Roboter-Raumschiff

Ein Roboter-Raumschiff ist ein unbemanntes Raumfahrzeug, das normalerweise unter Telerobotenkontrolle steht. Ein Roboter-Raumfahrzeug, das für wissenschaftliche Forschungsmessungen entwickelt wurde, wird häufig als Weltraumsonde bezeichnet. Viele Weltraummissionen eignen sich aufgrund geringerer Kosten und geringerer Risikofaktoren eher für den Teleroboter als für den bemannten Betrieb. Darüber hinaus sind einige planetarische Ziele wie die Venus oder die Umgebung von Jupiter angesichts der derzeitigen Technologie zu überlebenswichtig für das menschliche Überleben. Äußere Planeten wie Saturn, Uranus und Neptun sind mit der aktuellen bemannten Raumfahrttechnologie zu weit entfernt, um sie zu erreichen. Daher können sie nur mit telerobotischen Sonden erforscht werden.

Viele künstliche Satelliten sind Roboter, ebenso wie viele Lander und Rover.

Geschichte
Die erste robotische Raumsonde wurde am 22. Juli 1951 von der Sowjetunion (UdSSR) gestartet, einem suborbitalen Flug mit zwei Hunden Dezik und Tsygan. Vier weitere solcher Flüge wurden im Herbst 1951 durchgeführt.

Der erste künstliche Satellit, Sputnik 1, wurde am 4. Oktober 1957 von der UdSSR in einem 215 x 939 Kilometer langen Erdorbit (116 mal 507 nm) aufgestellt. Am 3. November 1957 umkreiste die UdSSR Sputnik 2 mit einem Gewicht von 113 Kilogramm (249 Pfund) trug Sputnik 2 das erste lebende Tier in den Orbit, den Hund Laika. Da der Satellit nicht dafür ausgelegt war, sich von der oberen Stufe des Startfahrzeugs zu lösen, betrug die Gesamtmasse im Orbit 508,3 Kilogramm.

In einem engen Rennen mit den Sowjets starteten die Vereinigten Staaten ihren ersten künstlichen Satelliten, Explorer 1, am 31. Januar 1958 in eine Umlaufbahn von 353 mal 1.303 Seemeilen (357 x 2.543 km). Explorer I hatte einen Durchmesser von 80,75 Zoll (205,1 cm) mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6,00 Zoll) und einem Gewicht von 14,0 kg (30,8 Pfund), verglichen mit Sputnik 1, einer Kugel von 58 cm (23 Zoll), die 83,6 kg wog. Der Explorer 1 trug Sensoren, die die Existenz der Van-Allen-Gurte bestätigten, eine bedeutende wissenschaftliche Entdeckung zu dieser Zeit, während Sputnik 1 keine wissenschaftlichen Sensoren trug. Am 17. März 1958 umkreisten die USA ihren zweiten Satelliten, Vanguard 1, der ungefähr so ​​groß wie eine Pampelmuse war und sich seit 2016 in einer Umlaufbahn von 360 x 2.080 Seemeilen (670 x 3,850 km) befindet.

Neun andere Länder haben erfolgreich Satelliten mit eigenen Trägerraketen gestartet: Frankreich (1965), Japan und China (1970), Großbritannien (1971), Indien (1980), Israel (1988), Iran (2009), Nordkorea ( 2012) und Neuseeland (2018).

Design
Beim Entwurf von Raumfahrzeugen betrachtet die Luftwaffe der Vereinigten Staaten ein Fahrzeug aus der Missionsnutzlast und dem Bus (oder der Plattform). Der Bus bietet physikalische Struktur, thermische Steuerung, elektrische Leistung, Lageregelung und Telemetrie sowie Nachverfolgung und Befehlen.

JPL unterteilt das “Flugsystem” eines Raumfahrzeugs in Subsysteme. Diese schließen ein:

Struktur
Dies ist die physische Rückgratstruktur. Es:

stellt die mechanische Gesamtintegrität des Raumfahrzeugs bereit
stellt sicher, dass die Komponenten des Weltraumfahrzeugs unterstützt werden und Startlasten widerstehen können

Datenverarbeitung
Dies wird manchmal als Befehls- und Daten-Subsystem bezeichnet. Es ist häufig verantwortlich für:

Befehlssequenzspeicherung
Wartung der Uhr des Raumfahrzeugs
Erfassen und Melden von Telemetriedaten des Weltraumfahrzeugs (z. B. Gesundheit des Weltraumfahrzeugs)
Sammeln und Berichten von Missionsdaten (z. B. fotografische Bilder)

Verhaltensbestimmung und Kontrolle
Dieses System ist hauptsächlich für die korrekte Ausrichtung des Weltraumfahrzeugs im Raum (Fluglage) verantwortlich, trotz äußerer Störgradienten-Schwerkraftgradienten, Magnetfelddrehmomenten, Sonneneinstrahlung und Luftwiderstand. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, bewegliche Teile wie Antennen und Solaranordnungen neu zu positionieren.

