Aerobraking Mars Orbiter überraschte Wissenschaftler

Der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) hat das Aerobraking abgeschlossen und seine primäre wissenschaftliche Phase wird bald ernsthaft beginnen. Der Projektwissenschaftler von MRO und Mitglieder des Navigationsteams diskutieren die Feinheiten und Herausforderungen des Aerobraking in der sich ständig ändernden Marsatmosphäre.

Das Navigationsteam des Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) hat die komplizierte Aufgabe des Aerobraking erfolgreich abgeschlossen. Der Prozess war jedoch nicht ohne Herausforderungen oder Überraschungen.

Aerobraking ist eine Technik, die erstmals 1993 von der Magellan-Mission zur Venus und 1997 auch von zwei anderen Mars-Missionen, dem Mars Global Surveyor (MGS) und Mars Odyssey (2001), angewendet wurde. Beim Aerobraking wird wiederholt in die Atmosphäre eingetaucht, um das Raumschiff allmählich zu verlangsamen und die Größe der Umlaufbahn zu verringern. Während das Aerobraking Zeit braucht, spart es wie im Fall von MRO die benötigte Kraftstoffmenge um 600 Kilogramm.

Zu Beginn des Aerobraking von MRO Anfang April 2006 befand sich der am weitesten entfernte Punkt der Umlaufbahn (Apoapsis) etwa 45.000 km über der Oberfläche. Während des Aerobrakings lag der nächstgelegene Punkt der Umlaufbahn, Periapsis genannt, zwischen 98 und 110 km (61 bis 69 Meilen). Der Breitengrad dieser nächsten Annäherung begann in der Nähe von 65 Grad südlich, bewegte sich südlich am Winterpol vorbei und war fast wieder am Äquator, als ein Ausstiegsmanöver am 30. August das Aerobraking beendete. Zwei nachfolgende Manöver zur Anpassung der Antriebsbahn ermittelten dann die aktuelle Umlaufbahn von MRO auf 316 km x 250 km über der Oberfläche, wobei Periapsis und Apoapsis über dem Süd- bzw. Nordpol eingefroren waren.

Während des Aerobraking besteht das Ziel darin, das Raumfahrzeug in einem „Korridor“ der Atmosphäre an jedem Periapsis-Durchgang zu steuern, der genügend Luftwiderstand bietet, um das Raumfahrzeug zu verlangsamen, ohne eine der Komponenten zu überhitzen.

Um den Aerobraking-Prozess zu unterstützen, verwendet das Navigationsteam ein atmosphärisches Modell namens Mars-GRAM (Global Reference Atmospheric Model), eine Computerdatenbank mit Informationen aus früheren Missionen, kombiniert mit einem mathematischen Modell, das versucht, die Atmosphäre des Mars zu simulieren Dynamik. Dies liefert eine Vorhersage der Dichte der Marsatmosphäre und gibt den Navigatoren eine Schätzung, wie weit das Raumschiff in die Atmosphäre vordringen sollte.

Die atmosphärische Dichte, die MRO tatsächlich erlebte, war jedoch sehr unterschiedlich zu der vom Mars-GRAM vorhergesagten.

"An einigen Stellen in der Atmosphäre konnten wir einen Unterschied in der atmosphärischen Dichte um den Faktor 1,3 feststellen, was bedeutet, dass sie 30% höher war als das Modell", sagte Han You, Leiter des Navigationsteams bei MRO. "Das ist ziemlich viel, aber um den Südpol herum haben wir einen noch größeren Skalierungsfaktor von bis zu 4,5 gesehen, was bedeutet, dass er 350% vom Mars-GRAM-Modell abweicht."

„Als wir in einer etwas höheren Höhe anfingen, lief das Mars-GRAM-Modell ziemlich gut“, sagte Richard Zurek, Projektwissenschaftler bei MRO. "Als wir in die niedrigere Höhe kamen, war der Skalierungsfaktor, auf den es abgestellt war, größer und wurde noch größer, als sich die Periapsis in Richtung Südpol bewegte."

Zurek sagte, dass einige Variationen in der atmosphärischen Dichte erwartet wurden und sie erwarteten, dass Anpassungen am Modell vorgenommen werden müssten. Aber sie waren ein wenig überrascht über die Menge der Variationen. "Wir dachten nach unseren früheren Erfahrungen, wir sollten die Pole etwas besser runter haben", sagte er.

