„7 Minuten des Terrors“: Ein Blick auf die Technologie, die Perseverance benötigt, um die Landung auf dem Mars zu überleben

Nov 19, 2023

ARC DECRA Fellow, Centre for Hypersonics, School of Mechanical and Mining Engineering, The University of Queensland

Chris James arbeitet nicht für Unternehmen oder Organisationen, die von diesem Artikel profitieren würden, berät sie nicht, besitzt keine Anteile an ihnen und erhält keine Finanzierung von diesen, und hat über ihre akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.

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Dieser Monat war ein arbeitsreicher Monat für die Erforschung des Mars. Mehrere Länder schickten im Juni letzten Jahres Missionen zum Roten Planeten und nutzten dabei ein Startfenster. Die meisten sind nach ihrer achtmonatigen Reise inzwischen angekommen.

In den nächsten Tagen wird die NASA einen direkten Eintritt in die Marsatmosphäre durchführen, um den Rover Perseverance im Jezero-Krater des Mars zu landen.

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Perseverance, etwa so groß wie ein Auto, ist die größte Mars-Nutzlast aller Zeiten – sie wiegt buchstäblich eine Tonne (auf der Erde). Nach der Landung wird der Rover nach Zeichen antiken Lebens suchen und Proben sammeln, um sie schließlich zur Erde zurückzubringen.

Die Mission wird ähnliche Hardware verwenden wie die Mission des Mars Science Laboratory (MSL) aus dem Jahr 2012, bei der der Rover Curiosity gelandet war, wird jedoch über bestimmte Verbesserungen verfügen, darunter eine verbesserte Landungsgenauigkeit des Rovers.

Die Reise von Curiosity lieferte eine Fülle von Informationen darüber, welcher Umgebung Mars 2020 ausgesetzt sein könnte und welche Technologie er zum Überleben benötigen würde.

Da der Mars eine lebensfeindliche und abgelegene Umgebung mit einer Atmosphäre ist, die etwa 100-mal dünner ist als die der Erde, gibt es für ankommende Raumfahrzeuge nur wenig Atmosphäre, die sie zum aerodynamischen Abbremsen nutzen könnte.

Um den Marseintritt zu überleben, bedarf es vielmehr einer kreativen Mischung aus Aerodynamik, Fallschirmen, Retroantrieb (Nutzung des Triebwerksschubs zum Abbremsen für die Landung) und häufig eines großen Airbags.

Außerdem werden Modelle des Marswetters nicht in Echtzeit aktualisiert, sodass wir nicht genau wissen, welcher Umgebung eine Sonde beim Eintritt ausgesetzt sein wird. Unvorhersehbare Wetterereignisse, insbesondere Staubstürme, sind ein Grund dafür, dass die Landegenauigkeit bei früheren Missionen gelitten hat.

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NASA-Ingenieure nennen die Eintritts-, Abstiegs- und Landephase (EDL) von Marseintrittsmissionen die „sieben Minuten des Terrors“. In nur sieben Minuten gibt es unzählige Möglichkeiten, wie der Zugang scheitern kann.

Das MSL-Raumschiff von 2012 war mit einem Hitzeschild mit einem Durchmesser von 4,5 Metern ausgestattet, der das Raumschiff während seines Abstiegs durch die Marsatmosphäre schützte.

Es trat mit etwa 5.900 m pro Sekunde in die Marsatmosphäre ein. Dabei handelt es sich um Hyperschallgeschwindigkeit, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit mehr als fünfmal so hoch ist wie der Schall.

Beim Mars 2020 wird es ähnlich sein. Um zu verhindern, dass heiße Strömungen den darin verstauten Rover beschädigen, wird er stark auf sein thermisches Schutzsystem angewiesen sein, einschließlich eines vorderen Hitzeschilds und eines hinteren Hitzeschilds.

Bei Hyperschallgeschwindigkeit wird die Marsatmosphäre dem Raumschiff nicht schnell genug ausweichen können. Dadurch entsteht an der Front eine starke Stoßwelle.

In diesem Fall wird das Gas vor dem Fahrzeug schnell komprimiert, was zu einem enormen Druck- und Temperatursprung zwischen der Stoßwelle und dem Hitzeschild führt.

Die heiße Nachschockströmung erwärmt beim Eintritt die Oberfläche des Hitzeschildes, der Hitzeschild schützt jedoch die innere Struktur vor dieser Hitze.

Da die Missionen MSL 2012 und Mars 2020 relativ größere Nutzlasten verwenden, besteht für diese Raumschiffe ein höheres Risiko einer Überhitzung während der Eintrittsphase.

