Drake, Bret G.

NASA Technical Reports Server

Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Considerations for a “Minimum Path” Architecture
The Second Affording Mars Community Workshop
October 14 – 16, 2014
Keck Institute for Space Studies
California Institute of Technology
Bret G. Drake
The opinions and recommendations provided in this presentation  
are my own and do not represent an official NASA position 
1
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140013175 2019-08-31T16:48:18+00:00Z
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
 This definition resembles early 1990’s NASA Administrator Dan Goldin’s mantra of Faster, 
Better, Cheaper  Given that success is a must1, there is natural tension which remains between the three other 
key elements of this definition
— Budget
— Timeframe
— Mission Goals Expecting success when each of these three factors are defined independently usually results 
in a null set The challenge is to find a reasonable balance of all three ‐ Simultaneously
— Budget:  What level of modest budget increase is acceptable?
— Timeline: What is a reasonable Mars date with demonstrable achievements along the way to the end 
goal?  (Avoid the impression of quicksand – e.g. the Moon)
— Mission Goals:  Which goals make the endeavor worthwhile (not a low cost stunt)
What Constitutes Affordable?
A strategy that enables success within a budget and timeframe justified by the 
importance of mission goals  ‐ Affording Mars I, 2013
2
1 This assumes that a reasonable level of risk is achieved.  No formal risk level has yet been established for human missions to Mars.  Perceived risks are not viewed the same 
today as in the past.  “Historically, or even today in underdeveloped countries, loss of life was an unfortunate, but commonplace, occurrence within families and all other 
types of social units  ….  What has changed is the public expectation for success and the shock when risk and danger show themselves as injury and loss of life.”  Dick, S.J., 
Cowing, K.L., Risk and Exploration, NASA, 2004.
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Lower the mission mass and number of launches
Minimize the number of unique developments
Leverage early developments and system extensibility –
sneak up on the problem
Implement efficient management practices – Lean, Skunk 
Works, etc.
Focus technology insertion
Pay proper attention to the proper risks
Establish a reasonable mission cadence
The Key Principles of Mars Affordability in a Budget 
Constrained Environment
3
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Typical Cost Distribution
Mission Mass and Number of Launches
 Architecture mass has traditionally been used as the first order measure 
of cost
— Cost models are mass based (dry mass)
— Total mass (including propellant) drives number of launches
— Number of launches required for each vehicle stack drives operational complexity and 
vehicle integration costs Mars architectural costs driven predominantly by space transportation 
and associated infrastructure costs
— Long‐term cost (recurring and non‐recurring) of NASA as Commercial customer ‐ TBD
— Government systems are major components of cost
4
Example Only.  Although this is 
legacy data and thus old and 
outdated, it provides a good 
example of the cost drivers for 
typical architectures.
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Total Delta‐v as a Function of Mission Duration
Mission Mass and Number of Launches
0 
10 
20 
30 
40 
50 
60 
‐ 200  400  600  800  1,000 
T
o
t
a
l
 
D
e
l
t
a
‐
v
 
(
k
m
/
s
)
Total Mission Duration  (Days)
Crew Vehicle Total Delta‐V
Opposition Class ‐ 2033 "Good" Opportunity
20 Day Stay
40 Day Stay
60 Day Stay
80 Day Stay
100 Day Stay
Conjunction
Trajectory Set:  27 January 2012
ORBIT ASSUMPTIONS
Earth Departure Orbit   = 400 X 400 km
Mars Arrival  Oribt          = 250 X 33,813 km
Mars Departure Oribt    = 250 X 33,813 km
Direct Entry at Earth  Return
PLANETARY ARRIVAL  ASSUMPTIONS
Mars Propulsive Capture
Capture Plane: As  is
Direct Earth Entry @ 13 km/s
Opposition Class “Short‐Stay” Conjunction Class “Long‐Stay”
Stay Time Varies 
(550‐730 Days)
60‐Day One‐Way Transits
200‐Day One‐Way Transits
No  Venus Swing‐
by
0
200
400
600
800
1000
1200
T
o
t
a
l
 
M
i
s
s
i
o
n
 
D
u
r
a
t
i
o
n
 
(
D
a
y
s
)
Earth Departure Opportunity
Opposition Class (60 Day Stay) Missions
Mission Duration
Inbound (130 ‐ 560 d) At Mars (60 ‐ 60 d) Outbound (140 ‐ 530 d)
T
o
t
a
l
 
