Warum eine Weltraummission nicht jederzeit fliegen kann: Was ist ein Startfenster?

Warum kann das Raumschiff nicht jederzeit gestartet werden? Was ist eine Startrampe? All dies erfahren Sie in unserem Artikel.

Artemis-I-Mission

Die Bedeutung der Artemis-I-Mission für die Menschheit wird oft mit dem Apollo-8-Flug im Jahr 1968 verglichen, als es dem Menschen zum ersten Mal in der Geschichte gelang, die Umlaufbahn des Mondes zu erreichen. Doch damals sollte ein erfolgreicher Flug zum Mond in erster Linie ein Sieg in der politischen und technologischen Konfrontation zwischen den USA und der UdSSR sein, die Wissenschaft stand im Hintergrund. Natürlich war das „Apollo“-Programm ein großer Erfolg, denn ein Mensch, der vor wenigen Jahrzehnten an Bord des ersten Flugzeugs die Erde verließ, überwand die Schwerkraft der Erde und befand sich in der Umlaufbahn eines anderen Himmelskörpers.

Von der wirtschaftlichen Komponente war damals kaum die Rede. Aber sechs Jahrzehnte später sind es gerade die wirtschaftlichen Vorteile der Erforschung der Mondressourcen, die den Menschen veranlassen, zum Mond „zurückzukehren“. Wenn der einzige Grund für solche Missionen darin bestand, die Flagge ihres Landes auf der Mondoberfläche zu platzieren, was natürlich zunächst von den Menschen als solche wahrgenommen werden könnte, frage ich mich, ob jetzt so große Ressourcen involviert wären. Schließlich gibt es jetzt viel ernstere Probleme auf der Erde. Aber der Weltraumwettlauf geht weiter, und die Vorteile hier werden sehr wichtig sein, einschließlich der wirtschaftlichen.

Das heißt, die Absage des Starts der Mission Artemis I am 29. August führt zu wirtschaftlichen und finanziellen Verlusten. Es scheint, dass sie nicht am 29. gestartet wurden, dann hätten sie es am 30. oder 31. August starten können, aber sie haben es auf den 3. September verschoben. Ich bin sicher, dass viele von Ihnen nicht verstehen, warum gerade dieses Datum gewählt wurde. Sie sprechen von einigen Startfenstern, von günstigen Bedingungen für den Start. Finden wir es heraus.

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Strenge Anforderungen an das Startdatum der Mission

Das fragliche Startfenster ist eine Bedingung, die von Natur und technologischen Beschränkungen auferlegt wird, eine Bedingung, die beim Start jedes Weltraumobjekts berücksichtigt werden muss. Bei Flugzeugen ist ein Abflugfenster meist optional, aber aufgrund des starken Flugverkehrs starten sie auch zu einer bestimmten Zeit, also nach Plan. Gäbe es keine solche Einschränkung, könnte das Flugzeug starten und landen, wann immer es wollte. Aber Flüge im Luftraum müssen geordnet ablaufen. Dies gilt nur für den Luftraum der Erde, wo seit Jahrzehnten konditionierte Luftkorridore für die Zivilluftfahrt angelegt werden.

Eine Rakete mit einem Raumschiff könnte das theoretisch auch, aber der begrenzte Treibstoffvorrat verhindert dies. Dasselbe, durch das ja Es ist schwierig, zur Erde zurückzukehren. Im Moment können wir nur dann auf einer sorgfältig berechneten Flugbahn fliegen, wenn wir die Positionen der Planeten oder des Mondes mit der Erde abgleichen können. Jede Abweichung erfordert überschüssige Treibstoffreserven, aber im Weltraum können sie nicht wie Boni in einem Arcade-Spiel gesammelt werden.