Zurek erklärte die Ursache der Unterschiede. "Eine der Variationen ist, wo Sie auf dem Planeten sind", sagte er. „Die Polarregion unterscheidet sich von den niedrigen Breiten, den Tropen und dem Äquator. Obwohl wir bei früheren Missionen in der Atmosphäre waren, war es nicht genau dieselbe Jahreszeit, es war nicht genau der gleiche Breitengrad zu dieser Jahreszeit und schließlich war es zu einer anderen Tageszeit. "

„Im Wesentlichen geschah“, fuhr Zurek fort, „dass das Modell voraussagte, dass die Pole kälter waren als sie tatsächlich gewesen sein müssen, sodass die Dichte auf dem Weg zum Pol weniger steil abnahm als vorhergesagt. Das waren die Faktoren, die wir beim Aerobraking ausgleichen mussten. “

Um die Dinge noch schwieriger zu machen, kann die atmosphärische Dichte auf dem Mars von Tag zu Tag und sogar von Umlaufbahn zu Umlaufbahn stark variieren.

"Wenn Sie während eines Aero-Passes in eine bestimmte Höhe fliegen, können Sie eine andere Dichte feststellen, obwohl Sie wiederholt in dieselbe Höhe fliegen", sagte Zurek. "Für MRO waren wir über einen ziemlich langen Zeitraum, mehrere Monate, auf 100-105 km und sahen dennoch eine ziemliche Variation."

Zurek erklärte, dass die täglichen Schwankungen in der Atmosphäre ziemlich groß sind, teilweise weil es keinen Ozean gibt, der als große Wärmespeicherkapazität an der Oberfläche dient. Der Boden erwärmt sich tagsüber schnell und kühlt nachts genauso schnell ab. Tägliche Temperaturschwankungen von 100 ° C sind häufig, und dieser Heiz- und Kühlzyklus spiegelt sich in atmosphärischen Schwankungen wider. "Diese Energie breitet sich aus und wenn sie in die Höhen integriert wird, kann sie von Tag zu Nacht einen großen Unterschied in der Dichte bewirken, die wir in einer bestimmten Höhe gesehen haben", sagte Zurek.

Außerdem ist der Luftdruck auf dem Mars drastisch niedriger als auf der Erde – 6 Millibar im Vergleich zu 1000. Der Haupteffekt des niedrigen Oberflächendrucks besteht darin, dass die Atmosphäre sehr schnell auf Temperaturänderungen reagiert.

"Es ist schwer vorhersehbar, wie hoch die Dichte in einer bestimmten Höhe hoch in der Marsatmosphäre sein wird", sagte Zurek. "Das liegt daran, dass es von all den Dingen abhängt, die in tieferen Lagen passieren, manchmal bis zum Boden."

Selbst Erdmeteorologen geben zu, dass sie den Zustand unserer Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht immer vorhersagen können. Daher ist die Vorhersage der atmosphärischen Bedingungen auf einem anderen Planeten recht komplex. Mick Kjar, ein Meteorologe für KVLY-TV in Fargo, North Dakota, der auch als Pilot ausgebildet wurde, drückte seine Bewunderung für seine Kollegen aus, die versuchen, das Marswetter vorherzusagen.

"Ich bin sicher, dass sie lernen, während sie gehen", sagte Kjar. „Frühe Flieger nannten es Fliegen am Sitz Ihrer Hose. Sie mussten nur am Stock ziehen, je nachdem, wie es sich anfühlte. Aber das ist eine große Herausforderung, wenn Sie ein Raumschiff aus Millionen von Kilometern Entfernung digital fliegen. "

Zu sagen, dass die MRO-Navigatoren „am Sitz ihrer Hose vorbeiflogen“, mag übertrieben sein, aber der Aerobraking-Prozess erforderte ständige Wachsamkeit durch das Navigationsteam. "Es geht darum, Ihren Instinkt aus früheren Erfahrungen zu überprüfen, zu überprüfen, zu überprüfen und manchmal zu nutzen", sagte Neil Mottinger, ein Mitglied des MRO-Navigationsteams. "Deshalb waren wir rund um die Uhr dort."

Ein weiteres Problem, mit dem sich frühere Mars-Missionen bis vor kurzem nicht befassen mussten, ist die Möglichkeit, dass zwei umlaufende Raumschiffe kollidieren. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr gering, aber wie Han You betonte, ist dies definitiv eine Situation, die alle Missionen vermeiden wollen.

"Auf dem Mars fängt es an, ein wenig überfüllt zu sein, und alle Missionen ähneln einer ähnlichen Art von sonnensynchroner Polarumlaufbahn", sagten Sie. Das Wissenschaftsteam von MRO wählte 15:00 Uhr als aufsteigenden Knoten für seine lokale (mittlere) Sonnenzeit, da es insgesamt die besten Betrachtungsbedingungen für seine verschiedenen Kameras und Spektrometer bietet. Darüber hinaus ermöglicht die polare Umlaufbahn der MRO, über einen Zeitraum von ein paar Wochen nahezu jeden Ort auf dem Planeten zu betrachten.

