Seminar Avionic Devices. Lander. Steffen Bamfaste

Transkript

1 Seminar Avionic Devices Lander Steffen Bamfaste

2 Seminar Avionic Devices Lander Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 2 Der Lander Die verschiedenen Typen Der Rover Der bemannte Lander Penetrator und Impactor Hydrobot und Kryobot Die Landung Die harte Landung Die weiche Landung Anforderungen an den Lander Allgemeine Anforderungen Spezielle Anforderungen an bemannte Lander Die Landefähre der Apollo 11 Mission Die Abstiegsstufe Die Aufstiegsstufe Das Äuÿere der Aufstiegsstufe Das Innere der Aufstiegsstufe Das Primary Guidance, Navigation and Control System Aufgaben und Funktionen des PGNCS Der Apollo Guidance Computer Das Abort Guidance System Das Mars Science Laboratory Der Aufbau des Mars Science Laboratorys Die Cruise Stage Die Aeroshell Die Descent Stage Der Rover Curiosity Anug und Landung von Curiosity Schlusswort 26 6 Literaturverzeichnis 27 A Anhang 29

3 Seminar Avionic Devices Lander Abbildungsverzeichnis 2.1 Penetrator Deep Space 2 raft/ds2_probe.gif Konzepte der weichen Landung (a) Fallschirm (b).jpg Airbag airbags01.jpg (c) Bremstriebwerk sity/images/landetriebwerke_msl_big.jpg Die Abstiegsstufe des Lunar Excursion Modules gov/alsj/ecsf5desc.jpg Das Äuÿere der Aufstiegsstufe ions/imagery/apollo/as17/images/as html Das Primary Guidance, Navigation and Control System neyles.com/lm/[email protected] Der Apollo Guidance Computer lo_guidance_computer Das Mars Science Laboratory, aus Presse MSL, S A.1 Das Innere der Aufstiegsstufe oonpics/ascent.gif A.2 Die Landung des Mars Science Laboratorys, aus Presse MSL, S

4 1 Einleitung Seminar Avionic Devices Lander 1 Einleitung Das Erforschen und Untersuchen der Eigenschaften von Planeten und Monden bildet einen wichtigen und interessanten Bereich in der Raumfahrt. Nachdem im Kalten Krieg der Wettlauf ins All begonnen hatte und die ersten Satelliten in den Orbit gelangt waren, rückte schnell der Mond, als erdnächster Himmelskörper, ins Zentrum des Interesses. Damals waren zwar noch Prestige und Propaganda die Hauptgründe, eine Mondmission durchführen zu wollen, doch nach und nach wurde den wissenschaftlichen Aspekten einer solchen Mission mehr Bedeutung zugemessen. Als logische Konsequenz aus dem Verlangen fremde Planeten erkunden zu wollen, mussten Lander entwickelt werden, um Planeten nicht nur mit Orbitern aus groÿer Distanz untersuchen zu können, sondern auch aus nächster Nähe. So ist es zum Beispiel möglich die Bodenbeschaenheiten genauestens zu analysieren, Gesteinsproben zu nehmen oder mehr darüber hinauszunden, wie der Planet entstanden ist und wie er sich über Milliarden von Jahren hinweg entwickelt hat. Bis heute waren, neben dem Mond, bereits der Mars, die Venus und der Saturnmond Titan Ziel erfolgreicher Missionen, bei denen Lander unterschiedlicher Art zum Einsatz kamen. In dieser Seminararbeit sollen zu Beginn erst einmal einige grundlegende Aspekte und Details von Landern diskutiert, sowie verschiedene Konzepte bzw. Arten von Landern vorgestellt werden. Anschlieÿend wird unter anderem die Mondlandefähre der Apollo 11 Mission vorgestellt, da diese bis heute das einzige Beispiel für einen bemannten Lander darstellt. Auÿerdem ist die Mondlandefähre einer der ersten Lander der Geschichte und ist somit auch in technologischer Hinsicht eine bemerkenswerte Entwicklung. Des weiteren soll auf das Mars Science Laboratory, das als Herzstück den Rover Curiosity beinhaltet, eingegangen werden. Curiosity ist der modernste Rover, den die Raumfahrt zu bieten hat, und steht damit im Kontrast zur Mondlandefähre des Apollo-Programms. Besonders der Landevorgang Curiositys ist aufgrund seiner Komplexität und zeitgleicher Präzision ungemein faszinierend und wird daher in dieser Arbeit ebenfalls beschrieben werden. 4

5 2 Der Lander Seminar Avionic Devices Lander 2 Der Lander Ein Lander ist, neben Orbiter und Vorbeiugsonde, in die Klasse der Raumsonden einzuordnen und hebt sich insofern von den anderen beiden Typen ab, als dass er der einzige Typ einer Raumsonde ist, der auf Himmelskörpern landet. Diese Tatsache macht den Lander zugleich zum technisch schwierigste[n] Konzept einer Raumsonde 1, da der Lander nicht nur präzise in Richtung des Zielobjekts gesteuert werden muss, wie es bei Orbitern der Fall ist, sondern auch noch sicher abbremsen und landen muss. Ist der Lander erst einmal sicher gelandet, werden für die Kommunikation zwischen Lander und Bodenstation meist Orbiter, die den gleichen Himmelskörper umkreisen, als Relaisstationen verwendet, um die wissenschaftlichen Daten mit möglichst hoher Übertragungsrate senden zu können. 2.1 Die verschiedenen Typen Klassischer Weise steht der Lander nach erfolgter Landung starr auf mehreren Füÿen an seinem Landeort und kann sich für Erkundungszwecke nicht von dort entfernen. Er besitzt also lediglich die Möglichkeit seine unmittelbare Umgebung zu analysieren. Um dierenziertere Missionsanforderungen erfüllen zu können, gibt es aber natürlich verschiedene Typen von Landern Der Rover Der Rover hat den Vorteil, dass er keine festen Standfüÿe, sondern Räder besitzt. Mit ihnen ist der Rover in der Lage einige Kilometer auf der Oberäche des jeweiligen Planeten zurückzulegen und kann somit auch Gebiete aus nächster Nähe erkunden, die für eine direkte Landung nicht geeignet sind, wie zum Beispiel der Rand eines Kraters. Doch gerade an Kratern erhoen sich Wissenschaftler immer wieder wichtige Funde, da dort die oberste Gesteinsschicht des Planeten zerstört wurde und tiefere Schichten an die Oberäche gelangt sind. Die Strecken, die der Rover zurücklegen soll, um an wissenschaftlich interessante Orte zu gelangen, müssen vorher genau geplant werden, da Rover zwar in der Lage sind kleinere Hindernisse zu überwinden, doch gröÿere Steine oder Felsen können schnell zu einem unüberwindbaren Hindernis werden. Solche Routen sollten also schon frühstmöglich erkannt und vermieden werden, da schlieÿlich jeder Meter, der umsonst zurückgelegt wurde, unnötig Energie verbraucht. 1 WikiA 5

6 2 Der Lander Seminar Avionic Devices Lander Der bemannte Lander Ein bemannter Lander unterscheidet sich insofern von einem normalen Lander, als dass Astronauten in dem Lander genügend Platz haben müssen, und dass die Notwendigkeit besteht, die Astronauten später wieder zurück zur Erde bringen zu können. Infolge dessen müssen schon die Abmessungen des Landers deutlich Gröÿer gewählt werden, um eine Kapsel konstruieren zu können, die den Astronauten die Möglichkeit gibt dort mehrere Tage leben zu können. Sie müssen in der Kapsel den Raumanzug anziehen können, was nicht sonderlich einfach ist, und brauchen ebenfalls genügend Platz, um mehr oder weniger bequem schlafen zu können. Auÿerdem benötigt der bemannte Lander wegend des Nötigen Rückugs und wegen des höheren Gewichts mehr Treibsto als ein unbemannter Lander Penetrator und Impactor Penetrator und Impactor unterscheiden sich stark von einem Lander, der Standfüÿe oder Räder hat. Ein Penetrator wird aufgrund seiner geringen Gröÿe und seines geringen Gewichts an Bord anderer Missionen, wie zum Beispiel einer Rover-Mission, mitgenommen und bei der Ankunft abgeworfen. Er schlägt dann nur durch die Atmosphäre gebremst auf, wodurch sich der untere Teil des Penetrators durch die Wucht des Aufpralls in den Boden bohren soll. Der in Abb. 2.1 dargestellte Penetrator war eine von zwei baugleichen Sonden der Deep Space 2 Mission und sollte mit seinem Unterteil etwa 60 cm tief in die Marsoberäche eindringen. Während der obere Teil an der Marsoberäche zurückbleibt und als Kommunikationseinheit dient 2, beinhaltet der untere Teil Sensoren und Messeinheiten, mit denen wissenschaftliche Daten gesammelt werden sollen. Diese Daten gelangen über ein exibles Verbindungskabel zur Kommunikationseinheit und werden von dort an einen Orbiter gesendet, der die Daten dann zur Erde weiterleitet. Die Deep Space 2 Mission schlug jedoch fehl, sodass keinerlei Daten von den Penetratoren empfangen werden konnten. Abbildung 2.1: Ein Penetrator der Deep Space 2 Mission 2 Vgl.: JPL-NASA 6