Flüge zum Mars finden deshalb bisher nur im Zweijahresrhythmus statt, wenn seine Position am Ende der Flugbahn einer Sonde oder eines anderen Geräts für die Erfüllung der Aufgaben günstig ist. Bei Missionen, die über die Grenzen des Sonnensystems hinausgehen, können die Flugbahnen deutlich komplizierter werden, da auch die Wirkung der Schwerkraft anderer Planeten auf die geplante Flugbahn berücksichtigt werden muss. Beispielsweise wurde während des Fluges der Voyager an die Grenzen des Sonnensystems die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft der Venus berücksichtigt, und das Schiff New Horizons wurde in ähnlicher Weise von der Schwerkraft des Jupiter beeinflusst. Denn Kraftstoff ist im Weltraum noch immer eine knappe Ressource und die auf seiner Verbrennung basierenden Antriebstechnologien noch sehr primitiv. Ja, jemand wird die Weltraumpaneele erwähnen, die den Sonden helfen, den kosmischen Wind zu nutzen, um sich anzutreiben, aber es sind die Sonden, nicht das Raumschiff, die Treibstoff benötigen, um in die Umlaufbahn und zurück zur Erde zu gelangen. Und davon braucht man viel.

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Was sind Launchpads für Startups?

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich im Zentrum eines Leichtathletikstadions und möchten einen der Athleten treffen, der auf einem Laufband läuft. Wir können versuchen, ihn einzuholen, aber dafür müssen wir schneller laufen als er, und wir werden viel Energie aufwenden. Es ist viel vernünftiger zu berechnen, wann der Läufer in der günstigsten Position sein wird, damit er abgefangen werden kann und ihm im richtigen Moment entgegengehen kann. Kalkulationen müssen stimmen, damit wir nicht zu früh oder zu spät ankommen. Der optimale Zeitpunkt für den Umzug ist unser Startfenster.

Gleiches gilt für Weltraummissionen. Ein Startfenster ist einfach der Zeitraum, in dem ein Raumfahrzeug einen bestimmten Punkt im Weltraum zu einer bestimmten Zeit erreichen kann. Gleichzeitig werden die Leistungsfähigkeit der Rakete und die Flugbahn des Weltraumobjekts, auf das die Vorrichtung treffen muss, berücksichtigt. Daher sind die Fenster für verschiedene Missionen unterschiedlich. Beispielsweise öffnet sich das Startfenster für eine Mission zum Mars alle 780 Tage. Aber für den Start von "Voyager-2", dessen Ziel Planeten wie Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sind, nutzten sie ein Zeitfenster, das sich nur alle 175 Jahre bietet. Auf der anderen Seite haben wir das Beispiel der Rosetta-Mission, die ursprünglich den Kometen 46P / Wirtanen untersuchen sollte, diese Gelegenheit jedoch aufgrund einer Startverzögerung verpasst wurde, sodass ein neues Ziel für die Mission gewählt wurde, der Komet 67P / Churyumova -Gerasimenko.

Kurz gesagt, das Startstartfenster ist das Zeitintervall, das aus Berechnungen der Orbitalmechanik berechnet wird, während dessen ein bestimmtes Raumfahrzeug abheben und erfolgreich sein endgültiges Ziel erreichen kann. Natürlich unter Berücksichtigung der geplanten Flugbahn und der Masse des benötigten Treibstoffs. Daher erfordert das Anfangsfenster eine günstige Position von Himmelskörpern, deren Schwerkraft die Bewegung des Fahrzeugs erheblich beeinflusst.

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Vier Faktoren, die das Startfenster beeinflussen

Es gibt vier Faktoren, die die Wahl des Startfensters für den Start einer Weltraummission, einschließlich Artemis I, beeinflussen. Sie sind so eng miteinander verbunden, dass eine Diskrepanz in einem der Faktoren die Wirkung der anderen sofort zunichte macht.

Bahnen und Neigungen

Zum Beispiel muss Discovery eine wichtige Fracht zur ISS liefern. Zunächst müssen Wissenschaftler zwei verschiedene Flugbahnen berücksichtigen: die Flugbahn des Shuttles selbst und die der Internationalen Raumstation. Wissenschaftler müssen sicherstellen, dass sich die beiden Umlaufbahnen auf jeden Fall treffen, da der Zweck dieser Mission darin besteht, die notwendige Versorgung zur Raumstation zu liefern. Dazu berechnen sie die Ebene der Umlaufbahn der Station, ein imaginäres Blatt, das die Erde durchschneidet und die Raumstation an ihrem Rand hält.