M
i
s
s
i
o
n
 
D
u
r
a
t
i
o
n
 
(
D
a
y
s
)
Image derived from:  Drake, Bret G., et al, “Alternative Strategies for exploring Mars and the Moons of 
Mars”, Global Space Exploration Conference, Washington, D.C., GLEX‐2012.08.2.2x12575, May 2012.
5
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Mission Mode
How to Reduce Mission Mass
 Choice of Mission Mode
— Provides the greatest leverage on total 
mission mass as well as system inert 
mass
Minimum Energy (Conjunction Class) 
missions for the crew Split mission approach
— Sending cargo on minimum energy 
transfers reduces mission mass and 
size/complexity of crew vehicle stack
 Pre‐deploy mission assets to Mars 
ahead of the crew
 Note
— Pre‐deploy strategies introduce greater system reliability requirements (two 
years or more depending on propulsion technology and mission strategy)
— Conjunction class orbital (Phobos or Deimos) missions can be especially 
demanding from a human health perspective (conducted entirely in deep‐
space)
CAUTION
!
Courtesy NASA: Drake, Bret G., “Footprints on Mars”,  12 June, 2013 
Lower Energy = 
Lower Mass
Higher Energy = Higher Mass + 
Advanced Transportation
6
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
 Total architecture cost driven by the number of new developments and 
number of systems to be maintained for long‐term use Significant, but not unreasonable, capability and technology 
advancements are required to get to the surface of Mars
Capability Developments Required
Courtesy NASA: Stich, Steve, “Asteroid Redirect Mission Building Human Space Flight Exploration Capabilities”, March 6, 2014
7
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
For Any Mars Surface Mission – Typically the largest cost items
Six Fundamental Needs
Orion
Space Launch System
Transit Habitat
Mars Lander
Mars Ascent Vehicle
In‐Space Propulsion
To/From Cis‐Lunar staging… 
… to/from Mars orbit
… to/from Mars surface
Image derived from:  Raftery, Michael, et al, “An Affordable Mission to Mars”, 64th International Astronautical Congress, Beijing, China, 2013.  Additional annotation with permission
8
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
 From an element cost perspective – Not 
really!
— The Design, Development, Test, and 
Evaluation (DDT&E) is the predominate 
driver of cost
— That is, introducing a new element drives 
the architecture cost more than the size of 
the element itselfMinimize the number of unique elements 
in the architecture or drive as much 
heritage between elements as possible
 But size is IMPORTANT
— Where an element is introduced into the 
architecture does matter 
— “The gear ratio paradigm”:  A slightly 
heavier ascent stage will have a much 
greater impact on the architecture than a 
slightly heavier transit habitat
— It also matters when that increased mass 
requires a jump in capability (e.g. adds 
another launch)
Does Size Really Matter?
9
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Human Exploration Formulation Team (HEFT) II (January 2011)
Affordability ‐ Most Significant Challenge Moving Forward
10
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Human Exploration Formulation Team (HEFT) II (January 2011)
Industry Input on Affordability – Major Themes
11
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Pioneering Space
Disruptive Approaches & Advanced Technology
 Countless studies have examined 
revolutionary approaches of 
human exploration in search of the 
single “game changing technology” Few have shown promise, 
especially for the near‐term 
horizon (next 20 years) Some key technologies continue to 
form the heart of future 
exploration strategies
— Highly reliable and maintainable life 
support
— Advanced propulsion (SEP)
— Advanced EDL technologies
— ISRU (O2 from Mars atmosphere)
— Nuclear surface power Examination of breakthrough 
approaches should continue, but 
the majority of technology 
investments should be applied to 
the core exploration technology set
Space Elevators
Advanced Launch Virtual Research
Power Beaming
Self Assembly
Space Farming
In-Situ Resources
He3 Fusion
Entry and Landing
Images courtesy Pat Rawlings, © NASA
Nano-Structures
Nuclear Power
Life Support
Advanced Transportation
12
Advanced Information
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
 The public is not risk averse.  In fact, minimizing risk may mean 
minimizing public interest. Acceptance of risk changes with time and culture.  We need to be an 
active voice in changing the culture to accept the risks of pushing the 
boundaries of human exploration.
Risk and Cost
 Not all risks are equal and resources 
should continually be focused on the risks 
that matter In this example the top few risks 
constitute 97% of the total risk)
— Habitat life support reliability
— Entry, descent and landing
— Transportation system reliability
— Human health and performance risks
— Mars ascent
— Surface system reliability
13
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Risk Posture in the Modern Era
Titanic and Other Reflections  - James Cameron
“ It is absolutely important to use all of our accumulated knowledge to be as safe as possible. 
However, safety is not the most important thing. I know this sounds like heresy, but it is a truth 
