RADER NEUE. ExoMars. Mobilität auf der Oberfläche anderer Himmelskörper ist eine wichtige Fähigkeit. Planetenforschung.

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2 Planetenforschung ExoMars NEUE RADER Von Lutz Richter Mobilität auf der Oberfläche anderer Himmelskörper ist eine wichtige Fähigkeit aktueller und zukünftiger unbemannter Raumsondenmissionen für die Erkundung unseres Planetensystems. Seit Januar 2004 sind die beiden amerikanischen Marsrover Spirit und Opportunity der Mission Mars Exploration Rover (MER) auf dem Roten Planeten im Einsatz innerhalb des Kraters Gusev bzw. in Meridiani Planum und haben auch mit aus Deutschland stammenden Messinstrumenten hinsichtlich der Aktivität von flüssigem Wasser in der Vergangenheit des Mars wissenschaftlich bahnbrechende Erkenntnisse erbracht. NASA 58 DLR NACHRICHTEN 114

3 braucht der MARS DLR NACHRICHTEN

4 Planetenforschung Ausgezeichnet bewährt hat sich das sechsrädrige Rocker-Bogie-Fahrgestell der Rover, nachdem das Konzept bereits erfolgreich bei dem kleinen Rover Sojourner der Mars Pathfinder Mission vor neun Jahren demonstriert wurde. Derzeit bereitet die europäische Weltraumagentur ESA im Aurora-Explorationsprogramm die Marsmission ExoMars vor, bei der ein Oberflächenfahrzeug anders als MER Proben von unterhalb der Oberfläche gewinnen und diese bezüglich chemischer und molekularer Hinweise auf frühere oder gegenwärtige biologische Aktivität untersuchen soll. Neben Beteiligungen an der Nutzlast von ExoMars sowohl auf dem Rover als auch an einem ortsfesten, geophysikalischen Instrumentenpaket auf dem Lander wird das DLR auch wichtige Rollen in der Entwicklung des Fahrzeugs übernehmen. Das DLR baut dabei auf bisherigen Arbeiten zu Rädern und dem Fahrverhalten von Planetenrovern auf. Das System Fahrzeug-Gelände Neben dem Aspekt der Anzahl von Rädern und deren Anordnung oder überhaupt der Frage Die Einzelrad-Testanlage für Planetenrover am Institut für Raumsimulation. zur Art der Fortbewegung ist für die erfolgreiche Auslegung von Fahrzeugen für Anwendungen auf unbefestigtem Bodenmaterial die korrekte Dimensionierung der Räder eine zentrale Frage. Systematische Untersuchungen zu terrestrischen Fahrzeugen für den Einsatz abseits der Straße begannen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts und wurden getrieben durch militärische Anwendungen. Insbesondere Mieczyslaw Gregory Bekker begründete in den 50er-Jahren die Wissenschaft des Systems Fahrzeug-Gelände. Seitdem haben die entwickelten Systematiken zur rationalen im Gegensatz zu einer intuitiven Auslegung von Geländefahrzeugen nicht nur in den militärischen Bereich Eingang gefunden, sondern auch intensiv in die landwirtschaftliche Fahrzeugtechnik, bei der es nicht nur um Werkzeuge zur Bearbeitung von Agrarböden, sondern auch darum geht, Fahrzeuge zu entwickeln, die eine übermäßige Verdichtung der Böden beim Überfahren verhindern. Unabhängig vom konkreten Anwendungsfall besteht damit in der Fahrzeugtechnik für Einsätze auf unbefestigtem Boden die Notwendigkeit, eine Reihe von Effekten während der Entwicklung vorhersagen zu können, insbesondere das Einsinkverhalten im nachgiebigen Boden, den Fahrwiderstand, die Vortriebskraft und die Steigeigenschaften abhängig vom Grad des Durchdrehens der Räder (Schlupf). Für derartige Vorhersagen muss das Oberflächenmaterial, auf dem das Fahrzeug operieren soll, zwingend bekannt sein im Sinne seiner Last-Verformungseigenschaften und deren statistischer Variationen. Sowohl theoretische als auch halbempirische Modelle, die die Verdichtung, Verdrängung und Scherung von Böden bei Einwirkung von Belastungen durch Fahrzeuge beschreiben, können dann entsprechende 60 DLR NACHRICHTEN 114

