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BepiColombo Mission

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Frank
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BepiColombo Mission

Beitrag von Frank » 27. Jan 2021, 18:50

Da die Sonde dieses Jahr am 02.10. 21 ihr erstes Swing-by am Merkur ausführen wird, wird es langsam spannend.
Zuvor führt sie aber ihr zweites an der Venus durch.
Die Sonde erreichte Venus am 15. Oktober 2020 um dort ein erstes Swing-by-Manöver durchzuführen.[43][44] Die Raumsonde wird möglicherweise in der Lage sein, die im September 2020 bekanntgegebenen Messungen von Monophosphin in der Venus-Atmosphäre weiter zu bestätigen.
https://de.wikipedia.org/wiki/BepiColombo


Da bin ich schon das erste Mal sehr gespannt.

Leider dauert es noch bis 2025 bis die Sonde in einen Orbit um Merkur einschwenkt.
Das zeigt aber auch deutlich, wie viel schwieriger es ist, in die inneren Bereich des Sonnensystems zu fliegen, als in den Äußeren.

Ich freue mich aber jetzt schon über hoffentlich fundamentale Erkenntnisse, über diesen geheimnisvollen Burschen. :sp: :)
Zu seinen Lebzeiten konnte Giuseppe Colombo die Frage nicht beantworten, wie der kleinste Planet unseres Sonnensystems entstanden ist und wie er innen aussieht.

Diese und weitere Fragen soll nun BepiColombo klären:

Wie sehen die bislang unbekannten Teile Merkurs aus?
Weshalb weist der Planet eine so hohe Dichte auf?
Warum hat ein so kleiner Planet ein Magnetfeld, während Venus, Mars und Mond keines besitzen?
Wie wird dieses Magnetfeld erzeugt?
Ist Merkur noch aktiv?
Besitzt er einen festen oder flüssigen Kern?
Gibt es wirklich Eisvorkommen in den Polregionen?
Treten – wie auf der Erde – Polarlichter auf?
Wird der Planet durch Strahlungsgürtel abgeschirmt?
Welche Auswirkungen übt das Strahlen- und Partikelbombardement der Sonne auf die Oberfläche und die kaum messbare Atmosphäre des Planeten aus?
Last but not least soll BepiColombo auch Einsteins Relativitätstheorie anhand der Merkurbahn überprüfen.

Das Zielobjekt, der Merkur, gilt als Schlüssel zur Geschichte unseres Sonnensystems. Von der komplexen Erforschung des innersten Planeten erhoffen sich daher die Wissenschaftler auch neue Erkenntnisse über die Genese unseres eigenen blauen Planeten. Vielleicht führt uns BepiColombo bis an die planetare Frühgeschichte der Erde heran?
https://www.esa.int/Space_in_Member_Sta ... er_Raetsel
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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belgariath
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Re: BepiColombo Mission

Beitrag von belgariath » 27. Jan 2021, 19:28

Okay aber warum ist das bzw. was ist daran eigentlich so schwer?
Die Entfernung kann nicht das Problem sein. Eventuell hat es was mit der Relativgeschwindigkeit der Erde in Bezug auf den Merkur zu tun.

Vor allem frage ich mich, warum die Sonde erst 2025 in eine Umlaufbahn geht, wenn sie schon dieses Jahr den Merkur erreicht bzw. ein Swing-By-Manöver an ihm durchführt?
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Re: BepiColombo Mission

Beitrag von Frank » 27. Jan 2021, 19:37

belgariath hat geschrieben:
27. Jan 2021, 19:28
Okay aber warum ist das bzw. was ist daran eigentlich so schwer?
Die Entfernung kann nicht das Problem sein. Eventuell hat es was mit der Relativgeschwindigkeit der Erde in Bezug auf den Merkur zu tun.

Vor allem frage ich mich, warum die Sonde erst 2025 in eine Umlaufbahn geht, wenn sie schon dieses Jahr den Merkur erreicht bzw. ein Swing-By-Manöver an ihm durchführt?
Hast du den Wiki Artikel gelesen?

Einer der Gründe z-B. Durchschnittliche Bahngeschwindigkeit (um die Sonne) 47,87 km/s (172008 km/h)
Erde 107000 Km/h
Mit freundlichen Grüßen

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Re: BepiColombo Mission

Beitrag von Skeltek » 27. Jan 2021, 23:49

belgariath hat geschrieben:
27. Jan 2021, 19:28
Okay aber warum ist das bzw. was ist daran eigentlich so schwer?
Die Entfernung kann nicht das Problem sein. Eventuell hat es was mit der Relativgeschwindigkeit der Erde in Bezug auf den Merkur zu tun.

