Um den Aufprall des schwersten Raumschiffs, das jemals auf dem Roten Planeten gelandet ist, abzufedern, sind stabile Beine erforderlich.
Der Perseverance-Rover der NASA sammelt weiterhin Röhrchen voller Gesteinskernproben für die geplante Mars-Sample-Return-Kampagne. Die gemeinsame Anstrengung der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation) zielt darauf ab, wissenschaftlich ausgewählte Proben vom Mars zurückzubringen, um sie auf der Erde zu untersuchen, und zwar mit Laborgeräten, die weitaus komplexer sind, als sie auf den Roten Planeten gebracht werden könnten. Ingenieure sind damit beschäftigt, den Sample Retrieval Lander zu entwerfen, der dabei helfen soll, diese Proben zur Erde zu bringen. Im Rahmen dieser Bemühungen haben sie Prototypen der Beine und Fußpolster des Landers im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien getestet.
Die NASA nutzt das, was sie über Jahrzehnte erfolgreicher Marslandungen gelernt hat, und wendet diese Lehren auf das Konzept des Sample Retrieval Lander an, das mit bis zu 2.275 Kilogramm das größte Raumschiff wäre, das bisher auf dem Mars gelandet ist. Neben Fallschirmen der nächsten Generation und 12 Raketentriebwerken, um den Abstieg des Raumfahrzeugs zum Mars zu verlangsamen, müsste der Lander auch seine Beine benötigen, um den Aufprall beim Aufsetzen abzufedern.
Sehen Sie, wie Ingenieure Entwürfe für das schwerste Raumschiff testen, das jemals auf dem Roten Planeten gelandet ist: den Lander für die Mars Sample Return-Kampagne. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Das Raumschiff würde eine Rakete tragen, die die sorgfältig verpackten Proben von Perseverance zu einem wartenden Orbiter befördern würde. Ein 8 Fuß (2,5 Meter) langer Roboterarm, der von der ESA bereitgestellt werden soll, würde diese Probenröhrchen in die Rakete laden. Der Lander könnte bis zu zwei Minihubschrauber transportieren, die als Ersatz für die Bergung von in einem Probendepot deponierten Röhrchen dienen. Der Lander muss also schwer sein.
Um zu verstehen, wie die Energie bei der Landung absorbiert wird, führten die JPL-Ingenieure Anfang des Jahres Falltests durch, die in das Design und die nachfolgenden Tests einfließen werden. Bei einer Testreihe wurde ein frühes Landermodell im Drei-Achtel-Maßstab auf einen harten Boden geworfen, bei der anderen Testreihe ging es darum, ein Fußpolster in Originalgröße in simulierten Marsboden zu knallen. Das Team kann die beim Testen beobachteten Erkenntnisse bei der Verfeinerung des Designs anwenden.
Klein anfangen
„Es gibt bereits einen Tag-und-Nacht-Unterschied zwischen diesem Lander und dem Design, mit dem wir begonnen haben“, sagte Morgan Montalvo, ein JPL-Ingenieur, der an den Tests arbeitete.
Das Team muss über jedes mögliche Landungsszenario nachdenken, einschließlich dessen, was passieren würde, wenn das Raumschiff schräg aufsetzen und sich einen Zeh an einem Felsen stoßen würde. Um während einer Testreihe eine solche Herausforderung zu schaffen, ließen sie einen Prototyp an einem Pendel hängen, das den Minilander schräg auf den Boden schickte. Kameras auf Stativen umkreisten die Landefläche, eine große schwarze Metallplatte auf dem Boden. Eine niedrige Leitplanke diente gleichzeitig als Fels.
Montalvo rief einen 3-2-1-Countdown, und der Lander stürzte mit einem Knall nach unten und prallte gegen die Leitplanke. Als das Team später das Hochgeschwindigkeitsvideo untersuchte, stellte es überrascht fest, dass eine der Hauptstreben des Beins spürbar wackelte. Erhöhen Sie die Größe des Landers, und dieses Wackeln wäre noch deutlicher zu spüren. Als Reaktion darauf werden stärkere Flugstreben entwickelt, um diese Kräfte zu bewältigen.
Das Team hat auch die „Lastbegrenzer“ des Landers getestet – Stahlstangen, die sein Chassis mit seinen Beinen verbinden. Wenn sich die Beine beim Aufsetzen bewegen, werden die Stangen gezwungen, sich zu biegen, wodurch ein Teil des Aufpralls absorbiert wird. Die Begrenzer wurden bei früheren Landern wie InSight verwendet, aber sie sind bei diesem Prototyp größer und werden beim endgültigen Design noch größer sein.
„Man könnte diese Stahlstangen nie nur mit den Händen biegen“, sagte Montalvo. „Es ist ziemlich verrückt zu sehen, wie viel Kraft in sie eindringt und sie nach einem Sturz fast in zwei Hälften verbiegt.“
Schwerfüßiges Raumschiff
Die Tests der Fußpolster des Landers in Originalgröße fanden in einer Kiste statt, die mit 10.000 Pfund (4.536 Kilogramm) pulvriger, marsähnlicher Erde gefüllt war. Das flache, runde Fußpolster hat einen Durchmesser von etwa 16 Zoll (41 Zentimeter) und lässt sich an einer Baugruppe mit fast einer halben Tonne schweren Hantelscheiben aus Eisen befestigen.
Patrick DeGrosse, der Leiter des Prüfstands, beobachtete während eines Tests, wie der Landerfuß in den Boden eintauchte, eine tiefe Vertiefung hinterließ und eine Staubwolke aufwirbelte. Durch den Aufprall wurden die Wände des Gebäudes erschüttert. Anschließend zeigten Hochgeschwindigkeitskameras, wie Energie aus dem Pad ausstrahlte.
„Wir wollen nicht, dass die Füße des Landers so weit sinken, dass der Boden des Landers die Oberfläche berührt“, sagte DeGrosse. „Und wir wollen sicherstellen, dass der Lander sehr eben auf der Oberfläche steht. Er muss stabil sein, denn der Lander ist auch eine Plattform, von der die Rakete abheben kann.“
Nach jedem Test baut DeGrosse das Bodenbett 4 Zoll nach dem anderen wieder auf und drückt das Material fest, um sicherzustellen, dass es so komprimiert wird, wie Wissenschaftler es auf dem Mars erwarten. Außerdem müssen die Bedingungen einheitlich sein, damit das Team verstehen kann, wie die Fußballen mit dem Boden interagieren. Deshalb wiederholt DeGrosse diesen zeitaufwändigen Vorgang viermal im Monat.
„Man muss den Mars mehrmals umbauen, um diesen Test durchzuführen“, sagte er.