5 Abschätzungen liefern, die für den Prozess der Auswahl der jeweils geeigneten Fahrzeugkonfiguration entscheidend sind. So sind Einsinktiefe und Fahrwiderstand eng gekoppelt an die zu installierende Antriebsleistung die durch Entwicklungsvorgaben begrenzt sein wird, und die vorhergesagte Alles Geschaffene trägt die Spuren des Schöpfers. Augustinus Aurelius, ( ) Steigfähigkeit kann den entsprechenden funktionalen Anforderungen gegenübergestellt werden. Theorie und Experimente Durch Vergleich der mittels der Fahrzeug-Gelände-Modelle gewonnenen Vorhersagen mit den Randbedingungen und Anforderungen sind fundierte Konstruktionsentscheidungen möglich, die beispielsweise die Aspekte Prinzip der Fortbewegung (z. B. Ketten oder Räder), benötigte Anzahl der Räder und Art der Radanordnung am Fahrzeug betreffen. So verringert eine größere Radanzahl für ein konstantes Fahrzeuggewicht die Einsinktiefe und damit im Allgemeinen auch den zu überwindenden Fahrwiderstand, allerdings auf Kosten der Komplexität. Dementsprechend sind im Auslegungsprozess unter Umständen schwierige Abwägungen zu treffen. Da es sich bei Bodenmaterialien um granulare Medien mit einer mehr oder minder breiten Verteilung von Partikelgrößen handelt und verschiedene Arten von Kräften zwischen den Körnern wirken, ist es selbst bei der Ent- wicklung von Fahrzeugen für den terrestrischen Einsatz unabdingbar, gezielte Experimente zur Wechselwirkung zwischen Fahrsystem und Gelände durchzuführen. Im Allgemeinen wird dabei aus Gründen des Aufwands auf Prototypen des projektierten Fahrzeugs verzichtet und stattdessen z. B. auf Einzelrad-Untersuchungen zurückgegriffen. So existieren an einschlägigen Forschungseinrichtungen und zum Teil bei der Industrie vielfach so genannte Bodenrinnen, in denen einzelne Räder oder Kettensysteme auf homogenem Bodenmaterial unter einstellbaren, kontrollierten Fahrbedingungen bewegt werden können, um die interessierenden Kräfte und Drehmomente direkt zu messen. Die Ergebnisse sind jeweils essenziell, um die Modelle zur Vorhersage dieser Größen validieren zu können und damit deren sinnvolle Anwendung im Auslegungsprozess zu gestatten. Anwendung auf Planetenrover Diese Systematik gilt nun ganz analog auch für die Fragen, die die rationale Definition von Fahrzeugen auf anderen Himmelskörpern, also den Planetenrovern, betreffen. Wiederum war es Bekker, der in der Übertragung der Erkenntnisse aus der Disziplin der terrestrischen Fahrzeug-Gelände-Systemtechnik auf die Weltraumanwendung eine Vorreiterrolle einnahm, indem er intensiv an der Entwicklung des Lunar Roving Vehicle (LRV) zum Einsatz bei den drei letzten bemannten Mond-Missionen des amerikanischen Apollo- Programms beteiligt war. Auch in der ehemaligen Sowjetunion wurde für die Entwicklung der unbemannten Lunochod-Mondrover auf Erfahrungen aus der terrestrischen Fahrzeugtechnik zurückgegriffen. Der Hauptunterschied zwischen dem Entwurfsprozess eines Fahrzeugs zum Einsatz auf unbefestigtem Gelände auf der Erde und dem für einen planetaren Rover besteht allerdings darin, dass für die Planetenanwendung die Eigenschaften des Oberflächenmaterials im Vorhinein meist nur unzulänglich bekannt sind. Da insbesondere die Kenntnis der Last-Verformungseigenschaften des Bodens notwendig ist, um Einsinktiefe (und damit den Fahrwiderstand) und die übertragbare Vortriebskraft mithilfe der Fahrzeug- Boden-Modelle vorherzusagen, ergibt sich hiermit zunächst ein grundsätzliches Problem. Für die Entwicklung der Mondrover wurden deshalb bei den ersten unbemannten lunaren Landemissionen der USA und Sowjetunion mit eigens hierfür gebauten Messinstrumenten die Festigkeitsparameter des pulvrigen Mondbodens (Regolith) bestimmt. Für erste Konzeptstudien zu Rovern für den Mars ging man dann in den 70er-Jahren von einer mondähnlichen Oberfläche aus. Dies wurde revidiert durch Abschätzungen zur Festigkeit des Mars-Regolith, die man während der Missionen der beiden stationären Viking-Landesonden erhielt, ohne jedoch hierzu dedizierte Messungen zu machen. Die Daten gingen entsprechend ein in die Entwicklung des Rovers Sojourner der Mars Pathfinder Mission und schließlich auch in die der aktuell erfolgreich im Einsatz befindlichen Mars Exploration Rover (MER) Spirit und Opportunity. NASA DLR NACHRICHTEN

