Mission design and technology for a Titan Aerobot Balloon System (TABS)

Abstract

An alternative implementation to a Titan aerobot mission is presented that uses tried (by similarity) and relatively low-risk methods for designing and deploying a Hydrogen-filled balloon in Titan’s atmosphere. This is a departure from the current consensus approach of using a Montgolfier (hot air) balloon for in-situ exploration. It was demonstrated that this mission implementation is not only feasible, but also presents a risk advantage in the deployment (the most critical part of operations) of this system, without the need for a complicated scheme of lines and ties that can snatch or rupture the material. With on-board Hydrogen, and an auxiliary tank for replenishment during a six-month mission, the Titan Aerobot Balloon System (TABS) is capable of gathering up to 892 Mbits of data per day, that includes optical, spectroscopy, and atmospheric remote and in-situ sensing. This data is transmitted directly to Earth with a steerable 1-meter parabolic dish antenna. During the course of formulating mission enablers, a new Thermal Protection System (TPS) material was also designed, manufactured, and tested at the Institut für Raumfahrtsysteme of the Universität Stuttgart. This new carbon/Phenolic ablator was successfully demonstrated at the IRS’ Plasma Wind tunnel. Two out of three sample types proved to be viable ablators, with no sign of delamination, and with thermal properties that enable high-speed entry not only in Titan’s atmosphere, but also for Earth re-entry and planetary sample return missions. TABS entry vehicle is 628 kg with a total floating mass including gondola and buoyant system of 242 kg (both numbers include a 30% contingency). TABS can be launched in a Space X Falcon 9 rocket, with a 30% performance margin (on top of the 30% contingency). There is enough mass and volume reserve left in the launch vehicle for co-manifested spacecraft, so international cooperation is not only built-into TABS, the flight can also accommodate the addition of separate contributions with the potential for individual partner cost-sharing and savings.

Diese Arbeit präsentiert eine Variante einer robotischen Raumsonde zur Erkundung des Saturnmondes Titan unter Nutzung von Analogie- und Risikominderungsmethoden zum Entwurf eines wasserstoffgefüllten Ballons, der sich in Titans Atmospäre entfaltet. Dies ist ein Umdenken, weg vom gegenwärtig akzeptierten Vorgehen, wo ein Heißluftballon (Montgolfiere) zur In-Situ-Erforschung verwendet wird. Es hat sich gezeigt, dass die Umsetzung einer solchen Mission nicht nur durchführbar ist, sondern auch Vorteile durch Risikoverringerung während der Entfaltungsphase bietet – dem kritischsten Teil des Ablaufes. Das System kommt dabei ohne ein kompliziertes Geflecht aus Leinen und Verbindungen aus, die reißen und andere Komponenten oder Materialien beschädigen können. Mit an Bord gelagertem Wasserstoff sowie einem Hilfstank zum Nachfüllen während einer sechsmonatigen Mission ist TABS (Titan Aerobot Balloon System) in der Lage bis zu 892 MBits an Daten pro Tag zu sammeln (aus optischer, spektroskopischer und atmospärischer Fernerkundung sowie aus In-Situ-Messungen). Diese Daten werden mittels einer steuerbaren 1 m Parabolantenne direkt zur Erde gesendet. Im Verlauf der Arbeit wurde ein neues Karbon-Phenol-Hitzeschildmaterial am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart entwickelt, gefertigt und getestet und daraufhin erfolgreich im IRS-Plasmawindkanal validiert. Zwei der drei untersuchten Konzepte erwiesen sich als realisierbar – ohne Anzeichen von Ablösung und mit Thermaleigenschaften, die nicht nur einen atmosphärischen Hochgeschwindigkeitseintritt am Titan ermöglichen sondern auch einen Wiedereintritt an der Erde sowie zukünftige planetare Probenrückführungsmissionen. Das TABS-Eintrittsfahrzeug hat eine Masse von 628 kg mit einer Masse des Ballonfahrzeuges von 242 kg inklusive Gondel und Auftriebskörper (jeweils einschließlich 30% Sicherheitsreserve). Ein Start von TABS an der Spitze der SpaceX Falcon 9 Rakete bietet einen Leistungsspielraum von 30% zusätzlich zur bereits vorhandenen 30% Sicherheitsreserve. Die verfügbare Masse- und Volumenreserve eröffnet daher die Möglichkeit eines kombinierten Starts mit weiteren Raumsonden/Satelliten. Internationale Zusammenarbeit ist also nicht nur innerhalb des TABS-Projektes durchführbar, sondern auch im Rahmen der Kostenteilung eines gemeinsamen Starts.