Eine Reise zum Mars

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    19-Jan-2016
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Eine Reise zum Mars. Rainer Christiansen Fachhochschule Flensburg. Mars. Masse (Erde=1):0,11 Radius (Erde=1):0,53 Entf. Zur Sonne:228 Mill. km Rotation: 24,6 Std. Umlaufdauer:687 Tage Temperatur:max. 20 °C min. -140 °C. Höhenunterschiede auf Mars. Das Mars-Innere. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Eine Reise zum Mars

  • Eine Reise zum MarsRainer Christiansen Fachhochschule Flensburg

  • MarsMasse (Erde=1):0,11Radius (Erde=1):0,53Entf. Zur Sonne:228 Mill. kmRotation: 24,6 Std.Umlaufdauer:687 TageTemperatur:max. 20 Cmin. -140 C

  • Hhenunterschiede auf Mars

  • Das Mars-Innere

  • Auswahl wissenschaftlicher InstrumenteGamma Strahlen SpektrometerNeutronen SpektrometerWrmestrahlungskamera (THEMIS)Hochauflsende Kamera (MOC)Laser Hhenmesser (MOLA)Magnetometer

    Alpha Partikel Detektor undRntgenstrahlenspektrometer (APXS)Mssbauer SpektrometerPanoramakameraMikroskopkamera

  • Gamma Strahlen Spektrometer

  • Neutronen Spektrometer

  • Wrmestrahlungskamera (THEMIS)

  • Bilder von Themis

  • Hochauflsende Kamera (MOC)

  • Laser Hhenmesser (MOLA)

  • Magnetometer

  • Alpha Partikel Detektor und Rntgenstrahlen Spektrometer (APXS)

  • Mssbauer Spektrometer

  • Panoramakamera

  • Mikroskopkamera

  • Denkbare Reisewege von der Erde zum Mars

  • aErde + aMars= 2aDie Achse der Hohmann-EllipseDie Umlaufzeit auf der Hohmann-BahnT2 : TErde2 = a3 : aErde3 (3. Keplersches Gesetz) T = 518 TageDie Reisedauer zum MarsT = 259 TageDie Hohmann-Bahn

  • Beim Anflug zum Mars hat das Raumschiff die Geschwindigkeitv= 2 654,6 m/srelativ zum Mars. Durch die Gravitationskraft des Mars wird es weiter beschleunigt.Ungebremst wrde das Raumschiff mit der Geschwindigkeitv= 6 696 m/s= 20 507 km/hauf der Marsoberflche aufschlagen.Dabei wrde eine Energie von16,2 MJ/kgfreigesetzt.Das ist so viel, als wrde TNT-Sprengstoff mit der vierfachen Masse des Raumfahrzeuges zur Explosion gebracht.(TNT-Sprengstoff hat einen Energiegehalt von 4,14 MJ/kg)Fr eine "sanfte Landung" mte dem Raumfahrzeug diese gewaltige Energiemenge entzogen werden.Um das Fahrzeug mit der Schubkraft der Raketentriebwerke zu bremsen, wre sehr viel Treibstoff erforderlich.

  • Fr die Abbremsung des beim Mars ankommenden Raumfahrzeuges hat Walter Hohmann schon im Jahre 1925 das Prinzip der Brems-Ellipsen (Aerobraking) vorgeschlagenDie Brems-Ellipsen Aerobraking

