ExoMars dreht eine Runde

Balanceakt

Eine wesentliche Vorbereitung für den Flug der Mission zum Mars und das Eintauchen in die Atmosphäre des Planeten besteht darin, sicherzustellen, dass das Raumfahrzeug beim Drehen perfekt ausbalanciert ist.

Die ExoMars 2022-Mission besteht aus vier Haupteinheiten: dem Rosalind Franklin Rover unter der Leitung der ESA und der von Roscosmos geleiteten Oberflächenplattform Kazachok, die beide wissenschaftliche Aktivitäten auf der Marsoberfläche durchführen werden sowie dem Abstiegsmodul, in dem sie eingekapselt sind, und dem Trägermodul, das sie nach dem Start zum Mars transportieren wird.

ExoMars im dynamischen Auswuchttest
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Während der Reise zum Mars wird sich der komplette "Raumschiffverbund" (bestehend aus allen vier Einheiten) mit etwa 2,75 Rotationen pro Minute drehen, um sich auf seiner Flugbahn zu stabilisieren. Der dynamische Auswuchttest prüft, ob es keine Unwuchten gibt, die im Weltraum zu Taumelbewegungen führen könnten, und zu viel Treibstoff zum Ausgleich benötigen würden. Es ist zudem wichtig, dass das Raumfahrzeug so ausbalanciert ist, dass es sich gleichmäßig um seine Rotationsachse dreht und seine Antenne auf die Erde gerichtet bleibt, damit eine Kommunikationsverbindung möglich ist.

Sobald das Abstiegsmodul in der Nähe des Mars freigesetzt wird, etwa 30 Minuten vor dem Eintritt in die Atmosphäre, wird die ursprüngliche Drehrate beibehalten, bis die atmosphärischen Effekte eintreten und der erste Fallschirm entfaltet wird. Das vollständige Austrudeln erfolgt, sobald das Antriebssystem der Landeplattform in der Nähe der Marsoberfläche anspringt.

Daher wurden zwei dynamische Auswuchttests durchgeführt: ein Test für das komplette Verbundraumfahrzeug und einer ohne das Trägermodul, nur für das Abstiegsmodul mit Rover und Plattform im Inneren. Bei allen Tests, die in den Reinraumanlagen von Thales Alenia Space in Cannes, Frankreich, durchgeführt wurden, wurden die tatsächlichen Flugmodule verwendet.

Während des Tests mit dem Raumfahrzeugverbund wurde dieses einer Drehung von bis zu 30 U/min ausgesetzt, was einer Zentrifugalbeschleunigung von 2g an der Außenkante des Hitzeschilds des Abstiegsmoduls entspricht.
Nach Abschluss der Umgebungstests in Cannes wird das Raumfahrzeug Mitte März zu den Einrichtungen von Thales Alenia Space in Turin, Italien, zurückkehren, um weitere Funktionstests zu durchlaufen.

Proben für die Rover-Wissenschaft

Unterdessen hat das Rosalind Franklin "Bodentestmodell" im Rover Operations Control Centre (ROCC) in Turin einen spannenden Meilenstein erreicht. Während der nachgebaute Rover noch stationär im Reinraum steht, hat das Betriebsteam ihn so gesteuert, als wenn der Rover auf der Oberfläche des Mars wäre.

"Es ist wirklich aufregend, zum ersten Mal die Kommandofolge des ROCC verwendet zu haben, so wie wir es während der echten Mission tun werden", sagt Luc Joudrier, ExoMars Rover Operations Manager der ESA. "Wir haben den 'Aktivitätsplan' des Rovers definiert, ihn an den Rover gesendet und anschließend die Daten aufgenommen und verarbeitet. Es ist großartig, das ROCC so arbeiten zu sehen."