7 2 Der Lander Seminar Avionic Devices Lander Ein Impactor schlägt ebenfalls ungebremst auf einem Himmelskörper ein, doch im Gegensatz zu einem Penetrator hat er nicht die Aufgabe nach dem Aufprall Daten zu sammeln. Stattdessen besteht die Aufgabe des Impactors darin, einen möglichst groÿen Krater durch seinen Aufprall zu erzeugen, um viel Staub und Gestein aufzuwirbeln. Aus diesem Grund machen Metallplatten, die an der Unterseite des Impactors angebracht sind, einen Groÿteil des Gewichts aus. Eine Vorbeiugsonde, von der aus der Impactor fallen gelassen wurde, kann dann Daten über die Zusammensetzung des Himmelskörpers sammeln, indem sie das aufgewirbelte Material analysiert Hydrobot und Kryobot Sowohl Hydrobot als auch Kryobot sind momentan noch theoretische Typen eines Landers. Der Hydrobot ist ein Tauchroboter, den man auf Planeten einsetzen könnte, auf denen üssiges Wasser existiert. Man wäre also in der Lage nicht nur die Landmasse eines Planeten zu erforschen, sondern man könnte auch die Meere untersuchen. Dies wäre insofern höchst interessant, als dass man aufgrund unseres Wissens über die Erdgeschichte davon ausgeht, dass im Wasser der Ursprung allen Lebens liegt. Der Kryobot ist im Prinzip nur eine Erweiterung des Hydrobots. Er ist ebenfalls ein Tauchroboter, ist jedoch zusätzlich in der Lage sich durch eine Eisschicht zu schmelzen oder zu bohren. So gibt es einen Plan einen Kryobot zum Jupitermond Europa zu schicken, um dort ein Gewässer zu erkuden, dass man unter einer Eisschicht vermutet. Bis ein solches Projekt in die Realität umgesetzt wird, werden aber wohl noch mindestens 10 Jahre vergehen Die Landung Die Landung ist ein entscheidender, aber auch heikler Schritt während einer Lander- Mission. Sollte die Landung fehlschlagen, ist die Mission schon gescheitert bevor sie überhaupt richtig begonnen hatte. Sollte sie jedoch gelingen, ist ein wichtiger Schritt hin zu einer erfolgreiche Mission geschat und der Weg für die Erforschung des Planeten geebnet. Für eine erfolgreiche Landung müssen einige Komponenten reibungslos zusammenarbeiten. So sind in die Landung oft viele pyrotechnische Einheiten involviert, die dafür sorgen, dass bestimmte Mechanismen ausgelöst werden. Beispielsweise wird mit Hilfe von Pyrotechnik der Fallschirm entfaltet oder eine nicht mehr benötigte Komponente abgesprengt. Schon der Ausfall einer dieser Einheiten würde vermutlich einen Absturz oder zumindest eine nicht mehr kontrollierbare Bruchlandung zur Folge haben. Auch die Software, die für den Landeanug zuständig ist, muss zuverlässig auf verschiedene Situationen reagieren, da der Lander den Anug komplett autonom ausführt, ohne Signale von der Bodenstation zu empfangen. 3 Vgl.: Astro 7

8 2 Der Lander Seminar Avionic Devices Lander Die harte Landung Bei der harten Landung wird die einzige Bremswirkung durch den Luftwiderstand der Atmosphäre erzeugt, sodass die Endgeschwindigkeit vor der Landung noch deutlich zu hoch ist, um sanft auf der Oberäche aufsetzen zu können. Daher ist diese Art der Landung heutzutage im Normalfall keine Alternative mehr, um stationäre Lander oder Rover zu landen. Lediglich die bereits erwähnten Penetrator und Impactor verwenden die harte Landung, da sie sich die hohe Geschwindigkeit beim Aufprall zu nutze machen, um die Oberäche des Himmelskörpers zu beschädigen. Doch muss man auch sagen, dass es bisher noch keine Penetrator-Mission gab, bei der nach dem Aufprall erfolgreich Daten geliefert werden konnten. Dies zeigt, wie schwierig es ist, Lander zu konstruieren, die derart starke Einschläge unbeschadet überstehen. Die harte Landung spielte vor allem ganz zu Beginn der Raumfahrt, also während dem Kalten Krieg, eine Rolle. Bei den ersten Mond-Missionen hieÿ das scheinbar simple Ziel noch, den Mond mit einer Raumsonde zu treen, doch aufgrund fehlender Präzision und Erfahrung verfehlten mehrere Sonden den Mond Die weiche Landung Eine deutlich sinnvollere Methode als ein mehr oder weniger unkontrollierter Absturz, wie es bei der harten Landung der Fall ist, bildet die weiche Landung. Bei ihr werden verschiedene Konzepte angewendet, um die Geschwindigkeit nach der Abbremsung durch die Atmosphäre weiterhin aktiv zu verringern. Bei nahezu jeder Mission wird ein Fallschirm verwendet, der den Lander durch zusätzlichen Luftwiderstand weiter abbremsen soll. Der Fallschirm kann jedoch erst geönet werden, nachdem die Atmosphäre die Geschwindigkeit des Landers schon um einen erheblichen Teil reduziert hat, da vorher noch zu groÿe Kräfte wirken, die den Fallschirm zerstören würden. Die Abbildung 2.2(a) auf der nächsten Seite zeigt den Fallschirm, der das darunter hängende Mars Science Laboratory samt Curiosity sicher in Richtung Marsoberäche hat gleiten lassen. In vielen Fällen wird der Fallschirm noch mit einer weiteren Methode des Abbremsens kombiniert, da der Fallschirm allein nicht in der Lage ist den Lander soweit abzubremsen, als dass er sicher landen könnte. Eine dieser Methoden ist das, in Abbildung 2.2(b) dargestellte, Airbag-System, welches die Marsrover Spirit und Opportunity bei der Landung geschützt hat. Das System besteht aus mehreren Luftpolstern, die um den Lander herum aufgepustet werden, nachdem der Fallschirm kurz zuvor abgeworfen wurde. Die Airbags dämpfen den Aufprall ab und sorgen so dafür, dass der Lander unbeschadet auf dem Planeten landet. Ein Nachteil der Airbags ist die Tatsache, dass der Lander beim Aufprall, ähnlich wie ein Ball, mehrfach unkontrolliert über die Oberäche des Planeten hüpft. Dies führt dazu, dass man das Zielgebiet gröÿer wählen muss als bei anderen Methoden. Schlieÿlich muss verhindert werden, dass der Lander in seinem Airbag in felsigem Gebiet zum Stillstand kommt. Eine weitere Möglichkeit den Lander abzubremsen, nachdem der Fallschirm abgeworfen 4 Vgl.: WikiB 8

