Die NASA startet Capstone, den 55-Pfund-Würfelsatelliten auf dem Mond

26. Juni 2022: Am Sonntag kündigte die NASA eine Verzögerung des Starts von CAPSTONE um mindestens einen Tag an, um mehr Zeit für abschließende Systemprüfungen zu haben. Der Artikel wurde aktualisiert.

In den kommenden Jahren wird die NASA auf dem Mond beschäftigt sein.

Eine riesige Rakete überragt eine Kapsel ohne Astronauten um den Mond und zurück, möglicherweise noch vor Ende des Sommers. Eine Parade von Roboterlandern wird Experimente auf dem Mond absetzen, um Unmengen wissenschaftlicher Daten zu sammeln, insbesondere über Wassereis, das in den Polarregionen eingeschlossen ist. In ein paar Jahren werden wieder Astronauten dort sein, mehr als ein halbes Jahrhundert nach der letzten Apollo-Mondlandung.

Diese sind alle Teil des Mondprogramms des 21. Jahrhunderts der NASA, das nach Artemis benannt ist, die in der griechischen Mythologie die Zwillingsschwester von Apollo war.

Einmal in dieser Woche wird ein Raumschiff namens CAPSTONE als erstes Stück Artemis auf dem Weg zum Mond gestartet. Im Vergleich zu dem, was noch folgen wird, ist es bescheiden in Größe und Umfang.

An Bord von CAPSTONE werden keine Astronauten sein. Das Raumschiff ist sehr klein, etwa so groß wie ein Mikrowellenherd. Diese Robotersonde wird nicht auf dem Mond landen.

Aber es unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von jeder früheren Mondmission. Es könnte als Modell für die öffentlich-privaten Partnerschaften dienen, die die NASA in Zukunft eingehen kann, um ihre interplanetaren Flüge besser zu beeinflussen.

„Die NASA war schon einmal auf dem Mond, aber ich bin mir nicht sicher, ob es so zusammengestellt wurde“, sagte Bradley Cheetham, CEO und Präsident von Advanced Space, dem Unternehmen, das die NASA-Mission leitet.

Der Start war für Montag geplant, aber am Sonntag wurde der Start um mindestens einen Tag verschoben, um Rocket Lab, Amerikanisches und neuseeländisches Unternehmen Das erspart CAPSTONE den Flug in den Orbit und mehr Zeit für abschließende Systemchecks.

„Die Teams werten das Wetter und andere Faktoren aus, um festzustellen, wann der nächste Startversuch stattfinden wird“, sagte die NASA. In einem Blogbeitrag. „Die nächste Startgelegenheit in der aktuellen Periode ist am 28. Juni.“

Der vollständige Name der Mission lautet Cislunar Autonomous GPS Technology Operations and Navigation Experience. Es wird als Mondumlaufbahn-Explorer dienen, wo schließlich eine bemannte Raumstation als Teil von Artemis gebaut wird. Dieser als Gateway bezeichnete Außenposten wird als Straßenstation dienen, an der zukünftige Besatzungen anhalten werden, bevor sie zur Mondoberfläche weiterfahren.

CAPSTONE ist in vielerlei Hinsicht ungewöhnlich für die NASA. Beispielsweise befindet es sich auf einer Startrampe nicht in Florida, sondern in Neuseeland. Zweitens hat die NASA CAPSTONE weder entworfen noch gebaut und wird es auch nicht betreiben. Die Agentur besitzt es nicht einmal. CAPSTONE gehört zu Advanced Space, einem Unternehmen mit 45 Mitarbeitern in einem Vorort von Denver.

Das Raumschiff nimmt einen langsamen, aber effizienten Weg zum Mond und kommt am 13. November an. Wenn das Wetter oder ein technisches Problem dazu führt, dass die Rakete den Sofortstart verpasst, gibt es bis zum 27. Juli zusätzliche Chancen. Wenn das Raumschiff bis dahin abgeflogen ist, wird es noch am selben Tag, dem 13. November, die Mondumlaufbahn erreichen.

Die CAPSTONE-Mission setzt die Bemühungen der NASA fort, auf neue Weise mit privaten Unternehmen zusammenzuarbeiten, in der Hoffnung, schneller zusätzliche Fähigkeiten zu geringeren Kosten zu erlangen.

„Das ist eine weitere Möglichkeit für die NASA, herauszufinden, was sie herausfinden muss, und die Kosten zu senken“, sagte Bill Nelson, Administrator der NASA.

Die Kosten des Advance Space-Vertrags mit der NASA für CAPSTONE, der 2019 unterzeichnet wurde, belaufen sich auf 20 Millionen US-Dollar. Die Reise von CAPSTONE in den Weltraum ist auch klein und billig: knapp 10 Millionen US-Dollar für den Start des Rocket Lab.

„In weniger als drei Jahren werden es weniger als 30 Millionen Dollar sein“, sagte Christopher Baker, Executive Director des Small Spacecraft Technology Program der NASA. „Relativ schnell und relativ kostengünstig.“

bis um Beresheet, eine minimale Anstrengung einer israelischen gemeinnützigen Organisation, auf dem Mond zu landen Im Jahr 2019 zu einem Preis von 100 Millionen US-Dollar.