Eine der Aktivitäten bestand darin, den besonderen Bohrer von Rosalind Franklin zu testen. Es ist das erste Mal in der Marsforschung, dass ein Rover in der Lage ist, Bodenproben aus bis zu 2 m Tiefe zu entnehmen, wo uralte Biomarker noch vor der intensiven Strahlung an der Oberfläche bewahrt sein könnten, und sie in das Bordlabor zu bringen. Bei der jüngsten Simulation wurde der nachgebildete Rover angewiesen, seinen Bohrer mit einer Dummy-Probe an Bord einzusetzen und diese in die Schublade des analytischen Labors zu transportieren. In der Realität, auf dem Mars, wird dann ein hochentwickeltes Labor die Zusammensetzung der Probe analysieren.

Zusätzlich bildete der Rover bildete die Probe mit seinem Close-Up Imager, einer Kamera, die sich an der Unterseite der Bohreinheit befindet, ab.

Auch die hochauflösenden Panoramakameras wurden im Rahmen einer Bildkalibrierung aktiviert.

In Kürze wird der Zwillingsrover in den Mars-Terrainsimulator des ROCC einfahren, um Mobilitätskommandos und andere Funktionstests durchzuführen. Das Rover-Steuerungsteam und Wissenschaftler werden diese Simulationen viele Male proben und sich auf verschiedene Rover-Aktivitäten als Teil ihres Trainings zwischen jetzt und der Ankunft der Mission auf dem Mars konzentrieren.

Neue Strategie für Fallschirmtests

Die beiden Hauptfallschirme, die dazu beitragen sollen, die Mission sicher auf die Marsoberfläche zu bringen, sind für den nächsten Fallschirmtest in großer Höhe im Mai/Juni dieses Jahres in Kiruna, Schweden, vorgesehen. Nach dem Falltest aus großer Höhe im November 2020, bei dem es zu einigen lokalen Schäden an beiden Fallschirmen kam, wurde ein neuer Weg eingeschlagen.

"Wir haben unsere Strategie überarbeitet, um die bestmögliche Chance zu haben, die ExoMars-Fallschirme noch in diesem Jahr zu qualifizieren, damit wir unser Startfenster 2022 einhalten können", sagt Thierry Blancquaert, stellvertretender ExoMars-Programmteamleiter. "Wir haben daher einen zweiten erfahrenen Fallschirmhersteller eingeladen, einen Beitrag zum ExoMars-Programm zu leisten, indem er uns zusätzliche Schirme zur Verfügung stellt, die wir bei den kommenden Gelegenheiten einsetzen können."

Zusätzlich zu den Fallschirmen von Arescosmo werden jetzt auch neu gefertigte Fallschirme von Airborne Systems hergestellt, die Anfang des Monats dabei geholfen haben, den Perseverance-Rover der NASA sicher zum Mars zu bringen. Airborne Systems unterstützt auch die bodengestützten Fallschirm-Extraktionstests, die bei NASA/JPL durchgeführt werden.

Im Gegensatz zur Landung des NASA-Rovers Perseverance auf dem Mars mit nur einem Fallschirm und dem sogenannten Sky-crane sind für die ExoMars-Mission von ESA-Roscosmos zwei Hauptfallschirme erforderlich - jeder mit einem eigenen Pilotfallschirm für die Extraktion -, um das Abstiegsmodul beim Abstieg durch die Atmosphäre zu bremsen.