Wenn sich die Erde und die Raumstation bewegen, bewegt sich auch das konventionelle Flugzeug, das sie verbindet. Wissenschaftler müssen den Zeitpunkt finden, an dem der Rand der Erde die Startrampe des Kennedy Space Center in Florida schneidet, von der aus das Schiff starten soll. Sie dürfen nicht mehr als einen Abschluss verpassen. Die Erde dreht sich in fünf Minuten um 1 Grad, also sollte der Start genau innerhalb dieser fünf Minuten stattfinden.

Außerdem muss der Start erfolgen, wenn sich die Raumstation von Süden nach Norden bewegt. Dies liegt daran, dass das Shuttle die Station erfolgreich überholen und gleichzeitig seinen 15-stöckigen externen Treibstofftank über dem Ozean abwerfen muss, wo er keine Bedrohung für Menschen darstellt. Der Ozean liegt im Nordosten, daher muss der Start von Discovery warten, bis sich die Raumstation nach Norden bewegt. Damit bleibt dem Space Shuttle ein fünfminütiges Startfenster pro Tag.

Was die Mission Artemis I betrifft, so ist sie hier noch interessanter. Die NASA will Orion in eine weit rückläufige Umlaufbahn um den Mond bringen. Dies ist eine sehr stabile Umlaufbahn mit zwei Lagrange-Punkten. Gleichzeitig bewegt sich der Apparat in der dem Mond entgegengesetzten Richtung um die Erde. Bisher wurde diese Umlaufbahn nur von einem Gerät genutzt - dem chinesischen Chang'e 5. Um in diese Umlaufbahn einzudringen, müssen die Triebwerke gestartet werden, die das Gerät im richtigen Moment und zur richtigen Zeit zum Mond bringen. Dieses Manöver wird TLI (Trans-Lunar Injection) genannt, und die Genauigkeit seiner Ausführung ist äußerst wichtig. Dies ist ein Element, das bei der Berechnung des Startfensters berücksichtigt werden muss.

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"Präzession" bewegt das Fenster

Auch sollte man das Phänomen der Präzession nicht vergessen. Sie sehen die Präzession jedes Mal, wenn das Kind beginnt, die Spitze der Schablone zu drehen. Zuerst macht seine Rotationsachse einen Kreis in der Luft in der der Rotation entgegengesetzten Richtung, wobei die Oberseite zuerst in eine Richtung, dann in die andere geneigt wird.

Die Erde führt eine Zeitlupenversion dieses Tanzes auf, während sie die Sonne umkreist, und von Menschenhand geschaffene Satelliten tun dasselbe, wenn sie die Erde umkreisen.

Es gibt eine Formel, mit der NASA-Wissenschaftler berechnen können, wie stark der Satellit wackeln wird. Addieren Sie die Anzahl der Umdrehungen, die der Satellit pro Tag macht, die Größe und Exzentrizität der Umlaufbahn und die Neigung, und Sie haben die Schwingungen. Für die Internationale Raumstation ergeben diese Zahlen einen Wert von fast 5 Grad pro Tag, was etwa 20 Minuten der täglichen Rotation der Erde entspricht.

Dies gilt auch für den Mond und andere Planeten des Sonnensystems. Diese Schwankungen erfordern eine genaue Berechnung, da sonst jede Anpassung einen übermäßigen Kraftstoffverbrauch und den Verlust der gewünschten Flugbahn erfordert.

Wetterbedingungen beim Start

Von Zeit zu Zeit hörten wir, dass der Start der Rakete wegen ungünstiger Wetterbedingungen abgesagt wurde. Ja, die Natur muss nicht auf uns warten, es gibt immer wieder einige Wetterphänomene auf der Erdoberfläche, wie Stürme, Gewitter, Sandstürme, Schneestürme usw.

Meteorologen der Weltraumbehörde jonglieren wie Profis, indem sie Wolkendecke, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie Stürme und andere ungünstige Ereignisse an sechs verschiedenen Orten über 13 Tage verfolgen. Sie genehmigen den Start nur, wenn die Rakete beispielsweise nicht möglicherweise in einen Sturm oder Sandsturm geraten ist.

Lichtverhältnisse

Das Startfenster sollte eine gute Beleuchtung für alle Kameras ermöglichen, damit das Flugkontrollteam sehen kann, wie gut alle Systeme und Einstellungen des Schiffs funktionieren, was dazu beiträgt, die Sicherheit der Besatzung der Weltraummission zu gewährleisten.

