Einführung

Die zuvor beschriebene Konfiguration von ARCHIMEDES beruht auf einer Anpassung von ARCHIMEDES an die P5-A Marssonde der Amateurfunk-Organisation AMSAT als „Transportträger“, da ursprünglich eine gemeinsame Mars-Mission von AMSAT und MSD angestrebt und in den Jahren 2003-2005 im Detail entworfen wurde. Der ursprüngliche ARCHIMEDES Entwurf orientierte sich an den Möglichkeiten, die der Mitflug mit der P5-A Marssonde bot und wird deshalb in diesem Kapitel weiterhin als Referenzentwurf beschrieben.

Das grundlegende Konzept von ARCHIMEDES ist jedoch unabhängig von dem Transporträger, der letztendlich ARCHIMEDES zum Mars beförden würde. Das kann grundsätzlich jedes Raumfahrzeug sein, das zum Mars fliegt. Der Ablauf der Mission von ARCHIMEDES ändert sich dadurch nicht und alle wesentlichen Merkmale der Konstruktion von ARCHIMEDES, wie sie in diesem Kapitel beschrieben sind, bleiben identisch:

  • Verwendung eines Ballon von 10m Durchmesser mit dem in ihn integrierten Geräteträger als Eintrittskörper
  • das Konstruktionsprinzip der Systeme für Verstauung, Ausbringung, Entfaltung und Aufblasen des Ballons
  • das Missionsprofil für Eintritt und Abstieg
  • die komplette Avionik

 

12_2 Die interplanetare Reisegruppe-P5-A mit ARCHIMEDESBesondere Merkmale der Anpassung von ARCHIMEDES an die Gegebenheiten des P5-A sind die zentrale Unterbringung von ARCHIMEDES in dem Antriebsmodul des P5-A, die Unterbringung der Tanks und des Systems zum Aufblasen des ARCHIMEDES Ballons in dem Antriebsmodul, und die Benutzung des P5-A Antriebsmoduls, das für den Transport zum Mars und den Einschuss in eine Marsumlaufbahn benötigt wird, um ARCHIMEDES in eine Marseintrittsbahn zu befördern. Die Abbildung stellt das schematisch dar.

Die grundlegende konstruktive Auslegung von ARCHIMEDES würde bei Benutzung eines anderen Transportträgers für ARCHIMEDES zum Mars nicht verändert, wie in der Einleitung ausgeführt wurde.

P5-A mit ARCHIMEDES

P5-ADie P5-A Sonde der AMSAT ist tellerförmig konstruiert und trägt die Hochgewinn-Antenne (HGA) auf der einen Seite. In einem äußeren Ring sitzen die Drallräder und an jeder der sechs Seiten befindet sich ein Solarzellen-Paneel. Auf der Unterseite des Tellers befinden sich die Befestigungspunkte und die Schnittstelle zum gemeinsamen Antriebsmodul. In der Mitte des Tellers wird eine zylindrische Aussparung Platz für ARCHIMEDES bieten. Der Ballon mit dem Instrumententräger, der Bordelektronikeinheit und dem Hitzeschutzschild (Nasenkappe) wird in einem Behälter eng verpackt verstaut. Es ist geplant, in die  Nasenkappe des in den Ballon integrierten Geräteträgers ein Quarz-Kristall-Fenster einzubringen, die es erlaubt, mit einer Bordkamera schon während des Abflugs von der Erde, sowie später aus der Mars-Umlaufbahn und während des Atmosphäreneintritts Aufnahmen zu machen.

09_Seite 12_DeOrbit_manoeuvre_modDas Antriebsmodul des P5-A besteht aus einem ebenfalls sechseckigen Kasten mit sechs Kammern. Die Treibstofftanks besetzen insgesamt vier Kammern (zwei Oxidator-Tanks, zwei Brennstoff-Tanks). In einer der beiden übrigen Kammern befindet sich der Helium-Drucktank für das Treibstoffsystem, und in der anderen der Helium-Tank für den ARCHIMEDES Ballon nebst Aufblassystem samt Rohrleitungen. Die Oxidator-und Brennstoff-Tanks des P5-A Satelliten sitzen sich jeweils gegenüber, um während der Mission eine geringere Verschiebung des Schwerpunktes während der Tankentleerung zu bewirken. Entsprechend sitzen sich auch die Gastanks für ARCHIMEDES und für das Treibstoff-Drucksystem gegenüber.

