Parker Solar Probe auf Delta IV Heavy

Für diese Mission?

Für die geplante Trajektorie muss die Sonde die Erde mit dem hyperbolischen Energieüberschuss C3=154 km²/s² verlassen. Die D4H schafft das für diese Sonde mit der Star-48-Kickstufe oben drauf. Die Atlas V hätte es schon nicht mehr geschafft. Man hätte die Kickstufe modifizieren müssen.

Welches C3 würde die FH für diese Sonde schaffen?

Hallo Schillrich,

ich verstehe die Angabe "C3=154 km2/s2" nicht. Bisher dachte ich immer, dass die Endgeschwindigkeit (m/s), in Abhängigkeit von der jeweiligen Bahnhöhe beim Brennschluss, und die Masse der Nutzlast, die Leistungsfähigkeit einer Rakete beschreibt.

Ich bitte um eine Erklärung für den o.g. Ausdruck. Spezifische Energie J/kg? Danke!

ich verstehe die Angabe "C3=154 km2/s2" nicht. Bisher dachte ich immer, dass die Endgeschwindigkeit (m/s), in Abhängigkeit von der jeweiligen Bahnhöhe beim Brennschluss, und die Masse der Nutzlast, die Leistungsfähigkeit einer Rakete beschreibt.

Ich bitte um eine Erklärung für den o.g. Ausdruck. Spezifische Energie J/kg? Danke!

Das hat mich auch interessiert. Wikipedia weiß dazu im Artikel "Fluchtgeschwindigkeit":

Während sich der Körper von dem Planeten entfernt, wird er von dessen Gravitation weiterhin abgebremst, sodass er erst in unendlicher Entfernung zum Stillstand kommt. Wird hingegen die zweite kosmische Geschwindigkeit überschritten, so nimmt die Flugbahn die Form eines Hyperbel-Asts an – in diesem Fall bleibt im Unendlichen eine Geschwindigkeit übrig, die als hyperbolische Exzessgeschwindigkeit oder hyperbolische Überschussgeschwindigkeit bezeichnet wird und die Energie der Hyperbelbahn charakterisiert. Sie berechnet sich aus der Summe der Energien, also der Quadrate der Geschwindigkeiten, analog zur Berechnung im Folgeabschnitt. Ebenfalls üblich ist die Angabe des Quadrates der Geschwindigkeit (also Energie pro Masse), häufig mit dem Formelzeichen c3.

C3 ist in amerikanischen Missionsanalysen ein Term für die hyperbolische Überschussenergie. Mit diesem "Energieplus" verlässt die Sonde die Erde in die Unendlichkeit. Man kann das auch charakteristische Energie nennen und in J/kg oder m²/s² angeben.

C3<0 --> geschlossene Ellipse, keine Fluchtgeschwindigkeit
C3=0 --> Parabel, man erreich gerade so die Fluchtgeschwindigkeit und die Unendlichkeit
C3>0 --> Hyperbel, man flüchtet mit einem Energieplus in die Unendlichkeit

Wir reden sonst von "kosmischen Geschwindigkeiten", um eine Ellipse und die offenen Bahnformen zu unterscheiden.

Der Vorteil dieser "Betrachtung in der Unendlichkeit" ist, dass man da nicht auf die individuellen Umstände einer Mission oder eines Trägers versuchen muss zu berücksichtigen, wie "Brennschlusshöhe". Mit dem Wert C3 werden alle Träger gleichartig in der Unendlichkeit berechnet und direkt vergleichbar für Fluchtmissionen.

Vielen Dank!  Ich hatte es zwar geahnt (J/kg), aber heute Abend werde ich etwas Denksport betreiben und tiefer in die Materie eintauchen.

Meines Wissens hätte die FH von der Performance her locker gereicht. Hat ja auch bei der GTO-Angabe den doppelten Wert an Masse als die D4H. Stand auch glaub ich mal bei NSF. Ich bin mir nur nicht sicher ob der Adapter oder das Fairing-Design der FH das Problem gewesen wäre. In Summe denke ich aber, dass die FH schon geeignet gewesen wäre, wenn die FH früher bereit gestanden hätte. Da die FH aber erst seit 2018 fliegt und die D4H schon seit 2004 hat man sich von vorneherein für einen erprobten Träger entschieden.

In dem Artikel wurde auch geschrieben das nur die D4H und FH in der Lage sind zu fliegen. Dann hat Tory Bruno aber geschrieben das es nur die D4H kann.
https://twitter.com/torybruno/status/1024694500881391616?s=21

Tory meint weiter unten in den Kommentaren, dass die Oberstufe der FH zu ineffizient wäre. Glauben kann ich das nicht wirklich, weil die FH ganz allgemein mehr als doppelt so viel Last in den GTO schafft als die D4H. Vorausgesetzt alle Booster fliegen im Wegwerfmodus. Aber davon ist mal nicht die rede. Die D4H fliegt auch im Wegwerfmodus. Aus meiner Sicht: Die FH kanns schon.