9 2 Der Lander Seminar Avionic Devices Lander wurde, sind Bremstriebwerke. Ihr groÿer Vorteil besteht darin, dass der Lander mit ihnen während dem Landeanug gesteuert werden kann. So kann mit Hilfe der Triebwerke deutlich präziser gelandet werden als mit anderen Methoden und auÿerdem ermöglichen sie ein besonders sanftes aufsetzen. Die Bremstriebwerke aus Abbildung 2.2(c), die Curiosity abgebremst haben, sind zum Beispiel in der Lage den Lander bis auf unter 1 m s abzubremsen 5. Ein Nachteil der Bremstriebwerke ist hingegen, dass sie ein sehr komplexes System bilden, das eine Lageregelungssoftware benötigt, die dauerhaft den Schub der einzelnen Düsen anpasst. (a): Fallschirm (b): Airbag (c): Bremstriebwerk Abbildung 2.2: Konzepte der weichen Landung 2.3 Anforderungen an den Lander Allgemeine Anforderungen Für einen Lander gelten selbstverständlich die gleichen Anforderungen wie für alle Objekte, die wir ins All schieÿen. Der Lander muss also schockresistent sein, um den Raketenstart unbeschadet zu überstehen, und sollte ebenfalls gegen erhöhte Strahlung resistent sein. Auÿerdem muss er problemlos mit den extremen Temperaturen und dem Vakuum im Weltraum zurechtkommen können und sollte natürlich auch mit redundanten Bauteilen ausgestattet sein. Neben diesen allgemeinen Anforderungen gibt es noch weitere Anfoderungen, die ein Lander erfüllen sollte, damit die Mission erfolgreich durchgeführt werden kann. Hier muss vor allem der hohe Grad an Autonomie des Landers genannt werden. Je nachdem, welcher Himmelskörper Ziel der Mission ist, kann es zu erheblichen Laufzeitverzögerungen bei der Datenübertragung kommen. So benötigt ein Signal vom Mars zur Erde etwa 14 Minuten 6, was bedeutet, dass Curiosity den ca. 7 minütigen Landeanug bereits vollendet hat, bevor die Bodenstation vom Beginn der Landung erfährt. In solchen 5 Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S. 32 9

10 2 Der Lander Seminar Avionic Devices Lander Fällen ist es oensichtlich nicht möglich den Lander von der Erde aus zu koordinieren. Deshalb führt der Lander die Landung vollständig autonom aus. Auch während der Zeit auf der Oberäche ist es von Vorteil, wenn der Rover Aufgaben teilweise selbstständig verrichten kann, da der Rover auf diese Weise nicht den Groÿteil der Zeit mit dem Warten auf Befehle verbringen muss. Eine weitere Anforderung an den Lander ist es, sowohl Anug als auch Landung möglichst präzise durchzuführen. Nur so kann man sich darauf verlassen, dass der Lander nicht auf unwegsamem Gelände aufsetzt und dort stecken bleibt. Auÿerdem könnte man die Regel formulieren: Je präziser eine Landung ausgeführt werden kann, desto mehr Optionen hat man bei der Wahl eines Zielgebietes. Mit präziseren Landungen kann man interessante Zielgebiete in Betracht ziehen, die man vorher aufgrund von felsigen oder bergigen Gebieten in der Nähe verworfen hat. Weiterhin muss sich ein Lander nicht nur an die Weltraumbedingungen anpassen, sondern auch an das planetenspezische Klima. So sind manche Planeten beispielsweise besonders heiÿ, während andere sehr kalt sind. Auÿerdem existieren auf anderen Planeten, genau wie auf der Erde, Winde, sodass es auch zu Sandstürmen kommen kann, die der Lander überstehen sollte, ohne Schaden zu nehmen Spezielle Anforderungen an bemannte Lander Für bemannte Lander-Missionen ergeben sich noch einige weitere Anforderungen, wie zum Beispiel die Notwendigkeit eines Lebenserhaltungssystems. Ein bemannter Lander benötigt eine Druckkammer, in der eine künstliche Atmosphäre mit ausreichend Sauersto erzeugt wird. Die Druckkammer muss auÿerdem klimatisiert sein, um Temperaturen gewährleisten zu können, bei denen die Astronauten nicht erfrieren. Nahrungsmittel, Getränke und alles weitere, was die Astronauten benötigen, müssen ebenfalls mit an Bord sein. Auch die Sicherheit sollte bei bemannten Missionen eine gesteigerte Rolle spielen, da bei einem Fehlschlag der Mission nicht nur jede Menge investiertes Geld verloren geht, sondern vor allem das Leben der Astronauten riskiert wird. Eine quasi selbstverständliche Anforderung an einen bemannten Lander ist die Notwendigkeit, einen Rückug zur Erde durchführen zu können. Doch trotz dieser Selbstverständlichkeit sollte der Rückug hier nicht auÿer Acht gelassen werden, denn durch ihn gewinnt das ohnehin schon komplexe Konzept einer Lander-Mission noch zusätzlich an Schwierigkeit. So bildet eine bemannte Lander-Mission die momentan wohl anspruchsvollste Art einer Raumfahrtmission. 10

11 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Seminar Avionic Devices Lander 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Im folgenden soll nun die Mondlandefähre der Apollo 11 Mission, das Lunar Excursion Module, als Beispiel für einen bemannten Lander genauer betrachtet werden. Apollo 11 war der erste Versuch in der Geschichte der Menschheit eine bemannte Mondlandung durchzuführen und hatte sofort Erfolg. Das im Jahr 1969 zum Mond gestartete Raumfahrzeug setzt sich aus zwei grundlegenden Teilen zusammen. Zum einen gibt es ein Kommando- und Servicemodul, in dem sich die Astronauten während dem Start von der Erde und dem Transfer zum Mond aufhielten. Dies soll hier allerdings nicht näher betrachet werden. Zum anderen besteht das Raumfahrzeug aus einer Mondlandefähre mit dem Namen Eagle, die zwei der drei Astronauten zur Mondoberäche bringen sollte. Ein Astronaut blieb währenddessen im Kommandomodul, das den Mond in einem Orbit umkreiste, zurück und überwachte die Mission von dort. Während dem Start benden sich alle Astronauten im Kommando- und Servicemodul, sodass zwei Astronauten vor der Mondlandung erst in die Landefähre umsteigen müssen. Diese bendet sich jedoch zu Beginn in der Rakete unter dem Kommando- und Servicemodul, während die Luken der beiden Module jeweils an der Oberseite angebracht sind. Deshalb ist es nötig, dass das Kommando- und Servicemodul während dem Flug zum Mond ein Wendemanöver ausführt. Die Verbindung zwischen Kommandomodul und Fähre wird also entfernt, sodass beide Module frei iegen. Nun kann das Kommandomodul eine Drehung um 180 vollführen, um anschlieÿend mit seiner Luke an die Luke der Fähre andocken zu können. Die Landefähre besitzt eine Höhe von 6,4 m und ist 4,3 m breit. Bei ausgefahrenen Landebeinen ergibt sich sogar eine Breite von 9,5 m. Auÿerdem beträgt ihre Masse in betanktem Zustand ca. 14,5 t. 1 Die Landefähre besitzt ein vom Kommandomodul unabhängiges Navigationssystem, um sicher zum Mond und wieder zurück zum Kommandomodul navigieren zu können, auch wenn der Kontakt zu diesem oder zur Erde abbricht. Die Landefähre an sich besteht wiederum aus zwei grundlegenden Komponenten: Einer Abstiegsstufe, die ein Triebwerk für eine sichere Landung besitz, und einer Aufstiegsstufe, die ein Triebwerk für den Start vom Mond besitzt. 1 Vgl.: WikiC 11