Wegen der relativ geringen Tragfähigkeit des aufgeblasenen Ballons in der dünnen Marsatmosphäre muss auf eine ausgesprochen leichte Bauweise des in die Ballonhaut integrierten Geräteträgers mit Bordelektronik und Instrumenten geachtet werden. Der Größenunterschied zwischen Ballon und Geräteträger ist sehr groß.

Technische Herausforderungen

Bisher durchgeführte wissenschaftlichen Analysen und Untersuchungen zum ARCHIMEDES Konzept zeigten keine prinzipiellen physikalischen Hinderungsgründe für die geplante Ballonmission

  • Die maximalen aerodynamischen Kräfte beim Eintritt in die Marsatmosphäre sind mehr als eine Größenordnung geringer als der Überdruck des Ballons
  • CFD-Untersuchungen (Computational Fluid Dynamics) am Institut für Thermodynamik der UniBW München haben gezeigt, dass der Ballon die auftretende Wärme ohne große Aufheizung abstrahlen kann.

Im November 2004 wurde die konkrete technische Umsetzung von ARCHIMEDES in Angriff genommen, wobei Technologien zur Realisierung der einzelnen Komponenten untersucht wurden.

MIRIAM-1 und BallonbehälterDer Ballon bleibt verstaut vom Start der Rakete bis zu seiner Entfaltung in einer Marseintrittsbahn (hier: MIRIAM-1)

 Die herausragenden Anforderungen an die Entwicklung sind:

  1. Der Aufbau der Ballonhaut, im Wesentlichen eine materialtechnische und verarbeitungstechnische Aufgabenstellung
  2. Die Verstauung des Ballons auf möglichst engem Raum, wobei gleichzeitig sichergestellt bleiben muss, dass der Ballon nach einer langen Verstauzeit von bis zu 18 Monaten seine Dichtigkeit erhält, entfaltet und aufgeblasen werden kann
  3. Die automatische Entfaltung und das Aufblasen des Ballonkörpers ohne menschliches Eingreifen im Weltraum
  4. Die Beherrschung der Funkstrecken mit minimaler Leistung.
Konfiguration

Einerseits hat ARCHIMEDES in dem beschriebenen Programmkonzept mit dem P5-A ein stark überdimensioniertes Abstiegssystem, welches durch seine größere Masse, zum Beispiel gegenüber einem kleinen Kaltgastriebwerk, den Treibstoffverbrauch beim Abstieg in eine Marseintrittsbahn erhöht. Andererseits jedoch hat das 400 Newton Hydrazin-Triebwerk, das für den P5-A geplant ist, gegenüber einem kleinen Kaltgastriebwerk einen erheblich höheren spezifischen Impuls, so dass der notwendige Treibstoffvorrat pro Kilogramm Masse sinkt. Außerdem wird die Gesamtmission bei den interplanetaren Raumflugmanövern um die Masse der Struktur und der Düse des zusätzlichen Kaltgastriebwerks erleichtert.

Gegenüber einem Konzept mit einem eigenen Triebwerk ergibt die Mitbenutzung des P5-A Antriebsmoduls lediglich einen Massenvorteil von etwa 10 kg in der Gesamtbilanz des P5-A/ARCHIMEDES Raumfahrzeugs. Dies ist also ein Vorteil, aber kein entscheidender.

09_Seite 12_DeOrbit_manoeuvre_modDas P5-A Antriebsmodul liefert mit seinem kleinen Hydrazin-Triebwerk den gesamten Schub für den Flug zum Mars und den Abstieg von ARCHIMEDES in eine Marseintrittsbahn

Der wesentliche Vorteil der gemeinsamen Nutzung des P5-A Antriebsmoduls besteht vielmehr darin, dass zum einen weniger Bauraum für die Gesamtmission benötigt wird und zum anderen die Mission für ARCHIMEDES weniger komplex wird und ARCHIMEDES über weniger Einzelteile verfügt.

