Dienstag, 19. Juni 2012

Curiosity: Landeprozedur MSL

Am 6. August 2012 soll der Marsrover Curiosity sicher auf dem Mars landen, doch bis dahin sind viele Schritte notwendig damit Curiosity dieses Ziel auch erreichen kann.  

Landeprozedur des MSL (Mars Science Laboratory):
  1. Beginn der Vorbereitungen: 
    • 45 Tage vor Ankunft beginnt das Deep Space Network der NASA mit einer 34 m-Antenne die Raumschiffparameter 24/7 zu überwachen. 
    • 4 Tage vor dem Eintritt wird auf eine 79 m-Antenne umgeschaltet. 
    • Zehn Minuten vor Einnahme der Eintrittsorientierung des MSL wird direkt mit der Erde ohne Relay über eine ungerichtete Low-Gain-Antenne kommuniziert. 
  2. Drehung des Raumschiffes in Landeposition und Abschaltung der Cruise-Stufe:
    • MSL ändert seine Orientierung im Raum, das Raumschiff fliegt ab jetzt mit dem Schutzschild voran. Ausserdem werden die inneren Systeme des Landeschiffes aktiviert und  autark  geschaltet. Die Cruise-Stufe, die den Lander bisher mit Energie und Kommunikation versorgt hat, wird deaktiviert.
  3. Beginn der Übertragung der Statustöne und Einrichtung des Funkrelays mit den im Orbit befindlichen Orbitern:
    • Das Raumschiff beginnt mit der Übertragung von Statustönen, die den Kontrolleuren auf der Erde mitteilen, was genau mit ihm passiert. Die Aktivierung und Funktionsfähigkeit der Roversysteme wird ein letztes Mal gecheckt. Während der Landung ist keine Kommunikation mit der Erde über die simplen Statustöne hinaus möglich. Erst nach der Landung auf dem Mars nimmt der Rover seinerseits Kontakt mit der Erde auf.
  4. Abtrennung der Cruise-Stufe:
    • 10 Minuten vor Atmosphäreneintritt wird die Cruise-Stufe abgetrennt. Das MEDLI-Programm (Mars Science Laboratory Entry Descent and Landing Instrument) beginnt mit seiner Arbeit. Es registriert Daten der Atmosphäre und mißt die Wirksamkeit des Hitzeschildes für zukünftige Landungen. Ab jetzt beginnt die kritische Phase der Landung. Die Navigationsdüsen stoppen die Spinstabilisierung des Raumschiffes. Neun Minuten vor Eintritt dreht sich das Raumschiff und fliegt ab jetzt mit dem Hitzeschild voran. Zwei je 75 kg schwere Ausgleichsgewichte werden abgesprengt, die Cruise Balance Mass Devices. Dadurch wird der Masseschwerpunkt des Raumschiffes von der zentralen Drehachsenrichtung so weg verlagert, dass eine Gleitzahl > 0 resultiert und es quasi wie ein Flugzeug in der Atmosphäre segeln kann ("guided entry"). 
    • Das Raumschiff tritt frontal in die Marsatmosphäre ein. In nur 7 Minuten wird seine Geschwindigkeit von etwa 55.000 km/h auf Null abgebremst und weich auf dem Mars gelandet. 
    • Direkt nach dem Eintritt zwingen Navigationstriebwerke in der Backshell das Raumschiff zu kleinen S-Kurven, um die Horizontalentfernung zum Ziel möglichst klein zu halten. Dabei regelt der Navigationscomputer Anzahl und Größe dieser S-Kurven, um eine Unter- oder Übersteuerung des Zieles zu verhindern. Außerdem gleicht er Windeffekte aus, und hält das Ziel genau im Auge. Dabei dient das Trägheitsnavigationssystem mit seinen Gyroskopen als Gradmesser für jegliche Abweichungen vom Idealkurs. 
  5. Eintritt des Mars Science Laboratory in die Atmosphäre:
    • Bei der Abbremsung des Raumschiffs erhitzt sich der Hitzeschild im Mittel auf etwa 1500°C und muss das Innere des Raumschiffes dabei auf Raumtemperatur halten, um den Rover nicht zu beschädigen. Darüberhinaus erfüllt der Hitzeschild aerodynamisch die Funktion einer ersten Bremse. Er hält das Raumschiff zusammen mit den Navigationstriebwerken in korrekter Ausrichtung, immer mit dem Hitzeschild genau voraus. 
    • Im letzten Abschnitt der 'heissen' Eintrittsphase klingt das MSL den Überschallfallschirm aus. Vorher werden noch nur wenige Sekunden vor Freisetzung des Überschallfallschirms sechs aus Wolfram bestehende Gewichte von je 25 kg Masse abgesprengt ("Entry Balance Mass Devices"), wodurch der Masseschwerpunkt des Raumschiffes für den fallschirmgesteuerten Abstieg wieder zurück ins Raumschiffszentrum verlagert wird. 
