Die Lösung für ein überflüssiges Problem: Aufnahme des Apollo Abstiegs

Der heutige Blog entstand aus der Überlegung, mal wieder den Lesern eine Geschichte von Münchhausen zu erzählen. Doch da schon bei meinem letzten Eintrag für den ich mir Mühe gegeben haben niemand reingefallen ist (das hat man nun davon, wenn man seine Blogleser zu einer kritischen Einstellung und dem Hinterfragen von Behauptungen erzieht). Ich hatte vor einen NASA-Preis zu erfinden, der analog dem Google X-Price an denjenigen verliehen wird, der endlich die „verlorenen“ bzw. schlechten Abstiegsaufnahmen der Apollo 11 Mission liefert.

Zur Erklärung: Es lief bei Apollo eine Filmkamera mit die am Feinster des Lunar Module Pilots, also Buzz Aldrin montiert war. Nur zeigt die einen kleinen Ausschnitt und sie zeigt nicht das, was Neil Armstrong auf dem anderen Fenster sah, weil sie schräg nach außen schaute. Die Idee, die ich hatte: Da der Mond keine Atmosphäre hat und auch unveränderlich ist. Würde eine Sonde, die den exakten Flugpfad von Apollo 11 nachfliegt mit derselben räumlichen Orientierung, sie würde die Szenerie aufnehmen, die Armstrong sah.

Dann dämmerte mir: das ist nicht utopisch. Alle Daten dafür gibt es: die NASA hat alle Daten dafür. Über die Telemetrie bekam sie die Daten des Inertialsystems über die Ausrichtung des LM und die Radardaten über Höhe und Geschwindigkeit. Dieselben Daten über Höhe und Geschwindigkeit, sogar in allen drei Dimensionen und nicht nur eindimensional gewann sie durch die Bahnvermessung. Das wurde ab Apollo 12 genutzt, um den Einfluss von lunaren Mascons zu kompensieren, die bei Apollo 11 dazu führte das, das LM auf ein 6 km entferntes Zielgebiet hinsteuerte.

Würde man eine Raumsonde bei demselben Startpunkt und in etwa derselben Startgeschwindigkeit losschicken, so müsste es nur die Drehungen nachvollziehen und von einem Wegepunkt zum nächsten Wegepunkt einer Tabelle, in der der Ort zu jeder Zeit angegeben ist, fliegen. Das ist also nicht unmöglich, sondern mit der heutigen Technik sogar leicht umsetzbar. Daher hier mein Vorschlag für eine solche Sonde

Gewichtsabschätzung

Ich nehme an das man lagerfähige Treibstoffe einsetzt, wie bei Apollo und druckgeförderte Triebwerke. Kleine Satellitentriebwerke haben einen spezifischen Impuls bis 3150 m/s. Ich habe, da ja auch gedrosselt und das die Energieausbeute absinkt, wird 3000 m/s angesetzt. Der Geschwindigkeitsbedarf ist auch angebbar. Die Apollo Abstiegsstufe hatte ein ΔV Budget von 2200 m/s. Man könnte da man ja dieselbe Trajektorie nachfliegt die Reserven auf die Teile reduzieren, die unabdingbar sind. Apollo 11 landete mit rund 700 Pfund Resttreibstoff, das sind zwar nur 3,8 % der Treibstoffmenge doch, da diese Menge erst von der Erde zum Mond befördert werden muss, hat das Einfluss auf die Masse.

Für das Einschwenken in den Orbit gab es ein ΔV von etwa 1000 m/s. Hier gäbe es Einsparpotenzial. Wenn man sich mehr Zeit lässt, kann man das ΔV auf 800 m/s drücken.

Zuletzt muss man aus einem Erdorbit zum Mond zu gelangen. Wenn die Ausgangsbasis ein GTO-Orbit ist, so beträgt der Geschwindigkeitsaufwand dafür 700 bis 750 m/s.

Das sind in der Summe ein ΔV von 3700 bis 3950 m/s. Bei einem spezifischen Impuls von 3000 m/s. Ist die Endmasse dann 3,43 bis 3,73-mal kleiner als die Startmasse. Ein Voll-/Leermasseverhältnis von 5 (wie bei der Apollo Abstiegsstufe) und eine Nutzlast von 100 kg (für einen Minisatelliten, einen Minirover und einige Kameras) kommt man so auf eine Startmasse von 868 kg (dV=3700 m/s) bis 1.063 kg (dV=3950 kg). Man sieht: die Einsparung von Treibstoff oder ein etwas höherer spezifischer Impuls wirkt sich deutlich auf die Nutzlast aus. Wenn man aus einem niedrigen Erdorbit aus startet, dann wird man wegen des nochmals um 2,5 km/s höheren ΔV wahrscheinlich elektrische Triebwerke einsetzen, mit denen man alle Manöver bis zur Erreichen einer Mondumlaufbahn durchführen kann. Das kommt dann in etwa auf dieselbe Startmasse von rund 1000 bis 1200 kg, allerdings dann in einen niedrigen Erdorbit. Nur mit chemischen Treibstoff würde die Sonde sonst zu schwer.

Triebwerke

Für eine korrekte Simulation müssen die Triebwerke, wie das Abstiegstriebwerk im Schub regulierbar sein. Bei druckgeförderten Antrieben kein Problem, da bei ihnen sowieso der Druck in den Tanks abfällt, wenn sich diese entleeren. Allerdings gibt es da wenig Auswahl. Satellitenantriebe gehen bis 445 N, dann kommen schon schubkräftige und schwere Antriebe für Oberstufen wie das Aestus oder AJ10 mit 25+ kN Schub. Russland hat auch im Zwischenbereich zahlreiche Antriebe entwickelt, so z.B. das RD-861, das die Vega einsetzt mit 2,5 kN Schub. Die sind aber turbopumpengefördert und soweit ich weiß nicht im Schub regelbar.