Das P5-A Antriebsmodul bietet Platz für den Gastank des Ballon-Aufblassystems von ARCHIMEDES. Da dieser Tank nun nicht mehr in den Bauraum von ARCHIMEDES passen muss, kann auf einen Tank zurückgegriffen werden, der über einen relativ geringen Innendruck verfügt und damit leicht auf dem freien Markt zu beschaffen ist.

Bild 2_Seite 4_Separation and DeOrbit manoeuvre_modTrennung des P5-A Antriebsmoduls mit ARCHIMEDES vom P5-A Orbiter

Die derzeitige Abschätzung der Massenbilanz der Marssonde ARCHIMEDES ergibt eine Gesamtmasse von 73 kg. Dabei wird von einer Konfiguration von P5-A mit ARCHIMEDES ausgegangen mit Mitbenutzung des P5-A Antriebsmoduls durch ARCHIMEDES. Der für ARCHIMEDES vom P5-A mitzuführende zusätzliche Treibstoff ist nicht enthalten und bewegt sich im Bereich von etwa 8 kg.

10_ARCHIMEDES MassenbilanzARCHIMEDES Massenbilanz

Wie zuvor ausgeführt, würde sich die Gesamtmasse von ARCHIMEDES durch das Mitführen eines eigenen Antriebssystems für den Einschuss von ARCHIMEDES in eine Marseintrittsbahn um etwa 10 Kg erhöhen.

Ballonfertigung

siehe Kapitel „Der ARCHIMEDES Ballon-ein High Tech Produkt„.

Ausbringung des Ballons

ARCHIMEDES selbst sitzt hinter dem Triebwerk in der Schubstruktur des P5-A Antriebsmoduls in einem sechseckigen Strukturkasten. Bei seiner Ausbringung wird ARCHIMEDES mit Hilfe eines Federmechanismus so weit nach vorne geschoben, dass das Ballon-Paket ohne Verpackung im freien Weltraum schwebt und frei entfaltet werden kann. Aufgeblasen wird über das Nordpol-Fitting (Der Anschaulichkeit halber werden Orte auf dem aufgeblasenen ARCHIMEDES Ballon wie bei einem Planeten bezeichnet). Ein Fitting ist ein mechanischer Ballon-Anschlusspunkt, also der Übergang von “harten” auf “weiche” Teile. Am Südpol-Fitting sind der Geräteträger und die Nasenkappe mit ihren Experimenten untergebracht. Die Nasenkappe schützt den Geräteträger vor der Hyperschall-Strömung, da die Struktur des Geräteträgers einen geringeren Radius als der große Ballon aufweist und deshalb heißer wird (die Aufheizung beim Wiedereintritt ist umgekehrt proportional zur Wurzel des angeströmten Radius).

Datenübertragung

Wegen der unbestimmten Lage des aufgeblasenen Ballons und der Position des die Daten vom Ballon empfangenden Satelliten müssen sowohl für den Ballon wie auch für den Satelliten Rundstrahlantennen verwendet werden, um eine sichere Funkverbindung aufzubauen. Um trotzdem brauchbare Datenraten zu erzeugen, wird eine Übertragungsfrequenz von 145 MHz angestrebt. Damit wird die höchstmögliche Datenübertragungsrate erreicht. Die beträgt bei einer maximalen Sendeleistung von ca. 1-2 Watt, bei geschickter Codierung und einer maximaler Entfernung von ca. 25 000 Kilometern (Orbiter im Apozentrum) etwa 4 Kilobit pro Sekunde.

Energieversorgung

Für die Mission ARCHIMEDES ist der Einsatz von Primärbatterien vorgesehen. Diese können nicht wieder geladen werden, speichern aber mehr Energie pro Kilogramm und erfordern keinen Laderegler und Solarzellen nebst Struktur, was den Ballon entlastet und die Masse senkt, und haben eine lange Lagerdauer ohne Kapazitätsverlust. Um die Batterien der Gondel zu entlasten, wird in der Nasenkappe eine eigene Primärbatterie eingebaut. Dieses wird die Instrumente so lange mit Energie versorgen, bis die Nasenkappe abgetrennt wird, und die Batterien des Instrumententrägers zum Einsatz kommen. Dieses Szenario hat sich aus wissenschaftlicher Sicht als optimal herausgestellt.