Cassini/Huygens Revisited

Moin,

Nach dem Ende der Cassini/Huygens-Mission fragte mich ein Mitforist: "wie man ein Raumfahrzeug (Huygens) konstruiert das auf einem Planeten landen soll von dem man so gut wie nichts weiß"?

https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=4189.847

Versprach dazu einen Beitrag, vergaß den dann leider, wurde jetzt nochmals gebeten und hier ist er endlich:

Einiges war durch die Vorbeiflüge von Pioneer und Voyager schon über Titan bekannt, etwa Größe, ungefähre Masse, grobe Zusammensetzung und Dichte der Atmosphäre. Vieles war noch unbekannt und man hatte nur Modelle und Annahmen. Aber das reicht, um zumindest eine Durchführbarkeitsstudie für einen Lander durchzuführen.

Jedes derartige Projekt beginnt mit der Phase A, in der erste Konzepte erarbeitet werden. Die detaillierte Konstruktion folgte nach einigen Loopings dann erst in der Phase  C/D. Aber da das ESA-Budget leider sehr begrenzt ist, werden viel Projekte nach der Pase A abgebrochen und nur wenige erreichen die Phase C/D.

An alle Firmen, die für die Phase A ein Angebot einreichen wollen, versendet die ESA 3 technische Dokumente zur Definition der Mission:
 
1. das MRD (Mission Requirements Document), in dem der gesamte Ablauf der Mission beschrieben ist, soweit zum Zeitpunkt bekannt. also die einzenen Phasen, ihre ungefähre Dauer, Umweltbedingungen wie Strahlung, etc.

2. das SRD (System Requirement Doc.), mit den technischen/physikalischen Anforderungen an das Gerät, hier also einer Landekapsel. Welche Thermalbedingungen sind während der einzelnen Missionsphasen einzuhalten, wieviel Strom steht jeweils zur Verfügung, TM/TC, etc.

Außerdem sind hier die Randbedingungen des Geräts definiert, wie erlaubte Gesamtmasse, Abmessungen, Schnittstellen zum Mutterschiff, usw. Welche Untersysteme braucht das Gerät (hier bei Cassini eben besonders Hitzeschild und Fallschirm). Wie sieht das geplante Landeszenario aus, was soll während des Abstiegs und nach der Landung alles ausgeführt werden.

3. das PRD (Payloads Requirements Doc.), in dem die einzelnen Experimente und ihre Anforderungen möglichst genau beschrieben sind. Masse, Dimensionen, Strombedarf, TM/TC-Bedarf, Blickwinkel/-richtung für die Sensoren, usw. Die Auswahl der Experimente, die ja sozuagen die Kunden der Mission sind, ist dann schon abgeschlossen und die H/W-Entwicklung hat meist auch schon lange begonnen.

So, mit diesen drei Dokumenten (es gibt auch noch Planungs- und Finanzdocs., aber die interessieren Ingenieure erst später), kann man sich dann an den (vorläufigen)  Design der Kapsel machen und versuchen, alle Anforderungen unter einen Hut zu bekommen. Gleichzeitig versucht man möglichst schnell, das industrielle Team auf die Beine zu stellen, mit dem man die Phase A anbieten will und das das Angebot unterstützt (mit eigenen Sub-Angeboten).

Wie baue ich das Innere der Kapsel strukturmäßig auf? Wie ordne ich die Experimente an, damit deren Anforderungen erfüllt werden? Wie akkomodiere ich die Boxen der Untersysteme, wie Batterien, TM/TC Sender und Empfänger, die Antennen, usw.? Halte ich die erlaubte Gesamtmasse und die Abmessungen ein?

Klappt natürlich nicht auf Anhieb, also dreht man etliche Schleifen, bis man einen funktionierenden Entwurf hat. Aber selbst dann kann es passieren, daß einige Anforderungen der Experimente nicht erfüllt werden, weil sie sich manchmal auch widersprechen/gegenseitig ausschließen. Das muß dann später abgeklärt werden.

Für solch ein Angebot steht ja nur eine kurze Zeit zur Verfügung, bei "Huygens" waren es 8 Wochen. Dann erwartete ESA die schriftlichen Unterlagen. Und falls man dann ausgewählt wird, hat man etwa 1 Jahr Zeit, die Phase A durchzuführen. Diese Anfangsphasen haben nur ein geringes Budget  (<< 1 Mio. €), aber das reicht, um am Ende zu wissen, ob die Mission prinzipiell möglich ist, wieviel sie kosten würde (wird meistens zu niedrig angesetzt, auch weil zusätzliche Requirements erst später bekannt werden), und wie lange es dauern wird, solch ein System zu entwickeln.