Landung in gefährlichem Gelände
Bei planetarischen Explorationsmissionen mit robotergestützten Raumfahrzeugen sind bei der Landung auf der Oberfläche des Planeten drei wichtige Aspekte zu beachten, um eine sichere und erfolgreiche Landung zu gewährleisten. Dieser Prozess umfasst einen Eintritt in das planetarische Schwerefeld und die Atmosphäre, einen Abstieg durch diese Atmosphäre hin zu einem beabsichtigten / anvisierten Bereich von wissenschaftlichem Wert und eine sichere Landung, die die Integrität der Instrumente auf dem Fahrzeug gewährleistet. Während das robotische Raumfahrzeug diese Teile durchläuft, muss es auch in der Lage sein, seine Position im Vergleich zur Oberfläche abzuschätzen, um eine zuverlässige Kontrolle über sich selbst und seine Manövrierfähigkeit zu gewährleisten. Das Roboter-Raumfahrzeug muss außerdem effizient eine Gefährdungsbeurteilung und Flugbahnanpassungen in Echtzeit durchführen, um Gefahren zu vermeiden. Um dies zu erreichen, erfordert das Robotik-Raumfahrzeug genaue Kenntnisse darüber, wo sich das Raumfahrzeug relativ zur Oberfläche befindet (Lokalisierung), welche Gefahren vom Gelände ausgehen können (Gefährdungsbeurteilung) und wohin sich das Raumfahrzeug momentan bewegen sollte (Gefahrenvermeidung). Ohne die Fähigkeit zur Lokalisierung, Gefährdungsbeurteilung und Vermeidung kann das Roboter-Raumfahrzeug unsicher werden und leicht in gefährliche Situationen wie Oberflächenkollisionen, unerwünschten Kraftstoffverbrauch und / oder unsichere Manöver geraten.

Einstieg, Abstieg und Landung
Die integrierte Erfassung umfasst einen Bildtransformations-Algorithmus, um die Landedaten der unmittelbaren Bilder zu interpretieren, eine Echtzeiterkennung und -vermeidung von Gelände-Gefahren durchzuführen, die die sichere Landung beeinträchtigen können, und die Genauigkeit der Landung an einem gewünschten interessierenden Ort unter Verwendung von Landmarken-Lokalisierungstechniken zu erhöhen. Die integrierte Abtastung erledigt diese Aufgaben, indem sie sich auf vorab aufgezeichnete Informationen und Kameras stützt, um deren Position zu ermitteln und ihre Position zu bestimmen und ob sie korrekt ist oder Korrekturen vornehmen muss (Lokalisierung). Die Kameras werden auch verwendet, um mögliche Gefahren zu erkennen, ob es sich um einen erhöhten Kraftstoffverbrauch oder um eine physische Gefahr handelt, wie z. B. eine schlechte Landestelle in einem Krater oder eine Klippe, die eine Landung nicht ideal macht (Gefährdungsbeurteilung).

Telekommunikation
Komponenten im Telekommunikationssubsystem umfassen Funkantennen, Sender und Empfänger. Diese können zur Kommunikation mit Bodenstationen auf der Erde oder mit anderen Raumfahrzeugen verwendet werden.

Elektrische Energie
Die Stromversorgung von Weltraumfahrzeugen erfolgt in der Regel über photovoltaische (Solar-) Zellen oder durch einen thermoelektrischen Radioisotop-Generator. Andere Komponenten des Subsystems umfassen Batterien zum Speichern von Strom und Verteilerschaltungen, die Komponenten mit den Stromquellen verbinden.

Temperaturkontrolle und Schutz vor der Umwelt
Raumfahrzeuge sind oft durch Isolation vor Temperaturschwankungen geschützt. Einige Raumfahrzeuge verwenden Spiegel und Sonnenschirme als zusätzlichen Schutz vor Sonnenwärme. Sie benötigen häufig auch eine Abschirmung gegen Mikrometeoroide und Orbitaltrümmer.

