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Wettbewerb "Projekt Traumsonde" (über 25 Jahre)
Mission Neptun

Max Bauer, München

Abb. 1

Abb. 2

Abb. 3

Das Missionsziel ist die Erforschung des Neptuns mit seinen Monden bei möglichst kurzer Anflugzeit. Eine standardisierte Forschungsplattform (Interplanetary Plattform for EXploration = IPEX) befördert 8 standardisierte Forschungssonden zum Zielplaneten und schwenkt in eine stark elliptische Umlaufbahn in der Ekliptik der Monde ein.

IPEX dient als Transport- und Instrumentenplattform (Abb. 1). Die ca. 12,5 m lange Sonde besteht aus einer 5 m langen, tonnenförmigen Antriebsstufe (modifizierte zweite Stufe der Ariane 5 GS) mit zusätzlichen sechs Boostern. Auf der Triebwerkseinheit ist ein auf Basis eines Vierecks montiertes Aluminiumgerüst mit den Nutzlasthalterungen angebracht, an dessen oberen Ende sich die Instrumentenplattform mit der Hauptantenne befindet. Die Antriebseinheit wird von drei wiederzündbaren Triebwerken dominiert. Zusätzlich sind sechs Booster mit regelbaren Triebwerken angebracht. Am unteren Ende der Triebwerkseinheit befinden sich Halterungen für den Schubassistenten CASPR.

Als hochenergetischer Treibstoff eignet sich eine flüssige Wasserstoff/Sauerstoff-Kombination. Das 5,5 m lange Aluminiumgerüst ist mit drei Radioisotopenbatterien als Hauptenergie und den schalenförmigen Halterungen für acht Nutzlasten (standardisierte Lande-, Umlauf- und Eintauchsonden, abgeleitet aus einem Grundmodell -> SCOUT-Sonde) versehen. Unterhalb der Hauptantenne - innerhalb des Instrumentenrings - ist eine Hochleistungskommunikations-, Speicher-, Steuer- und Navigationseinheit untergebracht.

Unterhalb der Hauptantenne befindet sich in Flugrichtung die Instrumentenplattform in Form eines Oktagons. An den abgeschrägten Ecken (Draufsicht Abb. 2, Seite 37) befinden sich auf vier ausklappbaren Plattformen ein bewegliches Teleskop für Fernerkundung, eine bewegliche 3D-Infrarotkamera, eine bewegliche optische 3D-Kamera (hochauflösend für Naherkundung der Monde) sowie eine bewegliche Sekundärhochleistungsantenne (zur Sicherstellung des permanenten Funkkontaktes mit der Erde) und ein Fixsternnavigationsgerät mit Canopussensor zur Feststellung der genauen Flugbahn und Geschwindigkeit.

Folgende acht Experimente sollen mitgeführt werden: Instrument zur Messung der Ausdehnung und Stärke von Magnetfeldern, Instrument zur Messung der Strahlung, deren Intensität und Zusammensetzung, Gaspartikeldetektor (zum Aufspüren von Wasser), Instrument zur Messung des Sonnenwindes und kosmischer Strahlung, Blitzdetektor, 3D-Radar (um Hindernisse in der Flugbahn zu erkennen und Monde im Vorbeiflug abzutasten), Instrument zur Messung der Temperatur und des Temperaturverlaufs und Instrument zur Messung von Gravitationsfeldern und deren Einflüssen.

SCOUT-Sonden

Auf einer Karbon-Verbundschale von 2,5 Metern Durchmesser (Höhe ca. 1,2 m) sitzt ein durch Stoßdämpfer geschützter Instrumentenring und kann durch Zündung fünf kleinerer Triebwerke, gesteuert durch Abstiegsradar, abgebremst auf allen Oberflächen landen. Durch Stoßdämpfer können leichte Schräglagen ausgeglichen werden. Weitere Ausstattungsmerkmale: vier Radioisotopenbatterien, Hochleistingskommunikationseinheit mit Hauptantenne, sekundäre ausklappbare und bewegliche Kommunikationseinheit mit Datenspeicher. Seismometer, Gaspartikelanalyzer, Abstiegsradar als Bodenradar verwendbar, Strahlungsmesser und -analyzer, kleiner Greifarm mit Greif-, Bohr- und Grabfunktion, verbunden mit eigener Kamera für Detailaufnahmen und Materialanalyzer, Temperaturmesser und Magnetometer. Unterhalb der Hauptantenne befinden sich eine Infrarotkamera und eine 3D-Kamera für Nah- und Weitwinkelaufnahmen.

Die Instrumentierung der Relaisstation enthält einen Blitzdetektor, Fixsternnavigationssystem, Flugsteuereinheit, tertiäre bewegliche Kommunikationseinheit, Teleskopkamera, größere Treibstofftanks, zusätzliche Speichereinheiten. Die Orbitersonde hat ein hochauflösendes 3D-Radar, Fixsternnavigationssystem, Flugsteuereinheit, tertiäre bewegliche Kommunikationseinheit, Teleskopkamera, größere Treibstofftanks, zusätzliche Speichereinheit, Laservermessungsgerät für Ermittlung der Oberflächenstruktur. Die Eintauchsonde besitzt ein Radar für Wolkenbeobachtung, Druckmesser, Helligkeitsmesser, Windgeschwindigkeitsmesser, Kamera mit Restlichtfunktion, Blitzdetektor, Fallschirme, Ballon für Schwebezustand, tertiäre Hochleistungskommunikationseinheit, kleinere Treibstofftanks.