„Ich sehe dies als Leitfaden dafür, wie wir dazu beitragen können, kommerzielle Missionen jenseits der Erde zu erleichtern“, sagte Mr. Baker.

Dr. Cheetham sagte, dass die primäre Mission für CAPSTONE sechs Monate dauern soll, mit der Möglichkeit eines weiteren Jahres.

Die gesammelten Daten werden den Planern des als Gateway bekannten Mondaußenpostens helfen.

Als Präsident Donald J.

Dies veranlasste die NASA, eine Raumstation rund um den Mond zu einem wesentlichen Bestandteil der Art und Weise zu machen, wie Astronauten zur Mondoberfläche gelangen. Eine solche allmähliche Position würde es ihnen erleichtern, verschiedene Teile des Mondes zu erreichen.

Gateway wird die erste Landemission von Artemis nicht nutzen, die derzeit für 2025 geplant ist, sich aber wahrscheinlich verzögern wird. Aber nachfolgende Missionen werden.

Die NASA hat festgestellt, dass der beste Ort, um diesen Außenposten zu platzieren, in der sogenannten halbgeraden Halo-Umlaufbahn liegen würde.

Die Umlaufbahnen der Korona sind diejenigen, die von der Schwerkraft zweier Objekte beeinflusst werden – in diesem Fall der Erde und des Mondes. Der Aufprall der beiden Körper trägt dazu bei, die Umlaufbahn sehr stabil zu machen, wodurch die Menge an Treibstoff reduziert wird, die benötigt wird, um das Raumschiff in der Umlaufbahn um den Mond zu halten.

Gravitationswechselwirkungen halten die Umlaufbahn auch in einem Winkel von etwa 90 Grad, wenn man die Sichtlinie von der Erde aus betrachtet. (Dies ist der halb gerade Teil des Namens.) Daher passiert ein Raumschiff in dieser Umlaufbahn niemals hinter dem Mond, wo die Kommunikation unterbrochen wird.

Die Umlaufbahn, die das Tor durchlaufen wird, befindet sich etwa 2.200 Meilen vom Nordpol des Mondes entfernt und umkreist 44.000 Meilen, wenn es den Südpol passiert. Eine Reise um den Mond würde ungefähr eine Woche dauern.

In Bezug auf die grundlegende Mathematik sind exotische Bahnen wie die Umlaufbahn eines Halo in der Nähe der Geraden gut verstanden. Aber dies ist auch eine Umlaufbahn, die noch kein Raumschiff zuvor betreten hat.

Also CAPSTONE.

„Wir glauben, dass wir sehr unterschiedliche Eigenschaften haben“, sagte Dan Hartmann, Programmdirektor bei Gateway. „Aber mit dem CAPSTONE-Payload-Set können wir helfen, unsere Modelle zu validieren.“

In der Praxis kann es ohne GPS-Satelliten um den Mond zur präzisen Positionierung einige Versuche und Irrtümer erfordern, um herauszufinden, wie das Raumschiff am besten auf der gewünschten Umlaufbahn gehalten werden kann.

„Die größte Unsicherheit besteht darin, zu wissen, wo man sich tatsächlich befindet“, sagte Dr. Cheetham. „Du weißt nie wirklich, wo du dich im Weltraum befindest. Also hast du immer ein Gefühl dafür, wo es sich befindet, mit einer gewissen Unsicherheit um ihn herum.“

Wie andere NASA-Missionen trianguliert CAPSTONE seine Positionsschätzung mit Signale vom Deep Space Network der NASA von den Funkantennen und treibt sich dann, falls erforderlich, zurück in Richtung der gewünschten Umlaufbahn, nachdem es den am weitesten vom Mond entfernten Punkt passiert hat.

CAPSTONE wird auch einen alternativen Weg testen, um seinen Standort zu finden. Es ist unwahrscheinlich, dass irgendjemand die Zeit und die Kosten aufwenden würde, um ein GPS-Netzwerk um den Mond aufzubauen. Aber es gibt auch andere Raumfahrzeuge, darunter Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA, umkreist den Mond und wird wahrscheinlicher in den kommenden Jahren eintreffen. Durch die Kommunikation miteinander kann eine Flotte von Raumfahrzeugen in unterschiedlichen Umlaufbahnen im Wesentlichen ein benutzerdefiniertes Global Positioning System (GPS)-System erstellen.

Advanced Space entwickelt diese Technologie seit mehr als sieben Jahren und wird nun das Konzept mit CAPSTONE testen, um mit dem Lunar Reconnaissance Orbiter Signale hin und her zu senden. „Wir werden im Laufe der Zeit beide Raumfahrzeuge lokalisieren können“, sagte Dr. Cheetham.

Als ich mit der Entwicklung von CAPSTONE begann, beschloss Advanced Space auch, dem Raumschiff eine Atomuhr im Computerchipmaßstab hinzuzufügen und diese Zeit mit der von der Erde gesendeten Zeit zu vergleichen. Diese Daten können auch dabei helfen, den Standort des Raumfahrzeugs zu bestimmen.