Zum Beispiel kann Orion gemäß den NASA-Regeln nicht länger als 90 Minuten am Stück im Schatten sein. Denn es braucht Sonnenlicht für die Panels und um die optimale Temperatur des Geräts aufrechtzuerhalten.

Hinzu kommen weitere Faktoren im Zusammenhang mit dem Landeprozess, bei dem Orion in die oberen Schichten der Erdatmosphäre eindringen, diese dann für einen Moment verlassen und wieder, bereits endgültig, in die Atmosphäre eintauchen muss. Dazu muss das Gerät jedoch rechtzeitig die entsprechende Flugbahn relativ zur Erde erreichen. Der letzte zu berücksichtigende Aspekt ist die Landezeit. Orion soll tagsüber im Ozean landen, um es den wartenden Teams zu erleichtern, die Kapsel zu finden und zu bergen.

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Der Start erfolgt nicht von einer stationären Startrampe. Auch das Ziel ist ständig in Bewegung

Lassen Sie uns ausführlicher über einige der Details sprechen, die für den Start der Artemis-I-Mission berücksichtigt werden müssen, die möglicherweise bereits heute Abend startet.

Der Mond steht in Erdnähe und hier dürfte es wohl keine großen Probleme geben. Nun, leider gibt es unter anderem die Bewegung unseres Planeten und des Mondes. Unser Satellit dreht sich nicht nur am Äquator mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 km/s um seine eigene Achse, er umkreist die Sonne auch auf einer nahezu kreisförmigen Bahn mit einer Geschwindigkeit von 30 km/s. Zu berücksichtigen ist auch, dass zur eigenen Anfahrgeschwindigkeit die Geschwindigkeit der Erdbewegung addiert wird.

Darüber hinaus ändert sich die Position von Sonne und Mond relativ zur Erdbahn ständig, dies muss ebenfalls berücksichtigt werden. Somit kann ein Start von der Erde zum Mond bei gleichem Energie-/Kraftstoffverbrauch je nach Zeitpunkt dieses Starts zu einem anderen Ergebnis führen.

Theoretisch können wir ein solches Raumschiff bauen, das stark genug ist, um jeden Tag zum Mond zu fliegen. Und vielleicht wird es in Zukunft so sein. Vorerst erfordert der Erfolg der Artemis-I-Mission jedoch eine sorgfältige Auswahl der Startzeit von der Erde, die es dem Orion-Raumschiff ermöglicht, sich zum Mond zu bewegen und dann in die geplante Umlaufbahn um unseren Satelliten einzutreten. Selbst wenn der Start planmäßig erfolgt, kann eine Verzögerung von mehreren Tagen zu erheblichen Änderungen der Missionsdauer führen.

Derzeit kann die Artemis-I-Mission je nach Startzeit zwischen 26 bis 28 Tage oder 38 bis 42 Tage dauern. Wir gehen davon aus, dass diese Mission länger dauern wird, da Orion in seiner weit rückläufigen Umlaufbahn 1,5 Umdrehungen um den Mond absolviert. Wenn die kürzere Option in Betracht gezogen wird und der Austritt in die Mondumlaufbahn zu einem anderen Zeitpunkt erfolgt, wird Orion nur 1 Umdrehung um den Mond machen, bevor er mit seiner Rückkehr zur Erde beginnt.

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Zukünftige Starttermine für Artemis I sind möglich

Das aktuelle Startfenster für die SLS-Rakete und ihre Nutzlast, die die Missionskriterien erfüllt, ist der 2. bis 6. September. Es ist bereits bekannt, dass die NASA das nächste Datum für den Start der Artemis-I-Mission gewählt hat - den 3. September 2022 zwischen 21:17 und 23:17 Uhr Kiewer Zeit. Auch jeder Folgetag hat eine bestimmte Startzeit. Wenn Sie nicht innerhalb dieser Zeit abheben, werden die folgenden Startfenster angezeigt:

• vom 20. September bis 28. September
• vom 30. September bis 4. Oktober
• vom 17. bis 23. Oktober
• 27. Oktober
• vom 29. bis 31. Oktober
• usw…

Wir können nur abwarten und hoffen, dass der erfolgreiche Start der historischen Artemis-I-Mission bald erfolgen wird.

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