Der Maximalschub muss so groß sein, das die gleiche Beschleunigung, wie bei Apollo resultiert. Das waren damals 3 m/s zu Beginn der Zündung. Dann wiegt die Kombination in einem Mondorbit noch 523 bis 562 kg. Das wäre dann ein Schub von 1570 bis 1686 N. Mein unkomplizierter Vorschlag: man nimmt vier Satellitentriebwerke mit 400 bis 445 N Maximalschub und regelt die bei geringerem Schub erst leicht herunter und schaltet dann nacheinander je eines ab. Minimal hatte beim Abstieg der Mondlander noch etwa 10 kN Schub, das entspricht dann einem 400 N Triebwerk bei vollem Schub.

Mission

Die Mission ist eigentlich relativ geradlinig. Man würde die Sonde als Sekundärnutzlast in einen GTO starten, ist zwar etwas schwer, doch wenn es Reserven gibt, wäre das durchaus möglich. Ideal wäre sogar ein supersynchroner GTO, da dann das ΔV Budget positiver aussieht,

Die Sonde wurde dann zum Mond fliegen und zuerst in eine 1,25 Grad geneigte 110 km hohe Bahn einschwenken und durch weitere Bahnmanöver den Punkt erreichen wo bei Apollo der PDI stattfand. Der begann mit einer Absenkung des Perilunäums auf der Mondrückseite, gefolgt vom eigentlichen Abstieg idealerweise würde die Sonde nicht nur mit einer Kamera die Sicht Armstrongs aufnehmen, sondern mit mehreren Kameras die ganze Umgebung beim Abstieg, Daraus kann man dann etliche Filme schneiden. Eine Kamera mit 4 K Sensoren, die kein Zoom braucht, wiegt ja auch kaum was. Mit 6-7 Normalwinkelkameras könnte man das problemlos leisten, oder man nimmt 4-5 Weitwinkelkameras. Die Einschränkung der Sicht durch das Fenster kann man später am Computer rechnerisch hinzufügen. Lediglich am Schluss würde es eine Diskrepanz geben, denn die Astronauten hatten natürlich die Sicht aus der Höhe der Aufstiegsstufe des LM, das sind rund 4 m Höhe, das geht mit einer Kamera nicht. Aber der Paralachsenfehler ist bis auf die letzten Sekunden wegen der beim Abstieg großen Höhe relativ klein.

Idealerweise sitzen die Kameras nicht auf der Abstiegsstufe sondern einem Minirover. Die kann man ja auch leicht bauen so wie der Rover von Chandrayaan 2 oder Sojourner. Selbst, wenn man sich eine Rampe einspart und er einfach vom Deck runter rollt passiert bei Fall aus maximal 1 m Höhe auf dem Mond nicht viel. Er könnte dann zuerst die Aufstiegsstufe umrunden und dann den Landeplatz anfahren (ich hoffe mal es gab doch einige kleine Fehler bei der Kompensation der Bewegungen, sonst würde die Landestufe direkt auf dem Mondlander niedergehen) und dort ausgiebig die verbliebene Fähre und die Instrumente ablichten. Der Mond ist so nahe, dass selbst eine Mittelgewinnantenne mit einem Öffnungswinkel von 60 Grad bei einer Sendeleistung von 5 Watt im X-Band rund 800 kbit/s übertragen kann. Die Ausrichtung ist einfach, denn da der Mond gebunden rotiert, ist die Erde immer an derselben Stelle am Himmel. Selbst wenn man nur einen Mondtag überlebt, das wären 11 Erdtage mit je 12 Stunden Funkkontakt kann man in der Zeit 380 GBit übertragen, da für 4K Videos zwischen 15 und 40 Mbit/s Datenrate genannt werden, entspricht das rund 3 Stunden Videomaterial zu einer 12 m großen Empfangsantenne wie beim LRO. Beiner besseren Richtantenne kann das einiges mehr werden und Fotos, die man mit den Sensoren auch machen kann, fallen kaum in die Datenbilanz rein. (das wären theoretisch über 47.000 Bilder 8 MPixel in JPEG-Kompression mit höchster Qualität.

Fazit:

Es wäre möglich und wenn schon der Google X-Price viele animiert hat sich an dem Wettbewerb zu beteiligen, dann denke ich auch findet sich jemand der das umsetzt. Es sollte natürlich finanziell attraktiv sein. Der Preis sollte zwar nicht alle Koste decken, aber einen guten Teil. Ich denke so 20 bis 30 Millionen Dollar würden der NASA nicht wehtun, wenn man den Gegenwert in Form von Reklame und Bildmaterial für Dokus sieht, ist das nicht zu viel. Umgekehrt wäre man dann schon bei einer Summe, bei der das auch für einen möglichen Interessenten finanziell attraktiv ist und ein Risiko besteht nicht für die NASA – bezahlt wird erst, wenn die Clips übertragen sind. Die NASA könnte sogar Unterstützung leisten, indem sie kleine RTG-Pellets, das ist, Pu-238 in einer Hülle, die es vor Unfällen schützt abgibt. Die nutzt die NASA zum Warmhalten von sensiblen Teilen in ihren Rovern oder auch Raumsonden. Dann könnte ein Rover auch die Nacht überleben. Kritisch wäre wahrscheinlich vor allem die Elektronik und Batterie.