6 Planetenforschung Blick zurück entlang des Fahrwegs des Mars Exploration Rovers Opportunity (MER-B) im Gebiet Meridiani Planum; Aufnahme der Navigationskamera vom Tag 786 seit der Landung auf dem Mars. Räder für den ExoMars-Rover Am Institut für Raumsimulation des DLR finden seit Mitte der 90er-Jahre, finanziert durch das Technologieprogramm der ESA, Entwicklungsarbeiten zu radgetriebenen Rovern für Marsanwendungen statt. Hierbei lag das Hauptaugenmerk von Beginn an auf der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Rad und Boden unter Verwendung der Methoden aus der Fahrzeug-Gelände-Systemtechnik. Frühzeitig wurden dabei Bodenmaterialien definiert und hergestellt, die im Hinblick auf ihre Korngrößenverteilung und ihr Festigkeitsverhalten und damit in ihren physikalischen Eigenschaften den Marsboden nachbilden. Mit diesen Analogböden wurden intensiv Messreihen an Prototyprädern in einer eigens hierfür entwickelten Radtestanlage durchgeführt und zur Verbesserung von Vorhersagemodellen verwendet, zunächst für sehr kleine Räder, wie sie für Fahrzeuge von wenigen Kilogramm Masse relevant sind. In diesem Kontext entstand zusammen mit Contraves Space (Zürich) für die ESA das bereits flugnahe Entwicklungsmodell des vierrädrigen Mobile Instrument Deployment Device. Im Zuge der Vorstudien zur nun von der ESA im Programm Aurora vorgesehenen Marsrover-Mission ExoMars, geplant für einen Start 2013, wurden am Institut für Raumsimulation zuletzt, abermals gemeinsam mit Contraves Space, sowohl eine neue Einzelrad-Testanlage als auch eine Fahrzeug-Systemtestanlage entwickelt und in Betrieb genommen, mit denen die bisherigen theoretischen und halb-empirischen Modelle zur Vorhersage der Fahreigenschaften von Planetenrovern entscheidend verbessert werden konnten. Dies geschah durch umfangreiche Messreihen unter kontrollierten Bedingungen an verschiedenen Rädern einerseits und an einem Fahrzeug-Testmodell andererseits mit daraus folgenden Modifikationen der Theorie zum System Rad- Boden. Neben den Arbeiten zur Modellierung der Aspekte zwischen Rad und Bodenmaterial erstrecken sich die Interessen am DLR im Hinblick auf den ExoMars-Rover auch auf konkrete Hardware-Entwicklung für das Fahrzeug: innerhalb der Phase A Vorstudie wurde ein spezieller Radtypus vorgeschlagen, konzipiert und inzwischen in der Zentralwerkstatt am Standort Köln-Porz gefertigt. Es handelt sich dabei um ein flexibles Rad metallischer Bauweise, das sich im Gegensatz zu den bei unbemannten Planetenrovern bisher verwendeten starren Rädern unter der Gewichtskraft des Fahrzeugs elastisch deformiert. Dies besitzt den schon aus der terrestrischen Fahrzeugtechnik mit Luftreifen bekannten Vorteil einer geringeren Einsinktiefe auf nachgiebigem Boden bei vergleichsweise niedrigem Reifen- Fülldruck in direktem Vergleich zu einem steiferen Rad. NASA 62 DLR NACHRICHTEN 114

7 Flexibilität ist das A und O Da die Einsinktiefe mit dem Fahrwiderstand gekoppelt ist, liegen die Vorteile auf der Hand: ein Fahrzeug mit flexiblen Rädern benötigt weniger Antriebsleistung als eines mit starren Rädern gleicher Abmessungen, was gerade bei planetaren Anwendungen einen entscheidenden Vorteil darstellt. Mehr noch, auf Grund der vergleichsweise ebenen Aufstandsfläche des deformierten Rades und der damit verbundenen gleichförmigeren Druckverteilung unterhalb des Rades benötigt das flexible Rad für gleiche Vortiebskraft weniger verlustbehaftete Relativbewegung zwischen Rad und Boden (Schlupf) als ein gleich großes starres Rad. Dies bedeutet zugleich eine bessere Steigfähigkeit auf nachgiebigem Boden, d. h. es können steilere Steigungen bewältigt werden. Insgesamt verspricht das flexible Rad demnach mehrere essenzielle Vorteile und wurde daher von der ESA als Baseline für den ExoMars- Rover bereits akzeptiert. Anders als bei Fahrzeugen auf der Erde werden die elastischen Eigenschaften des Rades bei dem vorgesehenen Konzept auf Grund der besonderen Umgebungsbedingungen nicht durch einen Luftreifen erreicht, sondern durch um eine starre Nabe angeordnete Metallfedern, die im derzeitigen Entwurf als gekrümmte Bleche ausgeführt sind. Eine ähnliche Konstruktion wurde bereits erfolgreich vom Institut für Raumsimulation für das von der Universität Bremen entwickelte Meeresboden-Fahrzeug MOVE! entwickelt. Zwar entsteht durch die periodische Deformation während des Fahrens ein gegenüber starren Rädern zusätzlicher Verlust durch Hysterese, doch liegt bei korrekter Auslegung der gesamte Fahrwiderstand wegen der deutlich verringerten Einsinktiefe im Boden signifikant unter dem eines gleich großen starren Rades. Bleibt demnach zu hoffen, dass wir nach dem Meeresgrund bald auf dem Mars DLR-Fahrspuren sehen werden. Autor: Dr. Lutz Richter ist Projektleiter für die ExoMars-Roverentwicklung am DLR- Institut für Raumsimulation, Köln. Apollo 17: 1972 Meeresbodenfahrzeug MOVE! Phase A Konzept des ExoMars-Rovers DLR NACHRICHTEN