Die COLA-Analyse (Collision Avoidance) wird häufig für das Shuttle und andere erdumlaufende Satelliten verwendet, wurde jedoch erst kürzlich für den Mars entwickelt. "Dies ist etwas Neues, sehr Neues, und wir haben große Anstrengungen in diesem Bereich unternommen", sagten Sie. „MGS und Odyssey haben begonnen, dies regelmäßig mit Mars Express von der ESA (European Space Agency) zu überwachen. Wir haben erkannt, dass dies auf unserer Seite sorgfältig getan werden muss. Die anderen Raumfahrzeuge sind in ihrer Flugbahn sehr stabil, aber es gab eine große Unsicherheit in unserer Flugbahn während des Aerobraking, hauptsächlich aufgrund der Schwankung der Marsatmosphäre von Umlaufbahn zu Umlaufbahn, was die COLA-Überwachung sehr schwierig und herausfordernd machte. “

MRO führte 27 Aerobraking-Manöver durch, von denen sechs ausgeführt wurden, um eine mögliche Kollision mit dem anderen Raumfahrzeug zu vermeiden. Dies machte mehr als 20% der gesamten Aerobraking-Manöver aus. Dies muss während der wissenschaftlichen Phase der Mission noch überwacht werden, da Mars Express gelegentlich die Umlaufbahnen der anderen Raumschiffe kreuzt.

Die Umlaufbahn von MRO ist niedriger als die der anderen Mars-Umlaufbahnen, um die besten wissenschaftlichen Ergebnisse für die an Bord befindlichen Instrumente zu erzielen. Mit dieser unteren Umlaufbahn glaubt Han You, dass das Raumschiff immer noch von der Atmosphäre beeinflusst werden könnte. "Wenn wir die Atmosphäre während der Umlaufbahn der Primärwissenschaften spüren, bedeutet dies, dass unser Timing um einige Sekunden verschoben wird und das nicht gut genug ist", sagte er. „Wir haben sehr strenge Genauigkeitsanforderungen, um das MRO-Wissenschaftsteam zufrieden zu stellen. Jede Art von Unsicherheit verringert unsere Fähigkeit, den Wissenschaftlern des Projekts genau zu sagen, wo sich das Raumschiff befinden wird. Ich denke, unsere Arbeit beginnt erst mit der bevorstehenden Phase der Primärwissenschaften, aber es macht sehr viel Spaß, mit dieser Arbeit zu arbeiten. “

Messungen der Dichte in der oberen Atmosphäre, die aus Tracking-Daten und den Beschleunigungsmessern an Bord während des Aerobraking abgeleitet wurden, werden verwendet, um Vorhersagen für zukünftige Missionen zu verbessern und um wissenschaftliche Fragen zu beantworten, wie Wasserdampf und andere Gase in den Weltraum verloren gehen. Mit Messungen, die während eines vollen Marsjahres von den wissenschaftlichen Instrumenten an Bord der MRO durchgeführt werden, hofft Zurek, dass einige der Probleme mit atmosphärischen Schwankungen für zukünftige Missionen, die Aerobraking oder sogar Aero-Capture verwenden, angegangen werden können. MARCI (Mars Color Imager) wird die untere Atmosphäre überwachen und Mars Climate Sounder wird die Temperatur bis zu etwa 80 km über der Oberfläche des Planeten messen.

„Die MARCI-Kamera schaut von Horizont zu Horizont über die Strecke, während das Raumschiff dahinfliegt“, sagte Zurek. „Wenn Sie diese Schwaden auf der Tageslichtseite von Pol zu Pol nehmen, sie zusammensetzen und ein tägliches Bild von der erhalten globales Wetter auf dem Planeten. Was wir suchen ist, wo sind die Wolken, wo sind die Stürme, wohin gehen sie. Der Mars hat Sturmspuren und Jetstreams, genau wie die Erde. “

Der Mars Climate Sounder ist ein Instrument, das die Wärmestrahlung untersucht, um die Temperatur der Atmosphäre zu bestimmen, wie viel Wasserdampf sie enthält, wie viel Staub sich in der Atmosphäre befindet und wie sich dieser Staub mit Höhe und Entfernung über den Planeten verteilt . "Das sind die wichtigsten Dinge, die wir wissen müssen, um bessere Modelle der Atmosphäre produzieren zu können", sagte Zurek.

In den nächsten Wochen werden die wissenschaftlichen Nutzdaten von MRO bereitgestellt und getestet. Aufgrund der Position des Mars relativ zur Sonne wird die Hauptbeobachtungsphase der Wissenschaft jedoch erst Anfang November beginnen.

"Gerade als wir mit dem Aerobraking fertig sind und bereit sind zu gehen, müssen wir wegen der Sonnenkonjunktion warten, wo sich der Mars und das Raumschiff auf der anderen Seite der Sonne befinden", sagte Zurek. „Die Kommunikation ist in dieser Zeit nicht zuverlässig, da die Funkwellen über die Sonnenkorona übertragen werden müssen, was zu Ausfällen und Aussetzern führen kann. Wir werden unsere primäre wissenschaftliche Phase offiziell am 8. November beginnen. Und darauf freuen wir uns. “

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