Antrieb
Raumfahrzeugantrieb ist eine Methode, die es einem Raumfahrzeug erlaubt, sich durch den Weltraum zu bewegen, indem er Schub erzeugt, um ihn vorwärts zu drücken. Es gibt jedoch kein universell verwendetes Antriebssystem: Ein-Treibmittel, Bi-Treibmittel, Ionenantrieb usw. Jedes Antriebssystem erzeugt einen leicht unterschiedlichen Schub, wobei jedes System seine eigenen Vor- und Nachteile hat. Heute basieren die meisten Raumfahrzeugantriebe auf Raketentriebwerken. Die Grundidee von Raketentriebwerken ist, dass beim Auftreffen eines Oxidationsmittels auf die Kraftstoffquelle bei hohen Geschwindigkeiten explosiv Energie und Wärme freigesetzt werden, die das Raumfahrzeug vorwärts treiben. Dies geschieht aufgrund eines Grundprinzips, das als Newtons drittes Gesetz bekannt ist. Laut Newton gilt: „Zu jeder Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.“ Während die Energie und Wärme von der Rückseite des Raumfahrzeugs freigesetzt werden, werden Gaspartikel herumgeschoben, damit das Raumfahrzeug vorwärts treiben kann. Der Hauptgrund für die heutige Verwendung von Raketentriebwerken ist, dass Raketen die stärkste Antriebsform sind, die es gibt.

Monopropellant
Damit ein Antriebssystem funktioniert, gibt es normalerweise immer eine Oxidationsleitung und eine Kraftstoffleitung. Auf diese Weise wird der Antrieb des Raumfahrzeugs gesteuert. Bei einem einteiligen Treibstoffantrieb ist jedoch keine Oxidationsleitung erforderlich, sondern nur die Kraftstoffleitung. Dies funktioniert, weil das Oxidationsmittel chemisch in das Brennstoffmolekül selbst eingebunden ist. Damit das Antriebssystem jedoch gesteuert werden kann, kann die Verbrennung des Kraftstoffs nur aufgrund eines Katalysators erfolgen. Dies ist ziemlich vorteilhaft, da der Raketentriebwerk leichter, billiger, einfacher zu steuern und zuverlässiger ist. Der Untergang ist jedoch, dass die Chemikalie sehr gefährlich für Herstellung, Lagerung und Transport ist.

Bipropellant
Ein Bipropellant-Antriebssystem ist ein Raketentriebwerk, das ein flüssiges Treibmittel verwendet. Dies bedeutet, dass sich sowohl die Oxidationsmittel- als auch die Kraftstoffleitung in flüssigem Zustand befinden. Dieses System ist einzigartig, da es kein Zündsystem erfordert. Die beiden Flüssigkeiten würden sich spontan entzünden, sobald sie miteinander in Kontakt kommen, und erzeugen den Antrieb, um das Schiff vorwärts zu treiben. Der Hauptvorteil dieser Technologie liegt darin, dass diese Arten von Flüssigkeiten eine relativ hohe Dichte haben, wodurch das Volumen des Treibstofftanks klein werden kann, wodurch die Raumeffizienz erhöht wird. Der Nachteil ist derselbe wie der eines einstufigen Antriebssystems: sehr gefährlich für Herstellung, Lagerung und Transport.

Ion
Ein Ionenantriebssystem ist eine Art Motor, der durch Elektronenbeschuß oder die Beschleunigung von Ionen Schub erzeugt. Durch das Schießen hochenergetischer Elektronen auf ein Treibstoffatom (neutrale Ladung) werden Elektronen aus dem Treibstoffatom entfernt, wodurch das Treibstoffatom ein positiv geladenes Atom wird. Die positiv geladenen Ionen werden so geführt, dass sie positiv geladene Gitter durchlaufen, in denen Tausende von präzise ausgerichteten Löchern mit hohen Spannungen laufen. Dann beschleunigen die ausgerichteten positiv geladenen Ionen durch ein negativ geladenes Beschleunigernetz, wodurch die Geschwindigkeit der Ionen weiter auf 90.000 Meilen pro Stunde erhöht wird. Der Impuls dieser positiv geladenen Ionen liefert den Schub, um das Raumfahrzeug vorwärts zu treiben. Der Vorteil dieser Art von Antrieb ist, dass er die konstante Geschwindigkeit, die für die Reise im Weltraum erforderlich ist, unglaublich effizient aufrechterhält. Die Menge des erzeugten Schubes ist jedoch extrem gering und es wird viel elektrischer Strom benötigt, um zu funktionieren.

Mechanische Geräte
Mechanische Komponenten müssen häufig für den Einsatz nach dem Start oder vor der Landung bewegt werden. Neben dem Einsatz von Motoren werden viele einmalige Bewegungen von pyrotechnischen Geräten gesteuert.