12 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Seminar Avionic Devices Lander 3.1 Die Abstiegsstufe Die Hauptaufgabe der Abstiegsstufe besteht darin, die Landefähre auf der Mondober- äche zu landen, indem sie die Fähre mit einem groÿen Triebwerk abbremst. Dieses Triebwerk ist schwenkbar in der Mitte unter der Abstiegsstufe positioniert und liefert einen regulierbaren Schub, sodass eine langsame und kontrollierte Annäherung an die Oberäche möglich ist. Wie in Abb. 3.1, welche die Abstiegsstufe schematisch zeigt, zu sehen ist, beinhaltet die Stufe hauptsächlich Tanks die Treibsto, Sauersto, Helium und Wasser enthalten. Auÿerdem sind dort Batterien, welche die Elektronik mit Strom versorgen, sowie die Ausrüstung für die Auÿenbordeinsätze untergebracht. 2 Die Abstiegsstufe ist mit vier Beinen ausgestattet, von denen an einem eine Leiter für den Ausstieg angebracht ist. Etwa einen Meter unter jedem Fuÿ bendet sich ein Sensor, der Kontakt mit dem Boden anzeigt, sodass kurz vor dem Aufsetzen die Triebwerke abgeschaltet werden können 3. Eine weitere wichtige Aufgabe, die der Abstiegsstufe zukommt, ndet sich beim Rück- ug vom Mond. Daran ist die Abstiegsstufe zwar nicht aktiv beteiligt, doch stellt sie eine stabile Startplattform für die Aufstiegsstufe dar, sodass diese sicher zurück Richtung Kommando- und Servicemodul iegen kann 4. Die Abstiegsstufe wird beim Start abgesprengt und bleibt auf der Mondoberäche zurück. Abbildung 3.1: Die Abstiegsstufe des Lunar Excursion Module 3.2 Die Aufstiegsstufe Das Äuÿere der Aufstiegsstufe Abbildung 3.2 zeigt ein Bild von der Auÿenseite der Aufstiegsstufe der Mondlandefähre. Der Kern der Aufstiegsstufe ist eine zylinderförmige Druckkammer mit knapp 7 m 3 bewohnbarem Volumen, um die herum alle weiteren Teile angebracht wurden. Unter der 2 Vgl.: WikiC 3 Vgl.: LEM, S Vgl.: LEM, S. 1 12

13 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Seminar Avionic Devices Lander Aufstiegsstufe bendet sich das Haupttriebwerk, das den nötigen Schub für die Rückkehr zum Kommando- und Servicemodul liefert. Es ist jedoch nicht steuerbar und der Schub nicht regulierbar, wie es bei der Abstiegsstufe der Fall war. Weiterhin sind an der Aufstiegsstufe insgesamt 16 Steuerdüsen angebracht, um die Lage regeln zu können. Die Düsen sind rund um die Stufe jeweils in Vierergruppen angeordnet, von denen zwei im Bild zu sehen sind. Der kugelförmige Treibstotank ist in der Abbildung an der rechten unteren Seite der Aufstiegsstufe zu erkennen, während der Oxidatortank an der linken Seite angebracht ist. Auällig ist, dass der Treibstotank deutlich weiter auÿen angebracht wurde als der Tank des Oxidators. Dies liegt daran, dass das Gewicht der Aufstiegsstufe gleichmäÿig um die Schwerpunktachse herum verteilt sein muss. So bendet sich der leichtere Treibsto weiter von der Achse entfernt als der schwerere Oxidator. 5 Ebenfalls auf dem Bild zu erkennen ist die mittig positionierte Ausstiegsluke, über welche die Astronauten den Mond betreten konnten. Oberhalb der Luke benden sich links und rechts zwei kleine, dreieckige Fenster. Sie waren die einzige Möglichkeit für die Astronauten, den Mond während dem Landeanug sehen zu können. Ganz oben ist auÿerdem das sogenannte Rendez-Vous-Radar zu sehen, das zum Einsatz kommt, wenn die Aufstiegsstufe auf dem Weg zurück zum Kommando- und Servicemodul ist. Dann nämlich sendet das Radar ein Signal aus, das von einem Transponder am Kommandound Servicemodul zurückgesendet wird. So kann die Aufstiegsstufe Abstand und Winkel zum Kommandomodul berechnen und so sicher an dieses andocken. 6 Abbildung 3.2: Die Aufstiegsstufe des Lunar Excursion Module von Auÿen 5 Vgl.: WikiC 6 Vgl.: Heroic 13

14 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Seminar Avionic Devices Lander Das Innere der Aufstiegsstufe In Abbildung A.1 ist das Innere der Aufstiegsstufe der Mondlandefähre zu sehen mit Blick auf die Frontseite, die in Abbildung 3.2 von Auÿen zu sehen ist. So sind dort die beiden, bereits erwähnten, dreieckigen Fenster zu erkennen, wobei eines dieser Fenster eine Strichplatte besitzt, damit die Entfernungen zur Mondoberäche leichter abgeschätzt werden können. Ein drittes Fenster ist in die linke Oberseite eingelassen, um es den Astronauten zu ermöglichen das Andockmanöver mit dem Kommando- und Servicemodul kontrollieren zu können. Die Luke, über die man in das Kommandomodul umsteigt bendet sich nämlich an der Oberseite, sodass logischerweise auch mit dieser Seite angedockt wird. Die Ausstiegsluke, über welche die Astronauten den Mond betreten bendet sich mittig im Fuÿbereich der Frontseite. Links und rechts davon benden sich die beiden Plätze, welche die Astronauten während der Landung einnehmen. Auällig hierbei ist die Tatsache, dass es keine Sitze gibt. Diese fehlen in der Abbildung nicht etwa, sondern wurden gar nicht eingebaut, um Gewicht zu sparen. Die Astronauten müssen also die Zeit während dem Flug vom Kommandomodul zum Mond in stehender Position verbringen und mussten dementsprechend von mehreren Gurten gehalten werden. Vorne bei den Astronauten benden sich auÿerdem die Steuerelemente zum Manövrieren der Landefähre, sowie Eingabeelemente, um den Bordcomputer zu bedienen. Weiterhin sind an den Seiten vor allem die Bedienelemente für Druck- und Kommunikationssysteme untergebracht, während weiter unten Platz für Gesteinsproben ist. Im rückwärtigen Teil der Landefähre bendet sich hingegen hauptsächlich das gesamte Elektroniksystem Das Primary Guidance, Navigation and Control System Aufgaben und Funktionen des PGNCS Wie der Name schon andeutet, besteht die Hauptaufgabe des Primary Guidance, Navigation and Control Systems (kurz PGNCS) in der Navigation, der Bestimmung der Lage im Raum und dem Ansteuern der Triebwerke und Steuerdüsen. Um diese Aufgaben erfüllen zu können, ist das PGNCS unter anderem mit einer Inertialmesseinheit ausgestattet. Sie besitzt drei kardanisch gelagerte Achsen, an denen sowohl Gyroskope, als auch Accelerometer angebracht sind. Mit deren Hilfe kann zwar problemlos die Lage der Landefähre bestimmt werden, doch aufgrund der Tatsache, dass nur drei Achsen verwendet werden, kann es zu einem Gimbal Lock kommen. Dieser tritt ein, wenn zwei Achsen in der gleichen Ebene liegen, sodass ein Freiheitsgrad verloren geht. Dies hat zur Folge, dass die Lage nicht mehr eindeutig berechnet werden kann, weshalb diese Konstellation nach Möglichkeit vermieden werden sollte, um einer nötigen Neuinitialisierung des Systems zu entgehen. 7 Vgl.: WikiC 14

15 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Seminar Avionic Devices Lander Da die Inertialmesseinheit nicht frei von Messfehlern ist und daher einen Drift von etwa einem Millirad pro Stunde aufweist, muss sie hin und wieder neu kalibriert werden. Für diese Aufgabe wird das Alignment Optical Telescope verwendet, mit dem sich mehrere Fixsterne anvisieren lassen. Die Ausrichtung des Teleskops wird dabei vom Apollo Guidance Computer (siehe Abschnitt 3.3.2), dem Herzstück des PGNCS, erfasst und ausgewertet, sodass damit die Lage der Landefähre bestimmt und die Inertialmesseinheit zurückgesetzt werden kann. Das PGNCS ist nun also in der Lage seine Position zu ermitteln und somit die Landefähre zu navigieren, doch trotzdem werden die Navigationsdaten zum Groÿteil von der Bodenstation bezogen, da diese eine höhere Genauigkeit besitzen. Die Inertialmesseinheit und das Teleskop werden hauptsächlich zum Überprüfen der Daten der Bodenstation und zum Bestimmen der Lage der Fähre verwendet. Hauptquelle für Navigationsdaten sind sie erst dann, wenn ein Empfang der Daten der Bodenstation nicht mehr möglich ist, weil der Kontakt gestört ist oder weil sich der Mond zwischen Landefähre und Erde bendet. 8 Das Ansteuern des Haupttriebwerks und der Steuerdüsen wird im Normalfall von einem Autopiloten übernommen. Den Astronauten war es jedoch jeder Zeit möglich die Kontrolle zu übernehmen und die Landefähre manuell zu steuern. Auÿerdem hatten die Astronauten die Möglichkeit verschiedene Einstellungen über eine Schnittstelle, die aus einem Display und einem Keyboard besteht, vorzunehmen. Das Keyboard besitzt lediglich Ziern und eine Auswahlmöglichkeit, ob ein Parameter oder ein Befehl eingegeben wird. Sämtliche Eingaben der Astronauten bestehen also aus Zahlenkombinationen, die je nach Auswahl einem vordenierten Parameter oder einer implementierten Funktion entsprechen. Abbildung 3.3: Schematischer Aufbau des Primary Guidance, Navigation and Control Systems 8 Vgl.: WikiD 15