Vor allem frage ich mich, warum die Sonde erst 2025 in eine Umlaufbahn geht, wenn sie schon dieses Jahr den Merkur erreicht bzw. ein Swing-By-Manöver an ihm durchführt?
Die größte Impulsänderung erfahren Sateliten, wenn die Triebwerke möglichst nahe am tiefsten Punkt des Orbits verwendet werden. Man versucht über Swingby-Manöver den tiefsten Punkt des Orbits (Periapse) möglichst nahe an den nächsten Himmelskörper zu drücken... dabei wird der höchste Punkt des Orbits(Apoapse) zunächst erhöht. Sobald sich Planet und Satelit an der Periapse treffen, ist ein erneutes Swingby-Manöver möglich, wobei hier zeitgleich ein guter Zeitpunkt ist, Bewegungsenergie zu reduzieren. Dabei wir der tiefste Punkt des Orbits wieder so gelegt, daß er die Bahn des nächsttieferen Planeten kreuzt. Man hangelt sich halt nach unten zur Venus durch.
Das bemerkenswerte ist hierbei, daß die Bahn so gelegt wird, daß sich die Apoapse(höchster Bahnpunkt des Orbits) zunächst von der Sonne erhöht, weil man am höchsten Punkt der Bahn dann durch den Antrieb den tiefsten Punkt des Orbits weiter richtung Sonne schieben kann. Man entfernt sich sozusagen, damit man später weniger Energie braucht um näher ran zu kommen.

Am Merkur angekommen, macht man wieder Swingbys, indem man 'Außen' am Merkur vorbeifliegt... zeitgleich bremst man, um die Apoapse zu verringern. Um länger 'Spaß' am Swingby am Merkur zu haben, wird hier nicht nur gegen die Bewegungsrichtung gebremst, sondern auch ein wenig in Richtung Merkur beschleunigt, damit man länger in der Nähe seines gravitativen Einflusses bleibt. Durch letzteres wird die Apoapse leicht verschoben, während das Bremsen ihren Abstand zur Sonne verringert.

Hier ist die Problematik:
Der Merkur ist zu gravitationsarm, um einen längeren Aufenthalt in seinem Einflussbereich während des Swingbys zu haben. Auch wird durch den Radius des Planeten die maximal erfahrbare Gravitationskraft verringert. Während man mit hoher Relativgeschwindigkeit bei einem leichten und wenig dichten Himmelskörper nur wenige Grad Ablenkung erfahren kann und der maximale Impulsaustausch eher gering ist, ließe sich bei einem schwarzen Loch derselben Masse die Bewegungsrichtung um praktisch bis zu 180° umdrehen (theoretisch sogar leicht über 180°, wegen Dragging Effekt).
Daher muss man dieses Swingby Manöver mehrmals durchführen, um bei jedem Gravity-Assist immer ein Stückchen mehr Bahnimpuls zu verlieren (bzw an den Planeten zu übertragen). Die eliptische Bahn des Sateliten muss sich in seiner Periapse jedoch jedes mal mit dem Orbit des Merkur überschneiden. Solange die Apoapse der Sonde größer ist als die des Merkur, wird der Merkur mehr als ein mal um die Sonne gekreist sein, bis die Sonde auch wieder im selben Punkt ist (die Sonde braucht pro Umlauf einfach mehr Zeit, weil die Strecke länger ist, weiter von der Sonne weg und sie an ihrem höchsten Bahnpunkt langsamer fliegt). Deshalb muss man mindestens 2 Merkur-Jahre warten, bevor die Sonde sich wieder am selben Punkt(an der Periapse) mit Merkur treffen kann für einen erneuten gravity-assisted Swingby. Ich würde vermuten, daß das ganze Manöver nach erstem Merkurkontakt vermutlich 0, 2, 5 oder mehr Merkur-Jahre benötigt (die optimale Varianten um eine gutes Verhältnis aus Treibstoff- und Zeit-Ersparnis zu erreichen). Die zeitlichen Abstände zwischen den Swingbys entsprechen den kgVs der aktuellen Umlaufzeiten von Planet und Satellit - der vom Merkur ist fix, der der Sonde wird immer genau so angepasst, daß man sich beim nächsten Periapsendurchlauf nicht verpasst.
Ich hab aber nur geraten, wie das Optimum für die Nasa aussieht...umso mehr Treibstoff man sparen will, umso mehr Zeit muss man opfern. Was die Nasa für optimal hält ist möglicherweise was anderes als was ich dafür halte.

Es gibt sicherlich irgendwo ein Video, wo man die geplante Flugbahn beobachten kann. Für mich interessant wäre, wie die letzten Bahnmanöver bzw Swingbys koordiniert sind. Ich stelle hier größtenteils nur Mutmaßungen.
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Re: BepiColombo Mission

Beitrag von Frank » 28. Jan 2021, 06:43

Skeltek hat geschrieben:
27. Jan 2021, 23:49


Es gibt sicherlich irgendwo ein Video, wo man die geplante Flugbahn beobachten kann. Für mich interessant wäre, wie die letzten Bahnmanöver bzw Swingbys koordiniert sind. Ich stelle hier größtenteils nur Mutmaßungen.
Erst mal vielen Dank für deine tolle Erklärung. :well: :sup:

Im Wikiartikel gibt es eine schöne Animation zur Flugbahn.

