Analyse der Landestrategien eines kleinen Asteroiden-Landers

Abstract

Die Erforschung unseres Sonnensystems und die Suche nach dem Ursprung des Lebens auf der Erde ist ein faszinierendes und aktuelles Forschungsthema in der Raumfahrt. Kleine Himmelskörper, wie Asteroiden und Kometen, können hierzu wichtige Hinweise liefern. Sie stellen Überreste aus der Entstehungszeit der Planeten dar und existieren bis heute fast unverändert. Die europäische Raumfahrtagentur ESA untersucht zurzeit im Rahmen ihres COSMIC VISION 2015-2025 Programms eine mögliche Asteroidenrückkehrmission namens MARCO POLO. Diese soll durch in situ Messungen und die Rückführung von Materialproben zur Erde neue, detaillierte Erkenntnisse bringen. Zur Unterstützung der Erforschung des Himmelskörpers vor Ort schlug das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen einen kleinen Lander vor. Im Zeitraum September 2008 bis September 2009 führt das Institut eine Vorstudie zu dem MARCO POLO SOURFACE SCOUT, kurz MASCOT genannt, durch. Das darin enthaltene Element der Missionsanalyse ist die Aufgabe dieser Diplomarbeit. Zunächst werden die relevanten Anforderungen aus den Missions- und Wissenschaftszielen von MASCOT, sowie die durch das Hauptfahrzeug definierten Rahmenbedingungen zusammengefasst. Dabei erfolgt auch die Beschreibung der möglichen Zielasteroiden und der dort vorherrschenden Umweltbedingungen. Im Theorieteil der Arbeit liegt ein Schwerpunkt auf der mathematischen Darstellung des Gravitationspotenzials eines Körpers mit beliebiger Massenverteilung. Anhand typischer Asteroidenorbits vorheriger Missionen findet die Identifizierung möglicher Bahnen in der Nähe des Kleinkörpers für MARCO POLO statt. Durch die Nachbildung der Orbits mit der Software STK können die Bahnparameter der Absetzpunkte für MASCOT abgeleitet und der Δv-Bedarf für die Separation bestimmt werden. Die Simulationen der Abstiegstrajektorien des Landers umfassen drei Szenarien, für welche eine Parametervariation (Abtrennposition, Separationsgeschwindigkeit, Gravitationsfeld) durchgeführt wird. Für zwei favorisierte Landeoptionen erfolgt die Analyse der Auswirkungen von Navigations- und Trennungsfehlern auf die Landung, um die Streuung der Aufsetzbedingungen zu ermitteln. Eine Variation der Asteroideneigenschaften dient der Überprüfung der Robustheit der Analyseergebnisse. Eine Bewertung der untersuchten Separationsszenarien rundet die Arbeit ab.