Aber MSL hat dieses Problem effektiv umgangen, vor allem dank eines speziell entwickelten Hitzeschilds, der als erster überhaupt das Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA)-Material der NASA nutzte.

Dieses Material, das auch die Raumsonde Mars 2020 verwendet, besteht aus gehackten Kohlenstofffasern, die in ein Kunstharz eingebettet sind. Es ist sehr leicht, kann enorme Wärme absorbieren und ist ein wirksamer Isolator.

Alle Einträge vor der MSL-Mission 2012 erfolgten ungesteuert, das heißt, sie wurden nicht in Echtzeit von einem Flugcomputer gesteuert.

Stattdessen waren die Raumschiffe so konzipiert, dass sie auf eine bestimmte Weise die „Eintrittsschnittstelle“ des Mars (125 km über der Erde) treffen, bevor sie dort landen, wo die Marswinde sie hinführten. Damit einher ging eine erhebliche Landungsunsicherheit.

Der Bereich der Landeunsicherheit wird als Landeellipse bezeichnet. Die Viking-Marsmissionen der NASA aus den 1970er Jahren hatten eine geschätzte Landeellipse von 280 x 100 km. Aber sowohl MSL als auch Mars 2020 wurden gebaut, um frühere Bemühungen zu übertreffen.

Die MSL-Mission war der erste geführte Marseintritt. Eine verbesserte Version des Apollo-Leitcomputers wurde verwendet, um das Fahrzeug in Echtzeit zu steuern und eine genaue Landung sicherzustellen.

Dadurch reduzierte MSL seine geschätzte Landeellipse auf 20 x 6,5 km und landete schließlich nur 2 km von seinem Ziel entfernt. Mit etwas Glück wird Mars 2020 ähnliche Ergebnisse erzielen.

Mithilfe eines Fallschirms soll die Raumsonde Mars 2020 so weit abgebremst werden, dass die letzten Landemanöver durchgeführt werden können.

Mit einem Durchmesser von 21,5 m wird der Fallschirm der größte sein, der jemals auf dem Mars eingesetzt wurde, und er muss schneller als mit Schallgeschwindigkeit eingesetzt werden.

Für eine präzise Landung ist es entscheidend, den Fallschirm zum richtigen Zeitpunkt auszulösen.

Eine brandneue Technologie namens „Range Trigger“ steuert die Einsatzzeit basierend auf der relativen Position des Raumfahrzeugs zum gewünschten Landepunkt.

Ungefähr 20 Sekunden nach dem Öffnen des Fallschirms trennt sich der Hitzeschild vom Raumschiff und setzt Perseverance der Marsumgebung aus. Seine Kameras und Sensoren können beginnen, Informationen zu sammeln, sobald es sich dem Boden nähert.

Das spezielle geländebezogene Navigationssystem des Rovers hilft ihm bei der sicheren Landung, indem es ihn auf eine stabile Landefläche umleitet.

Perseverance vergleicht eine vorinstallierte Karte des Landeplatzes mit Bildern, die während seines schnellen Abstiegs gesammelt wurden. Es sollte dann in der Lage sein, darunter liegende Orientierungspunkte zu identifizieren und seine relative Position zum Boden mit einer Genauigkeit von etwa 40 m abzuschätzen.

Die geländebezogene Navigation ist den Methoden, die bei früheren Marseintritten verwendet wurden, weit überlegen. Ältere Raumschiffe mussten sich beim Eintritt auf ihre eigenen internen Schätzungen ihres Standorts verlassen und es gab keine Möglichkeit, diese Informationen effektiv neu zu kalibrieren.

Als sie sich dem Boden näherten, konnten sie nur mit einer Genauigkeit von etwa 2-3 km erraten, wo sie sich befanden.

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Der Fallschirm, der die Raumsonde Mars 2020 trägt, kann sie nur auf etwa 320 km/h abbremsen.

Um sicher zu landen, wirft das Raumschiff den Fallschirm und die Endhülle ab und setzt Raketen ein, die auf den Boden gerichtet sind, um die letzten 2.100 Meter abzufliegen. Dies wird als „Retropropulsion“ bezeichnet.

Und um den Einsatz von Airbags zur Landung des Rovers zu vermeiden (wie es bei Missionen vor MSL der Fall war), wird Mars 2020 das „Skycrane“-Manöver nutzen; Ein Satz Kabel wird Perseverance langsam auf den Boden senken, während es sich auf den autonomen Betrieb vorbereitet.

Sobald Perseverance feststellt, dass seine Räder sicher auf dem Boden stehen, durchtrennt es die Kabel, die es mit dem Abstiegsfahrzeug verbinden (das wegfliegt und irgendwo in der Ferne abstürzt).

Und damit sind die sieben Minuten des Schreckens vorbei.