Bild

https://de.wikipedia.org/wiki/BepiColombo
Mit freundlichen Grüßen

Frank

ralfkannenberg
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Re: BepiColombo Mission

Beitrag von ralfkannenberg » 28. Jan 2021, 23:16

belgariath hat geschrieben:
27. Jan 2021, 19:28
Okay aber warum ist das bzw. was ist daran eigentlich so schwer?
Hallo belgariath,

Skel hat es schon sehr schön erläutert, so dass ich nur das Beispiel einer anderen Raumsonde zur Veranschaulichung nehmen möchte:

die Sonnensonde Ulysses sollte über die Sonnenpole fliegen.

"Kein Problem", sollte man da denken, man lässt die einfach von der Erde zur Sonne fallenund kurz bevor sie da ankommt biegt sie ein bisschen nach oben ab, so dass die dann über den Sonnennordpol fliegt, dreht sich da und fliegt fortan in einem polaren orbit über die Sonnenpole.

Was hat man statt dessen gemacht: das Problem ist ja, aus der Ekliptik herauszukommen. Man ist mit der Sonde also zuerst zum Jupiter (!!!) geflogen, hat dort einen Swing-By aus der Ekliptik durchgeführt, der die Sonde auch gleich zur Sonne zurückgeschleudert hat. Statt zur Sonne zu fliegen, was 1 AU weit weg wäre, ist man derer 9 AU geflogen, weil das viel billiger war.

Und was ist das Problem: um ins Innere des Sonnensystems zu gelangen muss man anschaulich gesprochen eine Sonde sehr stark abbremsen, sonst bleibt sie auf der Erdumlaufbahn. Und dieses Abbremsen verbraucht sehr viel Treibstoff.


Freundliche Grüsse, Ralf

Skeltek
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Re: BepiColombo Mission

Beitrag von Skeltek » 29. Jan 2021, 15:40

Zu dem von RalfKannenberg angesprochenen Wechsel der Ekliptik (Ebene des Orbits um z.B. 90° drehen):
Das ist wie wenn eine quadratische Holzplatte 10cm tief im Matsch fest steckt um man diese um 90° nach links drehen möchte. Wäre die Holzplatte auf flachem festem Untergrund, ließe sie sich leicht ohne wesentlichen Kraftaufwand nach links drehen. So aber leistet der Match Widerstand und man benötigt unter Umständen viel Kraft um die Holzplatte direkt um 90° zu drehen. Daher ist es sinnvoller, die Holzplatte erstmal aus dem Spalt im Boden heraus zu heben, dann zu drehen und sie dann wieder auf den Boden fallen zu lassen.

Bei den Orbits ist es genauso... wollte man die Flugrichtung der ISS schlagartig um 90° drehen, müsste man eine extreme Menge an Bahnimpuls weg nehmen (bei z.B. 300km Höhe beträgt die Bahngeschindigkeit 28,000 km/h) und in der um 90° verdrehten Richtung hinzufügen. Sinnvoller ist es, mit einem geringeren Aufwand an Energie und Impuls die Apoapse des Orbits erst von z.B. 300km auf 400 000 km anzuheben, wo die Bahngeschwindigkeit nur noch ca 1 km/s = 3600km/h beträgt. Dort ist es dann leicht die Umlaufrichtung des Orbits zu ändern, weil man nur 3600km/h 'umlenken' muss. Wenn man dort am höchsten Punkt dann die Ekliptik um 90° gedreht hat, fällt man auf dem neuen Elipsenverlauf wieder Richtung Periapse (immer noch bei 300km Höhe), wo man dann bremst, was die Apoapse wieder auf 300km runter drückt.
Dieser 'Umweg' mit der Erhöhung des Orbits spart beim Ekliptikwechsel extrem viel Energie bzw Treibstoff, ist aber mit einem viel größeren Zeitaufwand verbunden.

Kurz gefasst: Am untersten Punkt eines gravitativen Potentialtopfes kann man mit derselben Änderung an Geschwindigkeit (x m/s) bzw Impuls die größten Änderungen an Bewegungsenergie bewirken, ist aber als Spielball der vorgegebenen Bewegungsrichtung recht ausgeliefert.
An der Spitze von Potentialbergen hat man hingegen am meisten Einfluss auf Änderung der Bewegungsrichtung und dem zukünftigen Bahnverlauf, kann aber mit derselben Geschwindigkeitsänderung (x m/s) am wenigsten an der Menge der eigenen Bewegungsenergie rütteln.
Deshalb sind Schubmanöver nahe an Gravitationsquellen auch so effektiv, wobei man darüberhinaus dort noch das Umlenken der eigenen Bewegungsrichtung durch gravitativen Impulsaustausch hat.

Wer mal damit herumspielen will... das Spiel 'Kerbal Space Program' gibt es glaube ich als Demoversion. Da kann man Raketen/Satelliten bauen und viel mit den Trajektorien herumspielen. Es ist relativ realistisch um man sieht auch recht gut, welche Aktion die Flugbahnen wie bei Swingbys ändert.
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Re: BepiColombo Mission

Beitrag von Frank » 24. Mai 2022, 12:09

Mit freundlichen Grüßen

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