Die vollständige Entfaltungssequenz wurde beim ersten Höhenfalltest im Jahr 2019 qualifiziert, bei dem ein Testfahrzeug aus einer Höhe von 29 km von einem Stratosphärenballon abgeworfen wurde. Bei demselben Test wurden jedoch erhebliche Schäden an den Fallschirmkappen beobachtet. Dies führte zu einem neuem Design der Fallschirmtasche und einer überarbeiteten Packstrategie, zusammen mit Verstärkungen an beiden Fallschirmkappen. Die modifizierten Taschen und Fallschirme wurden im Dezember 2019 erfolgreich in den ersten bodenbasierten dynamischen Hochgeschwindigkeits-Extraktionstests in den Einrichtungen der NASA/JPL getestet. Die ursprünglichen Schäden wurden auch in einer Reihe von speziellen bodenbasierten Tests Ende letzten Jahres erfolgreich repliziert, wodurch die Ursachen der beobachteten Anomalien bestätigt wurden. Die Schäden an den Fallschirmen, die beim Falltest im November 2020 beobachtet wurden, waren deutlich weniger schwerwiegend als die, die während des Tests 2019 beobachtet wurden und die Überprüfung der Testdaten wies auf den frühen Öffnungsprozess für nachfolgende Verbesserungen hin."Die neuen Fallschirmkappen sind stärker und robuster, und die neu gestalteten Taschen haben bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt, so dass wir uns darauf freuen, die Logistik für den nächsten Fallschirmtest aus großer Höhe im Zeitrahmen von Mai bis Juni in Kiruna, Schweden, fertigzustellen", sagt Thierry Blancquaert.

Neben einem neuen Taschendesign behebt ein überarbeiteter Ansatz zum Falten das Problem des Verdrehens der Fallschirmleinen beim Auswerfen, das zuvor die Fähigkeit der Schirme, sich korrekt aufzublähen, eingeschränkt hatte.
Ein weiterer Falltest aus großer Höhe in Oregon, USA, wird für den Zeitraum September bis November erwartet, um die Testmöglichkeiten zu maximieren. Falls erforderlich, könnte eine zusätzliche Gelegenheit im Februar/März 2022 in Oregon genutzt werden.

In den Monaten vor den Falltests aus großer Höhe werden Slots mit der bodenbasierten dynamischen Extraktionstestanlage geplant, um die Leistung zu überprüfen, wenn vor dem Flug Änderungen an den Fallschirmen, Faltungen oder Taschen vorgenommen werden.

Falltests aus großer Höhe erfordern eine komplexe Logistik und strenge Wetterbedingungen, was ihre Planung erschwert, während die Bodentests in kürzester Zeit wiederholt werden können. Das verschafft deutlich mehr Zeit in der Testkampagne und reduziert das Risiko, indem mehr Tests in einem kurzen Zeitrahmen durchgeführt werden können.
"Wir haben wertvolle Lehren aus dem aktuellen Rennen um die Fallschirmqualifikation gezogen, wenn es um die Entwicklung solch komplexer Missionen geht, insbesondere die Notwendigkeit einer robusteren Erprobung neuer Technologien viel früher in der Zeitachse der Mission”, sagt Francois Spoto, Leiter der Mars Exploration Group der ESA. "Gemeinsam mit unserem großen Industriekonsortium und internationalen Partnern arbeiten wir weiter daran, die letzten Hürden zu überwinden, um Europa sicher zum Mars zu bringen."

Die ExoMars-Mission wird an Bord einer Proton-M-Rakete mit einer Breeze-M-Oberstufe im Startfenster 20. September - 1. Oktober 2022 von Baikonur, Kasachstan, starten. Nach der sicheren Landung in der Region Oxia Planum auf dem Mars am 10. Juni 2023 wird der Rover von der Oberflächenplattform losfahren und nach geologisch interessanten Stellen suchen, um unter der Oberfläche zu bohren und festzustellen, ob auf unserem Nachbarplaneten jemals Leben existiert hat. Zum ExoMars-Programm, einem Gemeinschaftsprojekt der ESA und Roscosmos, gehört auch der Trace Gas Orbiter (TGO), der seit 2016 den Mars umkreist. Neben seiner eigenen wissenschaftlichen Mission wird der Trace Gas Orbiter wichtige Datenrelaisdienste für die Mission auf der Oberfläche leisten; er unterstützt bereits die Oberflächenmissionen der NASA, einschließlich der Landung des Mars 2020 Perseverance Rovers im vergangenen Monat.

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