16 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Seminar Avionic Devices Lander Der Apollo Guidance Computer Im Zentrum des PGNCS steht der Apollo Guidance Computer, der für sämtliche Berechnungen zuständig ist. Er ist, wie in Abbildung 3.4 zu sehen, in einer stabilen, dichten Box untergebracht, die aus einem Aluminium/Magnesium Gemisch angefertigt und mit Gold beschichtet wurde. Die Box ist rund 60 cm lang, halb so breit und etwa 15 cm hoch. 9 Abbildung 3.4: Die Box, in welcher der Apollo Guidance Computer untergebracht ist Das Berechnen und Abgleichen von Navigationsdaten, das Verarbeiten der Eingaben der Astronauten, sowie das Erstellen der daraus resultierenden Parameter für die Triebwerke fällt alles in den Aufgabenbereich des Apollo Guidance Computers. Er ist eines der ersten Embedded Systems in der Geschichte und sein Prozessor verwendet Integrated Circuits, die erst wenige Jahre zuvor entwickelt wurden. 10 Statt, wie heute in der Raumfahrt üblich, veraltete aber dafür erprobte und zuverlässige Technlogie zu verwenden, setzte man also auf den neuesten Stand der Technik. Der Apollo Guidance Computer unterstützt zwar kein Preemption, sodass jeder Prozess die Kontrolle an den Computer zurückgeben muss, doch Priority Scheduling wurde implementiert. Der Nutzen des Priority Scheduling wurde besonders während dem Landeanug deutlich: Als der Prozessor durch eine Fehlfunktion überlastet war, wurden die Triebwerke weiterhin angesteuert, während andere unwichtigere Prozesse abgebrochen wurden. Das Priority Scheduling hat also dafür gesorgt, dass überlebenswichtige Aufgaben weiterhin abgearbeitet und andere Aufgaben dafür vernachlässigt werden. 11 Als Speicher stehen dem Apollo Guidance Computer 72 KB ROM und 2 KB RAM zur Verfügung 12, die auf einer Kombination aus Ferritkernspeicher und Core Rope Memory 9 Vgl.: LMTales 10 Vgl.: WikiE1 11 Vgl.: WikiE2 12 Vgl.: LMTales 16

17 3 Die Landefähre der Apollo 11 Mission Seminar Avionic Devices Lander untergebracht sind. Sämtliche Daten sind also auf einem Speichermedium zu nden, das weniger Platz bietet als die erste Disketten-Generation, die 80 KB Speicherplatz besaÿ. In Kontrast zu dem geringen Speicherplatz steht das Gewicht des Computers, welches aufgrund des Eisens rund 30 kg beträgt. 13 Ein Speicherzugri dauert beim Apollo Guidance Computer 12 Mikrosekunden, was einer Taktrate von 0, GHz entspricht. Die Berechnung eines Kreuzproduktes zweier Vektoren in doppelter Genauigkeit (8 Byte Zahlenformat) nimmt somit schon 5 Millisekunden in Anspruch. 14 Im Vergleich zu heutigen Taktraten von mehreren Giga-Hertz ist das schon eine halbe Ewigkeit Das Abort Guidance System Wie bei jeder Raumfahrtmission wurde mit dem Abort Guidance System auch bei der Mondlandefähre ein redundantes System verbaut. Das Abort Guidance System kommt zum Einsatz, wenn das PGNCS ausfällt oder nicht mehr ordnungsgemäÿ funktionieren sollte. Das System ist komplett unabhängig vom PGNCS, sodass sogar ein anderes Unternehmen für die Entwicklung zuständig war. Das Abort Guidance System besitzt einen eigenen Computer, der mit je etwa 4 KB ROM und RAM auf deutlich weniger Speicherplatz zurückgreifen kann als der des PGNCS. Auÿerdem ist eine vereinfachte Inertialmesseinheit, die nicht kardanisch gelagert ist, sowie eine Benutzerschnittstelle für die Astronauten vorhanden. Mit diesem vereinfachten aber vollwertigen System war es möglich von der Mondober- äche zu starten und an das Kommandomodul anzudocken. Die Möglichkeit einer Landung auf dem Mond mit dem Abort Guidance System bestand jedoch nicht, sodass die Mission bei einem schwerwiegenden Fehler während des Landeanugs hätte abgebrochen werden müssen. Zu einem Abbruch des Landeanuges kam es bei einer Apollomission nie, doch bei der Rückkehr zum Kommandomodul musste das Abort Guidance System bereits eingesetzt werden. Bei der Apollo 11 Misson kam es während der Flugmanöver, die nötig waren, um an das Kommandomodul anzudocken, zu einem Gimbal Lock der Inertialmesseinheit. Die Astronauten schalteten daher das Abort Guidance System ein, um weiterhin korrekte Daten über ihre Fluglage zu erhalten Vgl.: WikiE2 14 Vgl.: LMTales 15 Vgl.: WikiF 17

18 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander 4 Das Mars Science Laboratory Das Mars Science Laboratory wurde Ende des Jahres 2011 auf den Weg Richtung Mars geschickt und erreichte diesen schlieÿlich nach einer mehr als achtmonatigen Reise durch das Sonnensystem im August Rund 2,5 Milliarden Dollar investierte die NASA in die knapp 4 Tonnen schwere Raumsonde, um den Rover Curiosity zum Mars transportieren zu können. 1 Der Rover ist der neueste und modernste den die Raumfahrt momentan zu bieten hat und setzt wohl in allen Belangen neue Maÿstäbe. Nicht nur in seiner Dimensionierung und in seiner technischen Ausstattung ist er seinen Vorgängern deutlich überlegen. Selbst die Landung ist an Komplexität und Präzision nicht zu überbieten und wird richtungsweisend für zukünftige Missionen sein. Im folgenden wird daher der Aufbau des Mars Science Laboratorys mit seinen Hauptkomponenten beschrieben, um abschlieÿend einen detaillierten Blick auf den gesamten Landevorgang zu werfen. 4.1 Der Aufbau des Mars Science Laboratorys Das Mars Science Laboratory, von dem eine Explosionszeichnung in Abbildung 4.1 auf Seite 19 zu sehen ist, setzt sich grundlegend aus 4 groÿen Teilen zusammen, von denen jedes einen elementaren Nutzen für die Mission besitzt. Im Inneren des Mars Science Laboratorys benden sich der Rover und die Descent Stage, die von der sogenannten Aeroshell, bestehend aus Backshell und Heatshield, umschlossen werden. Oberhalb der Backshell bendet sich die Cruise Stage, die vor allem während dem Flug zum Mars wichtig ist. Während der Landung werden die Komponenten nach und nach vom Mars Science Laboratory entfernt, bis schlieÿlich nur noch der Rover selbst auf der Marsober- äche aufsetzt Die Cruise Stage Die donutförmige Cruise Stage, ist mit ihrer Unterseite am Rest des Mars Science Laboratorys befestigt, während die Oberseite bei der Startphase mit der Rakete verbunden ist. Die Cruise Stage wird während dem Transfer von der Erde zum Mars eingesetzt, um wichtige Funktionen auszuführen. Darunter fallen Bahnmanöver und -korrekturen, Energieversorgung, Thermalregelung sowie Kommunikation. Zum Durchführen der Bahnmanöver besitzt die Cruise Stage ein eigenes Antriebssystem, bestehend aus insgesamt 8 Düsen, die in zwei Gruppen angeordnet sind. Mit den Düsen gewährleistet sie auÿerdem, dass das Mars Science Laboratory mit konstanten 2 Umdrehungen pro Minute spinstabilisiert bleibt. Um Spinrate und Lage bestimmen zu können, sind auch ein Sternsensor 1 Vgl.: Presse MSL, S. 6 18

