Recherche zu und Bewertung von formbasierenden Verfahren im Bereich Niedrigschubbahnoptimierung

Kurzfassung

Schon lange versucht der Mensch, das Universum und seine Himmelskörper zu erforschen. Heutzutage wird nicht mehr nur eine reine Beobachtung des Alls von der Erde aus betrieben. Es werden Raumsonden zur Erkundung desWeltraums eingesetzt, welche bereits viele Himmelskörper unseres Sonnensystem ange�ogen und erforscht haben. Immer öfter aber stöÿt die Forschung auf Schwierigkeiten bei der Realisierung und Konzeptualisierung komplexerer Missionen. Mit den gängigen chemischen Antrieben sind diese, wenn überhaupt, nur mit Einschränkungen durchführbar. Daher werden Niedrigschubtriebwerke besonders für Raumsonden eine immer interessantere Antriebsmöglichkeit [10]. Durch den hohen spezi�schen Impuls, den solche Triebwerke besitzen, sind Missionen mit einem hohen Energieaufwand und gutem Nutzlastmassenverh ältnis möglich [1]. Im Vergleich zu chemischen Antrieben benötigen sie überdies weniger Treibsto�masse [1]. Angesichts dieses Vorteils werden solche Antriebe schon länger zur Bahn- und Lageregelung genutzt. Mit den üblichen chemischen Antrieben lassen sich interplanetare Missionen nur mit sehr geringer Nutzlast und Gravity-Assist-Manövern realisieren. Werden diese Missionen mit Niedrigschubtriebwerken umgesetzt, sind sie kostengünstiger, da sie mit weniger Treibsto �masse und mit einem günstigeren Nutzlastmassenverhältnis durchführbar sind [1]. Für solche Missionen, zu weiter entfernten Planeten unseres Sonnensystems, stellen sie eine sehr gute, wenn nicht sogar die einzige Alternative, dar [1]. Diese Art von Triebwerk besitzt nur einen geringen Schub, der im sehr niedrigen Newtonbereich liegt. So besitzt zum Beispiel das Triebwerk NSTAR/DS1, der NASA, einen Schub von 93mN [9]. Um eine groÿe Schubänderung zu erzwingen, benötigen diese Triebwerke eine sehr lange Zeit. Bei Missionen, wie zum Beispiel den Aufstieg von einer niedrigen in eine höhere Umlaufbahn der Erde, ist so ein gröÿerer Zeitaufwand nötig [11]. Die schon erwähnte lange Schubdauer, die Niedrigschubtriebwerke mit sich bringen, scha�en besondere Anforderungen an die Bahnberechnung sowie an deren Optimierung. Die Anzahl der möglichen Flugbahnen geht bis in die Billionen [12]. Um aus dieser Anzahl das Optimum zu �nden, sind sehr komplizierte und sehr zeitaufwendige Verfahren nötig. Formbasierende -auch shape-based- Verfahren sind ein guter Ansatz, um e�zent Flugbahnen näherungsweise zu bestimmen [13]. Diese dienen dazu, das Problem zu vereinfachen und die Rechenzeiten zu verkürzen. Die durch ein formbasierendes Verfahren ermittelten Randbedingungen dienen als Startwert für die eigentliche Bahnberechnung und der späteren Optimierung [14]. Im Zentrum dieser Arbeit stehen die Fragen, welche vorhandenen formbasierenden Verfahren es gibt und welchen Nutzungsbedingungen, sowie Vor- und Nachteile diese haben.