Dann hat Tory Bruno aber geschrieben das es nur die D4H kann.

Weiß jemand den genauen Grund?

Und noch eine Ergänzung. Von GTO zur Fluchtbahn ist es nur noch ein Katzensprung

Wäre mal interessant was Musk dazu sagen würde. Vielleicht fragt ihn ja mal jemand so ganz schnippisch, ob er das auch kann was Tory kann

Und noch eine Ergänzung. Von GTO zur Fluchtbahn ist es nur noch ein Katzensprung

Aber Fluchtbahn ist ja gerade nicht gleich Fluchtbahn. Genau diesen Unterschied drückt ja der C3-Term aus. Die Frage ist, mit wieviel "Überschussenergie" man die Flucht schafft.


Ggf. bezog sich die ULA-Aussage auf die oben schon genannte Anforderung der NASA zur Zeit der Planung und Beauftragung des Starts: ein verfügbarer, erprobter Träger ohne Modifikationen. Das war damals die D4H.

Bzg. Bruno hat dort doch auf die Frage zur FH geantwortet:

Rocket staging and orbital mechanics. Sometimes rockets aren’t just bigger or smaller. Sometimes they’re simply different. Big First Stage thrust = big payload to LEO. BIG second Stage Isp = big payload to high energy orbits. DIVH has a very high energy upper stage.

Der Hochenergie-Fluchtorbit sei nur mit der D4H wie gefordert möglich.

Wenn wir für die FH eine C3-Kurve über der Nutzlastmasse hätten, könnten wir das besser diskutieren. Aber noch scheint es keinen FH-User-Guide damit zu geben.

Ich behaupte jetzt einfach aufgrund der anderen angegebenen Werte, dass bei voller Ausreizung der Booster und bei 100% Flug (nicht die 80% bei Demo) die FH den C3-Wert der D4H schlägt. Immerhin soll die FH 16,8t zum Mars schaffen. Die D4H schafft gerade mal 14,2t in den GTO.

Aber wie gesagt. Die D4H war einfach früher da. Deswegen wird sie auch die Mission erfüllen.

Eine Fluchtbahn zu erreichen, die extrem dicht an die Sonne heranführt, ist energetisch sehr viel aufwendiger, als etwa schnell zum Pluto zu fliegen.

Wie Schillrich schon schrieb: F9H kann (theoretisch) größere Massen in den LEO befördern als die DIVH, aber letztere hat wegen ihres LH2/LOX-Antriebs eine deutlich größere Nutzlast für Hochenergiemissionen.

Gruß
roger50

Das Problem ist, das die Bedingungen für den Start von Parker noch extremer sind, als bei New Horizons. Parker soll so nah an die Sonne heran fliegen, wie es nur möglich ist. Um sich der Sonne so stark zu nähern, muss die Sonde einen Großteil der Bahngeschwindigkeit der Erde abbauen. Obwohl die Sonde nur 685 kg wiegt, benötigt sie eine Delta 4 Heavy + eine Start 48 Oberstufe und zusätzlich noch 7 Vorbeiflüge an der Venus, ehe sie sich der Sonne bis auf 6 Millionen km nähern kann.

Ich weiß nicht, ob es die FH schaffen würde. Es gibt leider nicht genug Daten, um vernünftig nachzurechnen. Vielleicht ist die Oberstufe der FH tatsächlich zu leistungsschwach? Die Oberstufe der D4H arbeitet mit LH2/LOX und einem RL-10-Triebwerk. Dagegen kann die FH nur verlieren, das Merlin Vac liegt beim spezifischen Impuls weit darunter. Auch die untere Stufe und Booster der D4H haben einen weit höheren spezifischen Impuls. Vielleicht ist die D4H bei solchen leichten Nutzlasten, die extrem beschleunigt werden müssen, tatsächlich im Vorteil?

Grundsätzlich gilt aber sowieso: Als die Parker Sonde geplant wurde, wusste noch keiner, ob die FH wirklich je fliegen würde. Man hatte keine andere Wahl, als die Sonde auf einen Träger auszulegen, der auch verfügbar ist. Darüber hinaus weiß noch keiner, wie zuverlässig die FH fliegen wird. Niemand würde eine Sonde im Wert von über 1 Milliarde Dollar einem Träger anvertrauen, der bisher nur einen erfolgreichen Flug absolviert hat.