19 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander sowie zwei Sonnensensoren an der Cruise Stage angebracht. Auf der Oberseite benden sich Solararrays, welche das Mars Science Laboratory ausreichend mit Energie versorgen, wobei zusätzliche Energie von der Batterie des Rovers erzeugt wird. Zur Eindämmung der Wärmeentwicklung, die sich unausweichlich ergibt, besitzt die Cruise Stage mehrere Radiatoren, die rundherum angebracht sind, um überschüssige Wärme an den Weltraum abzugeben. Die Wärme, die durch die Batterien des Rovers und andere Bauteile entsteht, wird aber nicht nur abgegeben, sondern auch zum Beheizen der Elektronik der Cruise Stage verwendet, falls dies nötig ist. 2 Damit eine Kommunikation zwischen Erde und Mars Science Laboratory während dem Flug zum Mars möglich ist, besitzt die Cruise Stage eine medium-gain Antenne, die im X-Band sendet. Diese wird zwar die meiste Zeit während dem Transfer verwendet, doch die ersten Wochen nach dem Start sowie kurz vor dem Abtrennen der Cruise Stage wird die low-gain Antenne der Backshell für die Kommunikation verwendet. Sie besitzt zwar eine geringere Datenrate als die medium-gain Antenne der Cruise Stage, muss dafür aber nicht so genau auf die Erde ausgerichtet werden, um eine gute Empfangsqualität zu erreichen. 3 Abbildung 4.1: Explosionszeichnung des Mars Science Laboratorys 2 Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S

20 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander Die Aeroshell Die Aeroshell besteht aus der Backshell, welche den oberen Teil der Kapsel bildet, und dem Heatshield, welches die Kapsel von unten verschlieÿt. Zusammen bilden sie eine schützende Hülle für die Descent Stage und den Rover, um diese während des Fluges zum Mars und besonders während des Eintritts in die Marsatmosphäre vor Schäden zu bewahren. Die schützende Funktion ist jedoch nur eine von mehreren Aufgaben, die der Aeroshell zuteilwerden. Die Backshell besitzt, neben der im vorherigen Abschnitt bereits erwähnten low-gain Antenne, eine zweite Antenne dieser Art, die in einer anderen Position angebracht ist, um die Kommunikation auch in extremen Fluglagen aufrechterhalten zu können. Auÿerdem ist an der Backshell eine UHF-Antenne angebracht, die im Gegensatz zu den beiden low-gain Antennen keinen Kontakt mit der Erde aufnehmen kann. Sie wird verwendet, um Daten an einen Orbiter, der als Relaisstation verwendet wird, zu senden, wenn die Erde nicht mehr sichtbar ist. Hierfür stehen drei Orbiter zur Verfügung, von denen allerdings nur Mars Odyssey die Daten direkt weitersendet, während die anderen beiden die Daten nur speichern, um sie einige Stunden später zu senden. 4 Weiterhin verfügt die Backshell über 8 kleine Düsen, mit deren Hilfe die Fluglage während dem Eintritt in die Atmosphäre stabilisiert und der Einuss von Wind oder Unregelmäÿigkeiten in der Atmosphäre korrigiert werden kann. Auch Flugmanöver in Form von S-Kurven sind möglich, um die Position relativ zum Landegebiet anzupassen. Diese Steuerungsmöglichkeiten tragen wesentlich dazu bei, dass die Landung des Mars Science Laboratory deutlich präziser durchgeführt werden kann als noch bei den Mars Exploration Rovern Spirit und Opportunity. 5 Eine weitere Besonderheit bilden die zwei Gruppen von Zusatzgewichten, die verteilt an der Backshell montiert sind, um den Schwerpunkt durch Abwurf der Gewichte gezielt beeinussen zu können. So ist man in der Lage einen Anstellwinkel zu erzeugen, der einen gewissen Auftrieb erzeugt, sodass das Mars Science Laboratory ein wenig durch die Atmosphäre gleiten kann anstatt nur zu fallen. Weiterhin ist in der kegelförmigen Spitze der Backshell der Fallschirm untergebracht, der beim Abbremsen des Mars Science Laboratorys helfen soll. Er ist mit einem Durchmesser von 16 m der gröÿte der jemals auÿerhalb der Erde eingesetzt wurde und kann bei einer Geschwindigkeit von über Mach 2 geönet werden ohne Schaden zu nehmen. 6 Das 4,5 m breite Heatshield ist natürlich primär dafür vorgesehen, um das Mars Science Laboratory vor der gewaltigen Hitze zu schützen, die beim Eintritt in die Marsatmosphäre entsteht. Zu diesem Zweck sind an seiner Unterseite Kacheln aus beschichtetem Karbon angebracht, das durch die Hitze teilweise abgetragen wird. 7 Doch auch im Heatshield ist Elektronik untergebracht: Man hat mehrere Druck- und Temperatursensoren angebracht, um während dem Eintritt genaue Daten über die Hitze- 4 Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S. 28 & S Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S

21 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander entwicklung und die Atmosphäre zu erhalten. Da man das Hitzeschild bisher mit groÿen Sicherheitsmargen in den Berechnungen entwickeln musste, um zu garantieren, dass es den Belastungen stand hält, bietet sich hier ein hohes Potential Gewicht und Material einsparen zu können. So soll die Auswertung der Daten dabei helfen die Anforderungen an das Hitzeschild bei zukünftigen Missionen genauer bestimmen zu können Die Descent Stage Die Descent Stage ist für den nalen Bremsvorgang verantwortlich, nachdem die Aeroshell mitsamt ihrem Fallschirm abgeworfen wurde. Für diese Aufgabe ist die Descent Stage mit insgesamt 8 Triebwerken ausgestattet, die an ihrer Unterseite angebracht sind. Die Triebwerke sind so angeordnet, dass je zwei Stück an jeder Ecke zu nden sind. Mit ihrem regulierbaren Schub sind sie in der Lage die Descent Stage samt Rover kontrolliert auf unter 1 m 9 abzubremsen und sich langsam an die Oberäche anzunähern. s Auÿerdem besitzt die Descent Stage ein Radarsystem, mit dessen Hilfe es möglich ist sowohl die Geschwindigkeit in horizontaler und vertikaler Richtung als auch die Höhe zu ermitteln. Das System bendet sich an einem Ausleger, der in Abbildung 4.1 an der Descent Stage zu erkennen ist, und besteht aus 6 kreisförmigen Antennen, die in verschiedenen Winkeln angebracht sind. Nachdem das Heatshield abgeworfen wurde, kann das Radar so präzise Messdaten liefern, die für das SkyCrane-Manöver ungemein wichtig sind. 10 Bei diesem Manöver lässt die Descent Stage den Rover an drei Seilen etwa 7,5 m hinab, wie an einem Kran, nachdem die endgültige Annäherungsgeschwindigkeit erreicht wurde. Ein weiteres etwas längeres Kabel ist für die Datenübertragung zwischen Rover und Descent Stage vorgesehen. Die Seile sind an einer Winde befestigt, die dafür sorgt, dass die Seile nicht zu langsam oder schnell abgewickelt werden, sondern genau mit der Geschwindigkeit, mit welcher der Rover vom Mars angezogen wird. Die Winde ist auÿerdem in der Lage die Seile unmittelbar nach dem Aufsetzen des Rovers wieder aufzuwickeln, damit sie den Rover nicht beschädigen. 11 Der Grund für das Durchführen eines solchen SkyCrane-Manövers liegt in der Sorge begründet, dass der Schub der Düsen zu viel Staub und kleine Steine aufwirbeln könnte, wenn die Descent Stage dem Boden zu nahe kommt. Die umheriegenden Steine könnten wichtige Teile am Rover treen und diese so zerstören oder blockieren. Mit dem SkyCrane wird also dafür gesorgt, dass die Triebwerke in mehr als 7 m Höhe verweilen können, während der Rover auf der Marsoberäche aufsetzt. Für die Übermittlung von Daten zur Erde ist die Descent Stage, anders als die bereits beschriebenen Komponenten des Mars Science Laboratorys, mit einem Kommunikationssystem ausgestattet, das aus einem Transponder und einem Verstärker besteht. Dieses ist während dem Transfer zum Mars und auch während der Landung für die Kommu- 8 Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S