    • Der Fallschirm wird etwa 225s nach Atmosphäreneintritt  in einer Höhe von etwa 11 km bei einer Geschwindigkeit von 405m/s aus der Backshell freigesetzt.
  6. Abtrennung des Hitzeschilds, Beginn des fallschirmgesteuerten Abstieg:
    • Nach etwa 24s wird der Hitzeschild in einer Höhe von etwa 8 km bei einer Geschwindigkeit von 125m/s abgesprengt. Dadurch liegt der Rover mit seiner Unterseite und seinen sechs Rädern frei. 
    • Das MARDI (Mars Descent Imager), eine Videokamera, beginnt mit seiner Arbeit. Es filmt mit 5 Bildern pro Sekunde den weiteren Abstieg in Farbe. 
    • Das am Skycrane montierte Terminal Descent Sensor-Radar nimmt seine Arbeit auf und mißt den Bodenabstand und Geschwindigkeit.  
    • Der Überschallfallschirm verlangsamt das Raumschif auf Unterschallgeschwindigkeit und damit beginnt jetzt die Phase des fallschirmgesteuerten Abstiegs. Dabei sinkt die Abstiegsgeschwindigkeit immer weiter.
  7. Beginn der raketengesteuerten Abstiegsphase:
    • In etwa 1.5 km Höhe, getriggert durch entsprechende Höhensensoren, wird der Fallschirm mitsamt der Backshell etwa 80s nach Absprengung des Hitzeschildes ebenfalls abgetrennt und die 8 Raketenmotoren der Abstiegsstufe (der sogenannte "sky crane") aktiviert. Dieser steuert aktiv über die Marsoberfläche und sucht einen optimalen Landeplatz für den Rover. Dabei wird die Abstiegsgeschwindigkeit weiter bis auf 0.75m/s  verlangsamt, bis schliesslich nur noch 4 Raketenmotoren gebraucht werden. Der Abstieg wird bis in eine Höhe von 20 m über Grund mit dieser Geschwindigkeit fortgesetzt.
  8. Abstiegskamera (MARDI):
    • Während des raketengesteuerten Abstieges fotografiert die MARDI-Kamera die Planetenoberfläche mit 5 Bildern pro Sekunde und bestimmt damit die Horizontalgeschwindigkeit und -richtung des Raumschiffes. 
    • Die Abstiegsmotoren kompensieren diese innerhalb der nächsten paar Sekunden, während sie außerdem weiter die Abstiegsgeschwindigkeit des Raumschiffes kontrollieren. MARDI filmt dabei "in Farbe" und es wird automatisch ein passabler Landeplatz für den Rover bestimmt. Dies geschieht völlig autonom gesteuert durch die Computer des Raumschiffes. 
    • MSL wird, anders als alle seine Vorgänger, in der Lage sein, seinen Landeplatz auf 20 km genau zu treffen, d.h. die Landeellipse ist sehr klein. Dies ist für spätere Missionen, z.B. auch für die Landung von Menschen auf dem Mars, extrem wichtig, denn die Raumfahrer müssen in der Nähe ihrer Versorgungseinrichtungen abgesetzt werden können. Da macht sich ein späterer Fußmarsch von 100 km oder mehr wegen mangelhafter Landegenauigkeit nicht so gut.
  9. Seilgestütztes Absetzen des Rovers:
    • Etwa 12s vor dem Touchdown, beginnend in einer Höhe von circa 20m über der Marsoberfläche, läßt der "Himmelskran" den Rover langsam innerhalb von etwa 8 Sekunden an mehreren Nylonseilen hängend auf die Marsoberfläche hinab. Dabei behält er seine Sinkgeschwindigkeit von 0.75m/s bei. 
    • Der Rover aktiviert seine 6 Räder und wird direkt auf ihnen sanft auf der Oberfläche abgesetzt.
  10. Kappen der Hängeseile:
    • Nachdem der Rover dem "Sky Crane" die Bodenberührung mitgeteilt hat, kappt dieser in einer Höhe von etwa 3-5m über Grund die Seile und entläßt den Rover aus seiner Obhut.
  11. Abflug des "Sky Crane":
    • Nach dem Absetzen des Rovers mit seiner wissenschaftlichen Ausrüstung wird der "Sky Crane" noch einmal für einige wenige Sekunden Vollschub auf seine 4 Raketenmotoren geben und sich mit einer 45°-Neigung vom Rover entfernen. Er wird dann in einer Entfernung zwischen 150 und 500 m vom Landefahrzeug hart auf dem Marsboden aufschlagen und seine weiteren Tätigkeiten einstellen, um den Rover nicht zu gefährden.
Ein Video zu der Landung in kurzer Version gibt es hier: Curiosity

Quelle: marspages.eu

1 Kommentar:

  1. Eindrucksvoll, wie alles gut geklappt hat. Diese Operation ist wirklich ein Sprungbrett für später geplante bemannte Flüge und wenn jetzt etwas schiefgegangen wäre, hätte es diese Pläne weit zurückgeworfen.

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