Roboter gegen unbemannte Raumsonden
Roboter-Raumsonden sind speziell für eine bestimmte feindliche Umgebung konzipiert. Aufgrund ihrer Spezifikation für eine bestimmte Umgebung variiert die Komplexität und die Fähigkeiten erheblich. Ein unbemanntes Raumfahrzeug ist ein Raumfahrzeug ohne Personal oder Besatzung und wird automatisch betrieben (erfolgt mit einer Aktion ohne menschliches Eingreifen) oder per Fernbedienung (mit menschlichem Eingriff). Der Begriff “unbemanntes Raumfahrzeug” bedeutet nicht, dass das Raumfahrzeug Roboter ist.

Steuerung
Roboter-Raumfahrzeuge nutzen die Telemetrie, um von der Erde erfasste Daten und Informationen zum Fahrzeugstatus zu senden. Obwohl im Allgemeinen als “ferngesteuert” oder “telerobotisch” bezeichnet, erhielt das früheste Orbital-Raumfahrzeug – wie Sputnik 1 und Explorer 1 – keine Steuersignale von der Erde. Bald nach diesen ersten Raumfahrzeugen wurden Befehlssysteme entwickelt, die eine Fernsteuerung vom Boden aus ermöglichen. Eine erhöhte Autonomie ist für entfernte Sonden wichtig, bei denen die Lichtlaufzeit eine schnelle Entscheidung und Kontrolle von der Erde aus verhindert. Neuere Sonden wie Cassini-Huygens und die Mars Exploration Rovers sind weitgehend autonom und verwenden Bordcomputer, um über einen längeren Zeitraum unabhängig voneinander zu arbeiten.

Weltraumsonden
Eine Weltraumsonde ist eine Roboter-Raumsonde, die nicht die Erde umkreist, sondern weiter in den Weltraum geht. Eine Weltraumsonde kann sich dem Mond nähern. Reise durch den interplanetaren Raum; Vorbeiflug, Umlaufbahn oder Landung auf anderen Planetenkörpern; oder betreten den interstellaren Raum.

SpaceXs Drache
Ein Beispiel für ein vollrobotisches Raumfahrzeug in der modernen Welt wäre der Dragon von SpaceX. Der SpaceX Dragon ist ein Roboter-Raumschiff, das nicht nur Fracht in den Orbit der Erde, sondern auch den Menschen schicken soll. Die Gesamthöhe des SpaceX Dragon beträgt 7,2 m bei einem Durchmesser von 3,7 m. Die Gesamtmasse der Startnutzlast beträgt 6.000 kg (13.228 lbs) und eine Gesamtmasse für die Rückführung von 3.000 kg (6.614 lbs) sowie ein Gesamtvolumen der Startnutzlast von 25 m³ (883 ft ^ 3) und ein Gesamtnutzlastvolumen von 11 m 3 (388 ft 3). Die Gesamtdauer des Drachen im Erdorbit beträgt zwei Jahre.

Im Jahr 2012 schrieb der SpaceX Dragon Geschichte, als er als erstes kommerzielles Roboter-Raumfahrzeug Fracht an die Internationale Raumstation lieferte und auf derselben Reise Fracht sicher zur Erde zurückbringen konnte. Diese Leistung, die der Drache gemacht hat, wurde bisher nur von Regierungen erreicht. Gegenwärtig soll der Drache Fracht transportieren, da er beträchtliche Mengen an Fracht zur Erde zurückbringen kann, obwohl er ursprünglich für die Beförderung von Menschen konzipiert wurde.

Eine Weltraumsonde ist eine wissenschaftliche Mission zur Erforschung des Weltraums, bei der ein Raumfahrzeug die Erde verlässt und den Weltraum erforscht. Es kann sich dem Mond nähern, interplanetarisch betreten, andere Körper umfliegen oder umkreisen oder sich dem interstellaren Raum nähern.

Roboter-Servicefahrzeuge
MDA Space Infrastructure Servicefahrzeug – ein In-Space-Tanklager und ein Service-Raumschiff für Kommunikationssatelliten in geosynchroner Umlaufbahn. Start geplant für 2015. [Aktualisierung erforderlich]
Mission Extension Vehicle ist ein alternativer Ansatz, bei dem kein RCS-Treibstofftransfer im Weltraum eingesetzt wird. Vielmehr würde er sich auf dieselbe Weise wie der MDA SIS mit dem Zielsatelliten verbinden und dann “seine eigenen Triebwerke verwenden, um die Lagesteuerung für das Ziel bereitzustellen”.