22 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander nikation verantwortlich und leitet die Signale an die zum jeweiligen Zeitpunkt aktive Antenne weiter. Weiterhin besitzt die Descent Stage, ähnlich wie die Aeroshell, sowohl eine low-gain Antenne als auch eine UHF-Antenne. Somit ist gewährleistet, dass das Mars Science Laboratory auch nach dem Abwerfen der Backshell direkt oder über einen Orbiter mit der Erde kommunizieren kann Der Rover Curiosity Die letzte Komponente des Mars Science Laboratoys ist gleichzeitig die wichtigste: der Rover Curiosity. Damit er sicher auf der Marsoberäche abgesetzt werden kann, wurden die anderen Komponenten überhaupt erst entwickelt. Curiosity besitzt eine Länge von etwa 3 m und eine Breite von 2,7 m. Auch seine Höhe von 2,2 m (inkl. Arm) und seine Masse von knapp 900 kg sind beachtlich 13. Das Gewicht verteilt sich auf 6 Räder, deren Aufhängung den Stoÿ vom Aufsetzen auf der Oberäche abfedert. Anders als bei vielen anderen Missionen werden für die Energieversorgung des Rovers keine Sollarzellen verwendet, sondern eine Radionuklidbatterie. Hier wird Wärme, die beim Kernzerfall eines radioaktiven Stoes ensteht, in elektrische Energie umgewandelt. Eine solche Batterie hat den Vorteil, dass sie über den gesamten Missionszeitraum konstant ausreichend Energie liefert. Bei Solarzellen hingegen ist man darauf angewiesen, dass genügend Sonnenstrahlen auf die Zellen treen, sodass der Rover bei Nacht oder im Marswinter unter Umständen nur eingeschränkt genutzt werden kann. Ein Nachteil der Verwendung einer Radionuklidbatterie ist allerdings die Tatsache, dass die Batterie eine gewisse Zeit nach dem vorgesehenen Missionsende leer sein wird. Rover, die hingegen mit Solarzellen ausgestattet sind, können ihre Erkundungsfahrten, solange keine Defekte auftreten, auch deutlich über das Missionsende hinaus fortsetzen, wie beispielsweise Opportunity. Der Computer, der im Rover arbeitet, ist in zweifacher Ausführung vorhanden, von denen einer kalt-redundant ist. Sein Prozessor kann Berechnungen mit einer Taktrate von bis zu 200 MHz ausführen und besitzt einen 2 GB groÿen Flash-Speicher sowie 256 MB RAM. 14 Mit dieser im Vergleich zur Mondlandefähre gigantischen Rechenpower kann Curiosity alle nötigen Aufgaben erledigen. Der Computer des Rovers ist sogar für den gesamten Flug von der Erde zum Mars und für die Landung verantwortlich. Er berechnet die Lage, führt die Bahnmanöver aus und initialisiert jeden der einzelnen Schritte während der Landung vollkommen autonom. Das Kommunikationssystem Curiositys kann über drei verschiedene Antennen Kontakt zur Erde aufnehmen. Eine low- und eine high-gain Antenne ermöglichen eine direkte Kommunikation mit der Erde, während mit einer UHF-Antenne Daten an die Marsorbiter gesendet werden können. Die low- und high-gain Antennen sind vor allem dafür gedacht Telekommandos von der Bodenstation zu empfangen, da mit diesen Anten- 12 Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S

23 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander nen keine hohen Datenraten möglich sind. 15 Das Übertragen von groÿen Datenmengen, wie zum Beispiel von wissenschaftlichen Daten der Payload, geschieht über die UHF- Antenne, weil sie mit einer wesentlich höheren Datenrate an die Orbiter senden kann, welche die Daten wiederum mit stärkeren Antennen an die Erde weiterleiten. Unter dem Rover ist eine Kamera angebracht, die nach dem Abwurf des Heatshields bis zum Aufsetzen des Rovers auf der Oberäche ein Farbvideo mit 4 Bildern pro Sekunde aufnimmt. Die hochauösenden Bilder werden auf einem separaten 8 GB groÿen Speicher gesichert und später an die Bodenstation übertragen. Mit Hilfe der Bilder kann man sich einen detaillierten Überblick über die Umgebung des Landegebietes verschaen und die genaue Landeposition bestimmen. So lassen sich zukünftige Fahrtstrecken des Rovers besser und vor allem ezienter planen. 16 Curiosity besitzt natürlich viele weitere Bauteile und wissenschaftliche Geräte, doch sollen diese hier nicht weiter betrachtet werden. Sie zu beschreiben, würde den Umfang dieser Arbeit überschreiten und könnte das Thema eine eigenständigen Arbeit bilden, sodass an dieser Stelle nur auf die relevantesten Teile eingegangen wurde. 4.2 Anug und Landung von Curiosity Nachdem nun bekannt ist, wie das Mars Science Laboratory aufgebaut ist, kann ein Blick auf die Landung geworfen werden, an deren Ende Curiosity auf der Marsoberäche bereit steht, um seine Erkundungsfahrt zu beginnen. Die Vorbereitungen auf die Landung beginnen schon 45 Tage vor Eintritt in die Atmosphäre. In dieser Phase gibt es mehrere Zeitpunkte, zu denen letzte Bahnkorrekturen durchgeführt werden können, falls diese nötig sind. Auÿerdem besteht die Möglichkeit Parameter in der Software, die für die Landung zuständig ist, an die aktuelle Beschaenheit der Atmosphäre anzupassen. Wenige Tage vor dem Eintritt wird damit begonnen, einzelne Komponenten im Mars Science Laboratoy vorzuheizen und zu aktivieren. 17 Die Software für die Landung besteht aus Zeilen Code und sorgt dafür, dass das Mars Science Laboratory im Verlauf der Landung 6 verschiedene Kongurationen durchläuft. Diese Kongurationen werden durch das Zünden von 76 pyrotechnischen Einheiten erreicht, mit deren Hilfe bestimme Komponenten abgesprengt oder einzelne Mechanismen ausgelöst werden. 18 Bei dieser Komplexität ist es kaum verwunderlich, dass die NASA die 7-minütige Phase vom Eintritt in die Atmosphäre bis zur Landung als 7 minutes of terror bezeichnet. Sollte auch nur eine pyrotechnische Einheit nicht zünden, könnte dies schon verheerende Folgen für den weiteren Verlauf der Landung haben. Die heiÿe Phase der Landung beginnt 10 Minuten vor Eintritt in die Marsatmosphäre und ist Schritt für Schritt in Abbildung A.2 dargestellt. Der Landevorgang beginnt mit 15 Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S. 27 und JPL-Video 23