that must be embraced in order to do exploration. The most important thing is to actually go. 
Because if safety were the most important criterion, we would not go to Mars for 10,000 years, 
because only then could we assure absolute, 100 percent success. Historically the success of 
cultures and nations has been the result of their ability to balance risk and reward—to put it 
another way, caution and boldness.” *
*   Dick, S.J., Cowing, K.L., Risk and Exploration, NASA, 2004.
The Man in the Arena  - Theodore Roosevelt
“It is not the critic who counts; not the man who points out how the strong man stumbles, or 
where the doer of deeds could have done them better. The credit belongs to the man who is 
actually in the arena, whose face is marred by dust and sweat and blood; who strives valiantly; 
who errs, who comes short again and again, because there is no effort without error and 
shortcoming; but who does actually strive to do the deeds; who knows great enthusiasms, the 
great devotions; who spends himself in a worthy cause; who at the best knows in the end the 
triumph of high achievement, and who at the worst, if he fails, at least fails while daring 
greatly, so that his place shall never be with those cold and timid souls who neither know victory 
nor defeat.” †
†   Excerpt from the speech "Citizenship In A Republic“ delivered at the Sorbonne, in Paris, France on 23 April, 1910
14
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
If Humans to Mars Orbit by 2033 and to the Surface 
Two Opportunities Later, then…
Earth Departure:  Early 2033
H/W @ KSC: 2031
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
Humans to Mars 
Orbit in 2033
Mission mode decision 
somewhere around here
EM-1 Heavy 
Lift/Orion 
International Space Station
Orion  Test
(EFT-1)
EM-2 Crew 
Beyond LEO Test
Launch 
Campaign
L L L L
D A D A
C
Humans to Mars 
Surface 2038
Deep Space and/or Planetary Surface Testing
Human Research Program Risk Mitigation (Increasing   crew mission duration)
Technology development
System Development
Programmatic Milestone
Major Delivery
Major System Test
L
C
SLS Cargo Launch
SLS Crew Launch
D Departure
A Arrival
Robotic Mission Demo
Gap Filling ActivityNear-Earth Risk 
Reduction 
Opportunities
Opportunities to demonstrate 
human scale technologies on 
robotic missions
ISS Extension?
Human Mars 
Systems Test 
Opportunities
Mars Surface Human Cargo Flight Systems Development
PDR CDR
Human Subscale Technology Development and Test 
Demonstration Systems Development
EDL
ISRU
Ascent
PDR CDR
Crew to Mars Orbit Flight   Systems Development
PDR CDR
MSL
Humans to Mars Strategic    Knowledge Gap Filling Activities.
Launch 
Campaign
L L L L
Crew
Launch
D A D AC
HW @ 
KSC
Crew to Mars Surface
Launch 
Campaign
L L L L D A
HW @ 
KSC
Cargo to Mars Surface
Technology development and Test Demonstration Systems Development
PDR CDR
Insight 2020 RoverMaven ExoMars
Courtesy NASA: Drake, Bret G., “Footprints on Mars”,  12 June, 2013 
15
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
 Affordability challenges
— Continual erosion of future exploration 
budget wedge
— Early development of SLS and Orion help 
buy down initial investments
— But near‐parallel development of other 
large systems remain (habitation, 
transportation, lander, ascent stage)
— Combined with optimal cost profiles, this 
can result in large peak funding Careful examination of the budget 
implications of architecture and mission 
design is critical Maximize extensibility of early 
developments (ISS demonstrations, 
transportation {ARM} and habitation 
{EAM}) while minimizing requalification Stagger and phase large developments 
if possible to help reduce peak funding 
required Target mission opportunities to coincide 
with budget availability (may need to 
skip opportunities) Minimize infrastructure sustaining costs
The Cost Profile Component of Affordability
16
* National Research Council, “Pathways to Exploration: Rationales and Approaches for a U.S. 
Program of Human Space Exploration”, The National Academies Press, 2014
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
 Lower the mission mass and number of launches Split‐Missions (pre‐deploy mission hardware ahead of the crewUtilized minimum energy conjunction class missions Minimize the number of unique developments E.g.: Exploration Augmentation Module = Mars Transit Habitat = Surface Habitat Leverage early developments and system extensibility – sneak up on the 
problem E.g.: ARM SEP = Mars SEP Implement efficient management practices – Lean, Skunk Works, etc. Focus technology insertionHighly reliable closed life support Advanced propulsion (SEP) Advanced EDL technologies ISRU (O2 from Mars atmosphere)Nuclear surface power Pay proper attention to the proper risks Establish a reasonable mission cadence Cis‐Lunar Demonstrations => Mars Orbit => Mars Surface (if human health 
protocols ok) Cis‐Lunar => Mars Surface Long Stay (if human health protocols not acceptable)
So what constitutes a “minimal path” Mars architecture in 
a budget constrained environment? 
1717
Affording Mars II:  14‐16 October, 2014Bret G. Drake
Discussion
The Key Principles of Mars Affordability
18


Considerations for a "Minimum Path" Architecture

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server