Ich finde das ja schon interessant:
- die Falcon Heavy kann ca. doppelt soviel Nutzlast wie die Delta4 Heavy hochschießen
- die Falcon9 hat grundsätzlich eine sehr leistungsfähige 2.Stufe (im Vergleich zu anderen Trägern)
- aber bei solchen Missionen ist die Delta4 Heavy dann leistungsfähiger?
Für mich eine sehr interessante Sache. Wenn es hier zu OT ist, bitte aber nicht löschen, sondern woanders hin verschieben.

Ich bin da bei MR. Ich glaube kaum, dass es bei der FH ein Performanceproblem gegeben haette. Als der Parkersatellit geplant und gebaut wurde, gabs keine FH. Und da meine ganze Familie auf dem Parker mitfliegt, erwarte ich, dass da ein erprobtes Launchsystem verwendet wird. 

Eine Fluchtbahn zu erreichen, die extrem dicht an die Sonne heranführt, ist energetisch sehr viel aufwendiger, als etwa schnell zum Pluto zu fliegen.

Das sehe ich anders wo liegt der Unterschied ob man in die eine Richtung relativ zur Sonne beschleunigt oder in die andere Richtung abbremst. Es kommt nur auf das zu verrichtende DeltaV an, nicht mehr.

Ich bin fest davon überzeugt, dass die FH das gekonnt hätte. Das ist an dieser Stelle aber tatsächlich eine Glaubensfrage über die sich lange streiten lässt.

Keine Glaubensfrage. Wir brauchen Fakten und die kennen wir nur für die D4H samt Aussage von Bruno.

Die FH könnte eine fehlende Effizienz der Oberstufe durch viel Treibstoff ausgleichen. Aber, kann die Oberstufe denn so viel Treibstoff überhaupt tragen? Oder müsste man sie verlängern? Oder müsste man eine weitere, große Beschleunigungsstufe aufsetzen (nicht den kleinen Star-48)? Das wären dann Elemente, die es gar nicht gibt.

Für das Fluchtmanöver aus einer LEO-Parkbahn ist letzlich allein die Oberstufe + Kickstufe hier zuständig, egal was vorher "drunter seine Arbeit tat". Da ist die Oberstufe der D4H wohl sichtlich besser als die Oberstufe der FH.

Auch mit Fantasiezahlen lässt sich das ganze sehr gut simulieren. Aber selbst ohne ist es relativ einfach.

Fakt: Je leichter die Nutzlast ist, desto größer werden die Nachteile eines Trägers, wenn dieser schwerer ist, bei höherem DeltaV. Denn jedes Kilogramm Masse muss beschleunigt werden.

Wenn also die Delta4 bei dieser Mission mehr Masse früher abwerfen kann als die Falcon9, dann ist sie bei dieser Mission leistungsstärker.

Warum muss man eigentlich in einen LEO einschwenken?
Mit der richtigen Uhrzeit beim Start müsste man doch eigentlich ohne lange Pause beschleunigen können. Die Zweite Stufe feuert sofort nach Abtrennung vom Booster. Durch den richtigen Startzeitpunkt ist man dann Retrograd zur Sonnenumlaufbahn der Erde, bis die Zweitstufe leer ist.

Durch einen Parkorbit im LEO erkauft man sich auf jeden Fall Flexibilität beim Startfenster vom Cape weg, da man im LEO dann Puffer hat bis das Fluchtmanöver kommen muss.

Zum Thema C3 folgendes Diagram:


https://twitter.com/doug_ellison/status/959601635394646017

Bei Parker hat man eine Payload Masse von 685 kg und ein C3 von 154 km^2/s^2. FH kommt da laengst nicht hin. Bei Payloads mit weniger als 6t (!!) ist die Delta IV Heavy performanter

@blackman: Orbitalmechanik ist keine Glaubensfrage

das ist mir klar das Orbitalmechanik keine Glaubensfrage ist. das war darauf bezogen so lange man keine Daten hat kann man nur darüber spekulieren. mit deiner Grafik lieferst du aber annähernde Daten jetzt.

Für das Geld, das die Delta 4Heavy mehr kostet als die Falcon Heavy, hätte mann noch leicht eine Kickstufe für Sonde bauen können.

Darum geht es weniger. Planung und Bau einer solchen Sonde dauern viele Jahre. Bei Cassini zb hat es von den ersten Ideen bis zum Start 15 Jahre gedauert. Bei Parker ist es nicht ganz so einfach zu sagen. Die Sonde basiert auf Studien, die bereits in den 50ern durchgeführt wurden. Doch damals waren die hohen Temperaturen noch nicht beherrschbar. In den 90ern wurde dann der Solar Orbiter geplant, doch dieses Projekt wurde zusammen mit dem New Horizons-Vorläufer eingestellt. Erst ab 2009 begann dann die Umsetzung der aktuellen Sonde.

Als man 2009 die finale Mission plante, gab es die Falcon Heavy nur auf dem Papier. Selbst der Erstflug der Falcon 9 1.0 erfolgte erst 2010.