  • Landestelle auswhlen

  • Zusammenbau und Test der Systeme

  • Aufbau der Einzelkomponenten

  • Der Flug zum Mars

  • Wenn wir berlegen, auf welchem Weg wir von der Erde zum Mars gelangen knnten, dann fallen uns zunchst unwillkrlich die in dieser Figur gezeigten Wege ein, die durch ihre Krze bestechen.Bei genauerem Nachdenken erweisen sie sich aber als unzweckmig. Denn eine Reise im Weltraum verluft grundstzlich anders als eine Reise auf der Erde, wo im Hinblick auf den Treibstoffverbrauch - der krzeste Reiseweg oftmals der gnstigste ist. Gem dem ersten keplerschen Gesetz bewegt sich ein Raumfahrzeug auf dem grten Teil seines Weges antriebslos auf einer Ellipsenbahn.Ein Antrieb ist nur beim Start und bei der Landung auf dem Mars (Bremsung) erforderlich, im Verlauf der Reise allenfalls zu gelegentlichen Kurskorrekturen. Im Weltraum spielt die Lnge des Reiseweges hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs keine Rolle.Die hier dargestellten Wege erfordern sowohl beim Start als auch bei der Landung einen hohen hohen Treibstoffverbrauch. Denn beim Start mu eine hohe Geschwindigkeit erreicht werden, und bei der Ankunft am Mars hat das Fahrzeug dann noch immer eine sehr hohe Geschwindigkeit, zu deren Abbremsung wiederum viel Treibstoff bentigt wird.Dabei ist auerdem zu bedenken, da der fr die Abbremsung erforderliche Treibstoff von der Erde mitgebracht werden mu. Dadurch erhht sich das Startgewicht - und damit auch der Treibstoffbedarf fr den Start - betrchtlich.Diese Reisewege sind also nicht gnstig. Die Hohmannbahn ist eine ellipsenfrmige Bahn, welche die Erdbahn uerlich und die Marsbahn innerlich berhrt.Die Halbachse der Hohmannbahn ist das arithmetische Mittel der Radien von Erd- und Marsbahn.Die Umlaufzeit auf einer vollstndigen Hohmann-Ellipse ergibt sich aus der Umlaufzeit der Erde oder des Mars nach dem dritten keplerschen Gesetz.Die Reisedauer von der Erde zum Mars lngs einer Hohmannbahn ist gleich der halben Umlaufzeit auf der Hohmann-Ellipse.Die erste Zeichnung dieser Folie darf nicht als Momentaufnahme vom Sonne, Erde und Mars verstanden werden. Wenn das Raumfahrzeug von der Erde startet, ist der Mars noch nicht an dem dargestellten Ort; wenn das Raumfahrzeug auf dem Mars landet, ist die Erde nicht mehr am dargestellten Ort.Der Vorgang wird durch die (annhernd mastabsgetreue) Animation beschrieben.Der Zeitpunkt des Startes von der Erde mu so gewhlt werden, da das Raumfahrzeug gleichzeitig mit dem Mars an der dargestellten Stelle der Marsbahn eintrifft.Falls der Mars bei der Ankunft des Raumfahrzeuges die errechnete Position bereits passiert hat, kann das Raumfahrzeug nicht einfach hinterherfliegen und den Mars einholen. Ebenso wenig kann das Raumfahrzeug auf den Mars warten, wenn es die angegebene Position frher als der Mars erreicht haben sollte. Denn wegen des Wechselspiels von Gravitation und Fliehkraft kann man auf einer bestimmten Bahn nur mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit fliegen. Eine Erhhung oder Verminderung der Reisegeschwindigkeit fhrt zwangslufig zum Verlassen der Bahn.

    Das zur vorigen Folie Gesagte gilt sinngem auch fr den Rckflug vom Mars zur Erde.Auch hier mu der Zeitpunkt des Startes so gewhlt werden, da das Raumfahrzeug gleichzeitig mit der Erde an einem bestimmten Punkt der Erdbahn ankommt.Den fr die Abreise gnstigen Zeitpunkt bezeichnet man als ein Startfenster.Das Raumfahrzeug tritt mit hoher Geschwindigkeit in den Anziehungsbereich des Mars ein. Fr eine weiche Landung mu dem Fahrzeug eine groe Menge an kinetischer Energie entzogen werden.Eine Bremsung mit der Schubkraft der Raketentriebwerke wrde sehr viel Brennstoff erfordern. Der Brennstoff mte von der Erde mitgebracht werden. Dadurch wrden das Startgewicht und damit zugleich die Kosten der Mission stark erhht. Die Mars-Atmosphre kann wegen ihrer geringen Dichte nur eine geringe Bremswirkung ausben. Trotz der geringen Bremswirkung wrde sich das Fahrzeug bei dem Flug durch die Mars-Atmosphre unzulssig stark erwrmen.Walter Hohmann hat schon im Jahre 1925 das Prinzip der "Bremsellipsen" (im modernen Sprachgebrauch: "Aerobraking") vorgeschlagen. Damit kann die Geschwindigkeit des Fahrzeugs schon vor der Einleitung eines Landemanvers stark herabgesetzt werden. Dabei wird das Fahrzeug beim Anflug so gesteuert, da es nur wenig in die Mars-Atmosphre eintaucht. Bei dem kurzen Flug durch die Atmosphre wird ein Teil der Bewegungsenergie in Wrme umgewandelt.Durch die Bremsung gelangt das Fahrzeug auf eine elliptische Umlaufbahn. Auerhalb der Mars-Atmosphre wird die aufgenommene Wrme in den Weltraum abgestrahlt. Nach Vollendung eines Umlaufs taucht das Fahrzeug erneut fr kurze Zeit in die Mars-Atmosphre ein. Durch die Bremsung werden die Achsen der elliptischen Umlaufbahn verkrzt. Der Vorgang wiederholt sich mehrmals; dabei wird das Fahrzeug abwechselnd gebremst und gekhlt.Beispiel: Die Mars-Sonde Odyssey wurde nach ihrem Anflug zum Mars (24. Oktober 2001) zunchst auf eine hochelliptische bergangsbahn mit dem marsnchsten Punkt in 300km Hhe ber dem Mars (Perizentrum) und dem marsfernsten Punkt in 27.000km Hhe (Apozentrum) gebracht. Danach wurde das Aerobraking eingeleitet, indem das Perizentrum allmhlich bis auf 116 km Hhe abgesenkt wurde. Im Januar 2002 tauchte die Sonde 332 mal in die Marsatmosphre ein. Um das Aerobraking zu beenden, wurde das Perizentrum auf 201km angehoben und die Sonde auf eine Umlaufbahn von 201 km mal 520 km Hhe gebracht. Endgltig soll Odyssey eine nahezu polare Bahn von 387km mal 450 km erreichen. Vgl. Tilmann Althaus: Mars-Odyssey: erfolgreicher Einschuss in Umlaufbahn, SuW 1-2002, S. 16