Da Advanced Space CAPSTONE besitzt, hatte es die Flexibilität, diese Änderung ohne Genehmigung der NASA vorzunehmen. Und während die Agentur bei solchen Projekten immer noch eng zusammenarbeitet, könnte diese Flexibilität sowohl für private Unternehmen wie Advanced Space als auch für die NASA ein Segen sein.

„Da wir einen kommerziellen Vertrag mit unseren Lieferanten hatten, war es nicht notwendig, eine größere Prüfung der staatlichen Vertragsbeauftragten durchzuführen, als wir etwas ändern mussten“, sagte Dr. Cheetham. „Aus Geschwindigkeitssicht hat es geholfen.“

Die Kehrseite ist, dass das Unternehmen, da Advanced Space eine Pauschalgebühr für die Mission ausgehandelt hatte, nicht zur NASA gehen konnte, um zusätzliche Mittel anzufordern (obwohl es aufgrund von Verzögerungen in der Lieferkette aufgrund der Covid-19-Pandemie zusätzliche Zahlungen erhielt). Herkömmliche NASA-Verträge, die als „Kostenzuschläge“ bekannt sind, erstatten Unternehmen ihre Ausgaben und fügen dann Gebühren hinzu, die sie als Gewinne erhalten, und bieten ihnen wenig Anreiz, die Kosten unter Kontrolle zu halten.

„Wie sich herausstellte, mussten wir herausfinden, wie wir sehr effizient damit umgehen können“, sagte Dr. Cheetham.

Dies ähnelt der erfolgreichen Strategie der NASA, Festpreisverträge mit Elon Musks Firma SpaceX zu nutzen, die nun Fracht und Astronauten zu und von der Internationalen Raumstation zu viel geringeren Kosten transportiert als die früheren Raumfähren der Agentur. NASA-Investitionen haben es SpaceX ermöglicht, Nicht-NASA-Kunden anzuziehen, die daran interessiert sind, Nutzlasten und private Astronauten in die Umlaufbahn zu bringen.

Bis CAPSTONE war die Arbeit von Advanced Space hauptsächlich theoretisch – das Analysieren von Umlaufbahnen und das Schreiben von Programmen für benutzerdefinierte GPS – und nicht der Bau und Betrieb von Raumfahrzeugen.

Das Unternehmen ist immer noch nicht im Geschäft mit dem Bau von Raumfahrzeugen. „Wir haben das Raumschiff gekauft“, sagte Dr. Cheatham. „Ich sage den Leuten, dass die einzigen Maschinen, die wir hier bei Advanced bauen, Legos sind. Wir haben eine riesige Lego-Sammlung.“

In den vergangenen zwei Jahrzehnten Kleine Satelliten, die als CubeSats bekannt sind, haben sich stark verbreitet, wodurch mehr Unternehmen schnell Raumfahrzeuge bauen können, die auf einem standardisierten Design basieren, wobei jeder Würfel 10 Zentimeter oder vier Zoll misst. CAPSTONE gehört mit einem Volumen von 12 Würfeln zu den größten, aber Advanced Space konnte es grob gesagt von Tyvak Nano-Satellite Systems in Irvine, Kalifornien, erwerben.

Dies erfordert noch viele Problemlösungen. zum Beispiel, Die meisten CubeSats In einer niedrigen Erdumlaufbahn, ein paar hundert Meilen über der Oberfläche. Der Mond ist fast eine Viertelmillion Meilen entfernt.

„Niemand ist jemals mit Cupsat auf dem Mond geflogen“, sagte Dr. Cheetham. „Es macht also Sinn, dass niemand Radios gebaut hat, um CubeSats zum Mond zu fliegen. Und so mussten wir wirklich in viele dieser Details eintauchen und tatsächlich mit einer Menge verschiedener Leute zusammenarbeiten, um die Systeme zu bekommen, die funktionieren könnten.“

Herr Hartmann, Direktor des Gateway-Programms, ist begeistert von CAPSTONE, sagt aber, dass es nicht notwendig ist, mit dem Mondaußenposten voranzukommen. Die NASA hat bereits Aufträge zum Bau der ersten beiden Gateway-Einheiten vergeben. Die ESA trägt auch zu zwei Einheiten bei.

„Können wir ohne sie fliegen?“ Herr Hartmann sagte über CAPSTONE. „Ja. Ist es obligatorisch? Nein.“

Aber er fügte hinzu: „Jedes Mal, wenn Sie Fehlerbalken in Ihren Modellen reduzieren können, ist es immer eine gute Sache.“

Dr. Cheetham erwägt, was als nächstes kommen könnte, vielleicht mehr Missionen zum Mond, entweder für die NASA oder andere kommerzielle Partner. Er denkt auch weiter.

„Ich bin sehr fasziniert von dem Gedanken, wie wir etwas Ähnliches wie Mars machen können“, sagte er. „Ich persönlich interessiere mich auch sehr für Venus. Ich denke, er bekommt zu wenig Aufmerksamkeit.“