Orbitmanöver für Sortie-(Erkundungs)-MissionsszenariosIch habe mich ein wenig in eine Studie für die ersten Lunar Sortie Missionen (Erkundungsmissionen) des Constellation Programms eingelesen. Dabei sind ein paar interessante Informationen aus Simulationen aufgetaucht. Eine Sortie-Mission könnte also wie folgt aussehen.
Generelle AnforderungenLandungen sollen auf der gesamten Oberfläche des Mondes möglich sein. Eine Notrückkehr von der Oberfläche soll max. 120h betragen, also zwischen Verlassen der Mondoberfläche und Ankunft auf der Erdoberfläche. Um dieses Zeitfenster von allen möglichen Landestellen einhalten zu können, müssen ein schneller sofortiger Start (anytime) und ein schnelles Rendezvous im Mondorbit möglich sein. Um dies zu erreichen, muss das CEV (Crew Exploration Vehicle, Orion) die Ebene seines ca. 100km- Parkorbits anpassen, um sich nicht zu weit vom Längengrad der Landestelle zu entfernen und so einen Rückstart des Landers in der Orbitebene des CEV zu ermöglichen.. Die Orbitebene (der aufsteigende Knoten) muss also gedreht werden, was ziemlich "teure" Manöver bzgl. deltaV- und Treibstoffbedarf sind. Damit ist dem CEV nur eine beschränkte Drehung der Orbitebene möglich, was dann Einfluss auf die Aufenthaltsdauer am Boden und Startmöglichkeiten von der Oberfläche hat.
Das Ganz führt auf ein Optimierungsproblem: Minimierung des deltaV-Bedarfs für die Orbitdrehung unter den Nebenbedingungen einer globale Landung auf dem gesamten Mond und der 120h-Rückkehr mit einem vorzeitigen Rückstart.
Lunar Sortie MissionFür eine 7-Tag Mission auf der Oberfläche ergibt sich dann folgendes:
- Das Bremsmanöver am Mond (LOI, Lunar Orbit Insertion) erfolgt in 3 Schritten (ähnlich den 3er-Manövern für Satelliten, um kombiniert Orbithöhe und Inklination zu ändern):
- LOI 1: Das ist v.a. ein Energiemanöver, welches also bremst und einen stabilen exzentrichen Transferorbit (100km x 15925km Höhe) um den Mond ermöglicht. Die Bahnebene wird nur minimal geändert.
- LOI 2: Dieses Manöver wird im Apozentrum des Transferorbits ausgeführt und ändert v.a. die Bahnebene (Inklination und aufsteigender Knoten).
- LOI 3: Das Energiemanöver im Perizentrum des Tranferorbits zirkularisiert den Orbit auf einen 100km x 100km Kreisorbit.
- Aufenthaltsdauer auf Mond: 7d bei 21,5d Gesamtdauer
- Ziel ist ein maximales Drehung der Orbitebene des CEV von 5° für ein Rendezvous mit dem gestarteten Aufstiegsmodul.
- Nominale Landung und nominaler Start erfolgen "in der Orbitebene" unter dem CEV. Vor dem Rückstart am Tag 7 des Aufenthalts führt das CEV eine Drehung der Orbitebene am Tag 6 aus.
- Die geografische Breit der Landestelle wird ein paar Grad unter der Inklination des Parkorbits liegen. Damit wird gewährleistet, dass wenige Tage nach der Landung (hier: 5,5d) die Landestelle durch die Mondrotation erneut unter dem CEV-Parkorbit liegt und einen Rückstart in der Ebene des Parkorbits des CEV ermöglichen würde.
Ist ein Rückstart vorher notwendig, muss das CEV seinen Orbit anpassen, also seine Orbitebene über die Landestelle drehen und die Inklination an die geografische Breite der Landestelle anpassen. Dies ermöglicht einen Notrückstart des Landers innerhalb der Orbiteben des CEV ohne Dreh- und Inklinationsmanöver für den Lander selbst.
Da das CEV dieses kombinierte Dreh- und Inklinationsmanöver im Notfall durchführen kann, kann man dieses Potential auch nutzen, um die Bodenzeit auf 7 Tage auszudehnen. Nach 7 Tagen liegt die Landestelle wieder außerhalb der Ebene des CEV-Parkorbits. Dann muss das CEV auch ohne Notbedarf die beschriebenen Orbitmanöver durchführen, um seinen Orbit über die Landestelle zu legen und so einen nominalen Rückstart des Landers zu ermöglichen.
- Das Fluchtmanöver vom Mond (TEI, Trans Earth Injection) erfolgt wie LOI in 3 Schritten.
Lunar Outpost Mission- Aufenthaltsdauer auf Mond: 180+30d
- Bei Landungen an einem Pol, hat der Parkorbit eine 90°-Inklination und einen freien aufsteigenden Knoten, welcher nicht "nachgeführt/angepasst" werden muss. Das LOI-Manöver wird in einem Schritt ausgeführt.
PS:
Die Studie hat ein paar Abbildungen, um das ganze zu illustrieren. Leider ist es rein durch Worte etwas schwer zu erklären.