Eine umgewandelte verlängerte, wiederverwend- und betankbare Oberstufe der Ariane 5 GS (CAtapultstage for SpacePRobes = CASPR) wird automatisch als Schubassistent an IPEX angekoppelt (Abb. 3). Nach Einschuss von IPEX in die gewünschte Flugbahn kehrt diese Stufe nach einer halben Mondumkreisung automatisch gesteuert unter Verwendung von vier Bremsboostern wieder in eine niedrige Erdumlaufbahn zurück und kann für den nächsten Einsatz durch ATV oder PROGRESS betankt werden.

Missionsablauf

Mit dieser Mission soll das Neptunsystem durch eine SCOUT als Relaisstation in polarer Umlaufbahn des Neptun, zwei Eintauchsonden (eine in Polarregion und eine in Sturmregion), eine Umlaufsonde um Triton und vier Landesonden auf Triton mit seinem Kryovulkanismus erforscht werden. Die IPEX mit Nutzlasten und CASPR werden jeweils mit einer Ariane 5 GS in eine elliptische Erdumlaufbahn mit einem Perigäum von ca. 200 km eingeschossen und automatisch gekoppelt. CASPR wird mehrmals gezündet, um in immer elliptischere Umlaufbahnen mit immer höherem Apogäum zu gelangen. Wird eine Ellipse mit dem Mond im Apogäum erreicht, so beschleunigt CASPR die IPEX-Sonde auf Maximum-Geschwindigkeit. Am mondnächsten Punkt mit der höchsten Beschleunigung wird CASPR abgetrennt und abgebremst. Sie kehrt nach einem halben Mondumlauf in eine niedrige Erdumlaufbahn zurück. IPEX zündet zwei Booster und beschleunigt in eine Flugbahn zum Mars. Am Mars und am Jupiter wird durch die Zündung von jeweils zwei Boostern nochmals beschleunigt. Bei der Annäherung an Neptun bremst IPEX ab und schwenkt in eine elliptische Umlaufbahn in der Äquatorialebene ein. Zuvor wird die SCOUT-Relaisstation in eine polare Umlaufbahn, ausgerichtet auf die Erde, eingeschossen.

Nach mehreren Umläufen von IPEX (Fernerkundung von Triton und Neptun) wird die Orbitersonde in eine polare Umlaufbahn um Triton gebracht, um eine Naherkundung vorzunehmen und vier Landestellen festzulegen. Die zwei Eintauchsonden werden sukzessive in verschiedene Regionen Neptuns abgeworfen. Schließlich werden nacheinander die Landesonden auf Triton abgesetzt. Nach Aufbrauchen des Treibstoffvorrats wird IPEX in den Gasriesen gesteuert.

Missionsvorschau

Es kann bereits bestehende Technik verwendet oder mit geringem Aufwand und Risiko angepasst werden. Durch CASPR wird eine hohe Fluchtgeschwindigkeit ermöglicht. Durch den üppigen Treibstoffvorrat der IPEX-Sonden kann im Zeitpunkt der höchsten Vorbeifluggeschwindigkeit an einem Himmelskörper eine Geschwindigkeitssteigerung erzielt werden. Die Flugzeiten können auf konventionelle Art mit erprobten Antrieben und Swingby-Manövern verkürzt werden. Es kann ausreichend Nutzlast transportiert werden.

Ermöglicht werden: Langzeitbeobachtungen durch die polare SCOUT-Sonde am Gasriesen und ausgewählten Monden und flexible Langzeitbeobachtungen durch die IPEX-Sonde in äquatorialer Umlaufbahn des jeweiligen Planeten mit seinen Monden (Auswählen und Anfliegen neuer Forschungsobjekte möglich). Ebenso Detailbeobachtungen durch Landemissionen (durch erneute Zündung der Triebwerke der SCOUT-L Sonden nach Abschluss der Primärmission kann Standpunkt auf Oberfläche verändert werden).

Anzahl und Standardisierung der Instrumente und der Sonden verringern die Anschaffungskosten. Erprobte Instrumenten- und Antriebstechnik beschränken die Kosten für Neuentwicklungen auf ein Minimum und erhöhen die Aussicht auf technische Durchführbarkeit und reellen Erfolg der Missionen. CASPR wird durch einen separaten Raketenstart in eine Umlaufbahn verbracht und wiederverwendet (Betankungsflüge können an private Anbieter mit Kostenobergrenze oder langfristigen Verträgen vergeben werden). CASPR trägt mit Wiederverwendbarkeit und Vermietungsmöglichkeit für andere Missionen zur Kostensenkung bei. Eine flexible Missionsgestaltung wird durch ein Baukastensystem ohne teure Neuentwicklungen ermöglicht.

Forschungsziele

Auf Grund der unterschiedlichen Konfigurationsmöglichkeiten dieses Konzepts sind weitere Missionen zu den Gasplaneten und Pluto mit ähnlich hoher wissenschaftlicher Ausbeute und gleich geringem wirtschaftlichen Aufwand durchführbar.