24 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander dem Abtrennen der Cruise Stage vom Mars Science Laboratory, sodass die Kommunikation von nun an über die Antennen der Backshell läuft. Auÿerdem werden die Druckund Temperatursensoren im Heatshield aktiviert, sodass sie mit dem Aufzeichnen von Messdaten beginnen können. Daraufhin sorgen die 8 Steuerdüsen der Backshell dafür, dass die Rotation, welche während dem Flug der Stabilisation diente, gestoppt wird und dafür, dass das Mars Science Laboratory mit dem Heatshield voraus Richtung Atmosphäre ausgerichtet wird. Auÿerdem wird ein Set der in Abschnitt erwähnten Zusatzgewichte der Backshell abgeworfen, sodass sich der Schwerpunkt von der Mitte weg verlagert und so Auftrieb erzeugt wird. 19 Der Eintritt in die Atmosphäre ndet in einer Höhe von etwa 125 km statt, wobei diese Höhe natürlich nicht exakt angegeben werden kann, da die Atmosphäre schlieÿlich nicht abrupt an einem Punkt beginnt. Die Geschwindigkeit beträgt zu diesem Zeitpunkt rund 5900 m, was über km entspricht! Während dem Flug durch die Atmosphäre wird s h die Geschwindigkeit allein durch den Luftwiderstand um 90% abgebaut. Die dabei auftretende Reibung sorgt dafür, dass sich am Heatshield etwa 75 Sekunden nach dem Eintritt Temperaturen von bis zu 2100 C bilden können. Wenig später wird der Punkt erreicht, an dem das Mars Science Laboratory seine stärkste Abbremsung von 10-11g erfährt. 20 Die 8 Steuerdüsen halten das Mars Science Laboratory während der Eintrittsphase stabil und können zu diesem Zeitpunkt auch die schon erwähnten S-Kurven einleiten. In einer Höhe von circa 11 km und mit einer Restgeschwindigkeit von rund 405 m wird s der Fallschirm entfaltet, um die Geschwindigkeit weiter zu reduzieren. Kurz zuvor muss jedoch noch das zweite Set von Zusatzgewichten abgeworfen werden, damit der Schwerpunkt wieder in der Mitte des Mars Science Laboratorys liegt. Andernfalls würde es unter dem Fallschirm hängend in Schieage geraten, was mit Sicherheit nicht wünschenswert ist. Nachdem sich der Fallschirm vollständig entfaltet hat und sich damit die Geschwindigkeit innerhalb von 24 Sekunden um weitere 1000 km verringert hat, wird h das Heatshield in 8 km Höhe abgeworfen. Da die Descent Stage und der Rover somit freie Sicht auf den Mars haben, können das Radarsystem an der Descent Stage sowie die Kamera unter dem Rover damit beginnen Daten bzw. Bilder aufzuzeichnen. 21 Knapp anderthalb Minuten später wird auch die Backshell mitsamt Fallschirm abgeworfen, damit der nale Bremsvorgang durch die Triebwerke der Descent Stage eingeleitet werden kann. Nach dem Abtrennen der Backshell übernehmen die Antennen der Descent Stage die Kommunikation und senden relevante Daten über den Verlauf der Landung zur Erde. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Höhe nur noch weniger als 2 km, wobei die Geschwindigkeit noch bei circa 290 km liegt. Alle 8 Triebwerke der Descent Stage werden h eingeschaltet, um die Geschwindigkeit nach und nach auf 0,75 m abzusenken. Mit dieser s Geschwindigkeit nähert sich die Descent Stage, mit welcher der Rover immernoch fest verbunden ist, langsam dem Marsboden bis zu einer Höhe von nur noch 20 m. In dieser Höhe werden zuerst 4 der 8 Triebwerke ausgeschaltet, um weniger Staub und Geröll am Boden aufzuwirbeln, bevor die Descent Stage mit dem SkyCrane-Manöver beginnt. Sie 19 Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S Vgl.: Presse MSL, S.28 24

25 4 Das Mars Science Laboratory Seminar Avionic Devices Lander lässt den Rover dann an den 3 Halteseilen hinab, während der Rover die Descent Stage weiterhin über das Datenkabel kommandiert. Der Rover kann nun seine Räder zur Landung ausfahren, die vorher eingeklappt waren, damit sie weniger Platz wegnehmen, und übernimmt von nun an auch die Kommunikation mit Hilfe seiner Antennen. 7,5 m unter der Descent Stage hängend nähert sich der Rover dann immer weiter an den Boden an, bis seine Räder schlieÿlich rund 7 Minuten nach Eintritt in die Atmosphäre auf der Marsoberäche aufsetzen. Umgehend werden die 4 Verbindungen zwischen Rover und Descent Stage getrennt, woraufhin die Descent Stage mit ihren Triebwerken noch ein letztes mal genügend Schub erzeugt, um vom Rover wegzuiegen. Sie stürzt dann unkonrolliert etwa 150 m entfernt auf die Marsoberäche. 22 Der Rover Curiosity sollte sich nun in einem elliptischen Zielgebiet von 20 km Länge benden, das vor Missionsbeginn ausgewählt wurde und sich in der Nähe des Gale Kraters bendet. Curiosity schaltet nach der Landung vom Landemodus in den sogenannten Surface Mode und beginnt autonom damit erste Checks durchzuführen. Ob Curiosity sicher auf der Marsoberäche gelandet ist, kann auf der Erde aufgrund der langen Signallaufzeit erst knapp 14 Minuten später festgestellt werden. Doch wie bekannt ist, verlief die Landung perfekt und Curiosity fährt nun schon seit einiger Zeit problemlos über den Mars und führt wissenschaftliche Untersuchungen aller Art durch. 22 Vgl.: Presse MSL, S.28 25

26 5 Schlusswort Seminar Avionic Devices Lander 5 Schlusswort Lander waren schon ganz zu Beginn der Raumfahrtgeschichte präsent, spielen heutzutage eine wichtige Rolle und werden auch in Zukunft von immenser Bedeutung sein. Damals waren die Lander, wie die besprochene Mondlandefähre, noch mit verhältnismäÿig geringer Rechenleistung ausgestattet. Umso respektabler und bewundernswerter ist es, dass die Apollo 11 Mission erfolgreich durchgeführt werden konnte. Im Vergleich dazu ist die Rechenleistung neuer Rover um ein vielfaches höher und die verwendeten Komponenten hochmodern, während die Ausstattung der Mondlandefähre aus heutiger Sicht eher spartanisch wirkt. Das Mars Science Laboratory zeigt eine klare Tendenz zu gröÿeren und schwereren Rovern, was selbstverständlich an der fortschreitenden Technologie und Erfahrung liegt. Durch sie wird es unter anderem möglich ezientere Trägerraketen für den Start und neue Methoden für die Landung zu entwickeln. So konnte Curiosity auch doppelt so lang und fünfmal so schwer wie die Rover Spirit und Opportunity ausfallen und trotzdem sicher zum Mars gebracht werden. Dieser Trend wird sich in Zukunft fortsetzen, sodass auch theoretische Projekte wie das Errichten einer Basis auf dem Mond möglich werden könnten. Allerdings wären die riesigen Kosten, die ein solches Projekt verursachen würde, wohl ein groÿes Hindernis. Auch bemannte Flüge zum Mars werden wohl, zumindest aus technologischer Sicht, kein allzu groÿes Problem mehr darstellen, nachdem das Apollo-Programm das erste und einzige war, bei dem bemannte Lander zum Einsatz kamen. Dass es zur Durchführung einer solchen Mission kommen wird, halte ich allein wegen der Neugier und des Pioniergeistes der Menschen für unumstritten. Wann dies sein wird, weiÿ jedoch niemand und wird wohl auch davon abhängen, inwieweit die Politik ein solches Projekt unterstützt und wie gut die Länder miteinander kooperieren, um dieses Ziel zu erreichen. 26

27 6 Literaturverzeichnis Seminar Avionic Devices Lander 6 Literaturverzeichnis [WikiA] [JPL-NASA] [Astro] [WikiB] zuletzt aufgerufen am zuletzt aufgerufen am zuletzt aufgerufen am zuletzt aufgerufen am [Presse MSL] NASA: Press Kit. Mars Science Laboratory Landing, Juli 2012, zuletzt aufgerufen am [WikiC] [LEM] [Heroic] [WikiD] zuletzt aufgerufen am Robert K. Smyth: The lunar excursion module, m.pdf, zuletzt aufgerufen am html, zuletzt aufgerufen am nd_control_system, zuletzt aufgerufen am [WikiE1] zuletzt aufgerufen am [WikiE2] zuletzt aufgerufen am [LMTales] zuletzt aufgerufen am

28 6 Literaturverzeichnis Seminar Avionic Devices Lander [WikiF] zuletzt aufgerufen am [WikiG] zuletzt aufgerufen am [JPL-Video] zuletzt aufgerufen am

29 A Anhang Seminar Avionic Devices Lander A Anhang Abbildung A.1: Die Aufstiegsstufe des Lunar Excursion Module von Innen 29

30 A Anhang Seminar Avionic Devices Lander Abbildung A.2: Die einzelnen Phasen der Landung des Mars Science Laboratorys 30