Bekommt man den Auftrag, freut man sich. Bekommt man ihn nicht, schiebt man Frust. Aber das ist überall so.

Gruß
roger50

Schon mal vielen Dank für die ersten Einblicke.

MFG S

Falls Interesse an Entwicklungsmethoden in der Raumfahrt besteht, können wir einen allgemeinen Thread dazu aufmachen.

@Roger50: Vielen Dank für den Überblick auf die allgemeine Vorgehensweise!
Im Falle von Huygens sagt das allerdings für mich nicht viel aus. Woher bzw. wie genau wußte man vorher die genaue Dichte und Höhe der Athmosphäre, um z.B. den Fallschirm richtig zu dimensionieren?
Die Russen mußten aus mehreren Versuchen lernen, wie man auf der Venus landet. Sie und die Europäer haben es bis heute nicht 100%ig geschafft, voll funktionsfähig auf dem Mars zu landen. Umso beeindruckender finde ich die Huygens-Landung auf dem Titan.
Liegt es daran, daß der Titan von der Athmosphäre her sehr Erdähnlich ist kombiniert mit einer Mond-artigen geringen Schwerkraft? Und haben das bereits die Voayger Sonden so herausgefunden?

Woher bzw. wie genau wußte man vorher die genaue Dichte und Höhe der Athmosphäre, um z.B. den Fallschirm richtig zu dimensionieren?

Liegt es daran, daß der Titan von der Athmosphäre her sehr Erdähnlich ist kombiniert mit einer Mond-artigen geringen Schwerkraft? Und haben das bereits die Voayger Sonden so herausgefunden?

Pioneer und Vogayer hatten schon einiges herausgefunden, und wenn man keine genaue Daten hat, erstellt man ein Modell, das auf den vorhandenen Daten basiert. Und nimmt dann die negativsten Werte für weitere Arbeiten an.

Die von mir geschilderten Angebots-Arbeiten erfolgten Mitte 1987, also mehr als 10 Jahre vor dem Start von Huygens. Beim Start von Cassini/Huygens flog also selbst das Hubble-Teleskop schon 7 Jahre und hatte ebenfalls wichtige Daten für die Konstruktion der Landekapsel geliefert. Wie ich ursprünglich schrieb: wir waren mit unserem Angebot für die Phase A nicht erfolgreich, und so verlor ich danach da Projekt aus den Augen. Zumal ich dann ein anderes Projekt betreute, das wesentlich erfolgreicher war, als das verlorene Angebot. Aber es war wirklich interessant gewesen, diese ersten Design-Untersuchungen zu machen.

Der gesamte Lander war ja selbst ein Experiment, und es gab nicht wenige, die über den Erfolg der Landung erstaunt waren. Ich auch. Aber es zeigte, daß man selbst auf der Basis von Modellen/Annahmen erfolgreich sein kann. 

Gruß
roger50

Soweit ich weiß, war Huygens vor allem eine Atmosphärensonde. Sie sollte eine Landung überleben (war sogar schwimmfähig, weil man nicht wusste, wie viele Prozent von Titan von einer Flüssigkeit bedeckt sind), aber das Hauptaugenmerk lag bei der Erforschung der Atmosphäre. Man wollte zwar auch Bilder der Oberfläche gewinnen, es gab aber kein spezielles Forschungsprogramm nur für den Boden, zb Bodenprobenanalyse.

Man kann auch die Schwierigkeiten einer Landung auf dem Mars nicht mit Titan vergleichen. Bei Titan ist die Kälte ein Problem. Ansonsten ist die Landung bei einer so dichten Atmosphäre weitaus einfacher als auf dem Mars. Die größte Schwierigkeit ist es, den Fallschirm so zu bemessen, das die Sonde die Oberfläche in einer vernünftigen Zeit erreicht. Die Probleme, die die Russen bei der Venus hatten, lagen an den Russen selbst. Mann glaubte nicht an die von Mariner 2 und 5 gewonnenen Druck- und Temperaturdaten. Niemand hat geglaubt, das am Boden der Venus ein Druck von 90 Bar und Temperaturen von fast 500 ° C herrschen. Daher legte man die ersten Kapseln nur auf einen Druck von 25 Bar aus. Seit die Russen die Kapseln auf die herrschenden Bedingungen ausgelegt haben, ging keine Landung mehr schief.