/s fliegen wir am Mars vorbei sind aber nun auf einer Umlaufbahn wie der Mars)
Sorry, aber mit chemischen Treibstoffen packst Du die insgesamt 20 km/s Differenz bei einer 80 Tages Mission nie und nimmer. (20 km/s relativ zur Fluchtgeschwindigkeit, nicht zum Boden…)
Ach ja für den Rückweg braucht man nochmal 20 km/s …..
ZU 1 und 2. Ich sag‘ ja: gaaaanz grob. Ich hab deine Excel-Tabelle genommen und die Strukturmasse nur geschätzt und in der Iteration nicht nachgeführt. Ist bei 3.300 m/s Impuls chemisch Schluss oder nur bei den heutigen Triebwerken?
zu 3. Ist es wirklich so, dass man relativ zum Mars erst auf Null abbremsen muss und dann wieder auf Orbitalgeschwindigkeit beschleunigen? Da sollte es doch inzwischen nen paar Verfahren geben.
Mann kann mit einem Swing-by auch Geschwindigkeit abbauen, Aerobraking, etc. Man muss ja nicht in einem Schwung im Endorbit ankommen. Monate hat man sicherlich nicht, aber Tage.
Gib dir doch mal nen Ruck und rechne das mit deiner grossen Erfahrung mal ungefähr durch. 1961 kannte man auch noch nicht die Prozeduren für die Mondlandung.
Bernd
Zu 1 2: Ich habs mit dem Taschenrechner berechnet man braucht blos, plus, mal und die ln Funktion ….
Zu 2: Das liegt an den Treibstoffen. Lagerfähig sind nur Stickoxide und Hydrazine und da ist das leistungsfähigste Triebwerk derzeit bei 3187 m/s (pumpgefördert) mit Turbopumpe kommt man auf 33335 m/s, das ist der derzeitige Rekordhalter (Aestus mit XLR-132 Turbopumpe). Alle Konzepte mit kurzen Reisezeiten die ich kenne verwenden nukleare Antriebe.
Es gibt nur eine Möglichkeit, die himmelsmechanisch aber nicht so oft gegeben ist wie Marsoppositionen, indem man die Venus auf dem Hin- oder Rückweg anfliegt. Ich habe mal in meinen Büchern geschaut und bin da auf eingesamt Delta-V von 11,2 km/s. Das erlaubt dann 20 Tage auf dem Mars bevor man wegen der Himmelsmechanik zurückreisen muss. Zum Vergleich, eine normale Mission mit 500 Tagen Aufenthalt liegt bei 6,6 km/s.
Zu 3: Das liegt an der vektoriellen Addition der Kräft, wobei man durch den hyperbolischen Exzess ja sogar noch was spart.
Vielen Dank für die Diskussion über Reisezeiten zum Mars und deren gesundheitlicher Auswirkung auf die Astronauten.
Folgendes Missionskonzept erscheint mir für die Hinreise machbar:
* Reisemodul Landemodul Solar-elektrisches Antriebsmodul werden in den Erd-LEO gestartet. Von dort aus wird solar-elektrisch auf eine hoch-elliptische Bahn beschleunigt.
* Die Astronauten-Kapsel startet mit chemischem Antrieb in (fast) dieselbe Bahn wie Reisemodul Landemodul Antriebsmodul. Nach dem Verlassen des Van-Allen-Strahlengürtels koppelt die Besatzung an diese beiden und steigt um.
* Der Mond hilft per Gravity Assist, das Gesamtgefährt aus dem Erdschwerefeld zu katapultieren, oder zumindest das Perigäum so weit anzuheben, dass man nicht zurück in den Van-Allen-Gürtel kommt.
* Klappt die Kopplung oder der Umstieg nicht, ist die Startbahn so berechnet, dass der Mond die Kapsel zurück zur Erde schickt (analog Apollo 13). Nach der Kopplung muss die Besatzung also relativ schnell (geschätzt 12 Stunden) alle Systeme durchchecken und dann eine Kurskorrektur von der Rückkehrbahn zur Nicht-Rückkehrbahn einleiten.
* Wenn alles geklappt hat, beschleunigt man solar-elektrisch weiter zum Mars. Da man keinen hyperbolischen Exzess hat, braucht man hohes Delta-V. Bei Solarzellen mit 80 W/kg, 50% Wirkungsgrad eines solarelektrischen Antriebs und 20 km/s Ausströmgeschwindigkeit komme ich auf 10 km/s, die in zwei Monaten erreicht werden können. Ich schätze jetzt mal grob über den Daumen, dass man so auf insgesamt drei bis vier Monate Reisezeit kommt.
* Beim Mars wird direkt gelandet. Das Landemodul taucht dazu mit 15 … 20 km/s in die Marsatmosphäre ein. Das sollte aber kein großes Problem sein, diese hohe Geschwindigkeit abzubauen: Je schneller die Sonde ist, desto stärker bremsen ja auch die sehr dünnen hohen Atmosphärenschichten mit.
* Reisemodul, Startkapsel (von der Erde aus) und Antriebsmodul sind im Worst Case verloren. Man kann aber die Landekappsel 24 oder 48 Stunden vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre abtrennen, und dann die Bahn von Reisemodul und Antriebsmodul um einige Kilometer erhöhen, so dass diese von der Atmosphäre zwar gebremst werden, aber im Orbit bleiben. Einfacher und sicherer ist, diese beiden einen Swing By am Mars machen zu lassen, wobei sie nach einem Marsjahr wahrscheinlich wieder in die Nähe vom Mars kommen und dann gezielt gesteuern in einen Marsorbit einschwenken.
* Wie schon oft geschrieben, besteht das eigentliche Problem aber nicht im Hinflug zum Mars, sondern im Rückflug …
Kai
Habe diesen Artikel mal im Blog von Michael Khan vorgestellt. Der ist von der Idee ja nicht so begeistert, und hat gleich noch ein paar andere Vorschläge gemacht, wie man sowas aufziehen könnte. Näheres hier:
http://www.scilogs.de/kosmo/blog/go-for-launch/allgemein/2013-01-11/eight_days_gone#comment-11007
Er hats auch nicht ducrhgelesen, wie man an der Antwort sieht. So kann man natürlich leicht urteilen.