30. September 2020
Im freien Fall zum Marsmond Phobos

Ers­te Tests zur Lan­dung des Mar­ti­an Mo­ons eX­plo­ra­ti­on Ro­ver

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Vorbereitung eines Abwurfversuchs
Vor­be­rei­tung ei­nes Ab­wurf­ver­suchs
Bild 1/10, Credit: ©DLR

Vorbereitung eines Abwurfversuchs

Bei den ak­tu­el­len Ver­su­chen las­sen die For­schen­den das vor­läu­fi­ge Mo­dell des MMX-Ro­vers un­ter La­bor­be­din­gun­gen aus fünf Zen­ti­me­tern Hö­he auf ei­nen wech­seln­den Un­ter­grund in ver­schie­de­nen Win­keln fal­len, um des­sen Ro­bust­heit zu tes­ten.
Lan­dung des MMX-Ro­vers in der Simulation
Video 2/10, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Landung des MMX-Rovers in der Simulation

Länge: 00:01:52
Zur Ana­ly­se, wie sich der MMX-Ro­ver auf Pho­bos un­ter den Be­din­gun­gen der re­du­zier­ten Schwer­kraft ver­hal­ten wird, führt das DLR-In­sti­tut für Sys­tem­dy­na­mik und Re­ge­lungs­tech­nik kom­ple­xe Si­mu­la­tio­nen durch. Die hier im Vi­deo dar­ge­stell­te Simulation zeigt die be­son­ders her­aus­for­dern­de Missi­ons-Pha­se der letz­ten Mo­men­te der Lan­dung mit fol­gen­dem Auf­rich­ten und Ent­fal­ten der So­lar­pa­nee­le so­wie der Aus­rich­tung zur Son­ne. Nach die­ser voll­stän­dig au­to­nom er­folg­ten Se­quenz ist der MMX-Ro­ver in der La­ge, sei­ne Bat­te­rie für die ers­te Fahrt auf Pho­bos op­ti­mal auf­zu­la­den. Im Pro­jekt wer­den Si­mu­la­tio­nen wie die­se ein­ge­setzt, um wich­ti­ge Er­kennt­nis­se für die wei­te­re Ent­wick­lung des Ro­vers zu ge­ne­rie­ren.
Montage des vorläufigen MMX-Rover-Modells
Mon­ta­ge des vor­läu­fi­gen MMX-Ro­ver-Mo­dells
Bild 3/10, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Montage des vorläufigen MMX-Rover-Modells

Das vor­läu­fi­ge Test­mo­dell des MMX-Ro­vers er­hält be­reits zwei mon­tier­te Rä­der (Hin­ter­grund), um po­ten­ti­el­le struk­tu­rel­le Schwach­stel­len auf­zu­de­cken und zu ver­bes­sern. Das 47,5 cm x 55 cm x 27,5 cm mes­sen­de Ge­häu­se ist ei­ne Leicht­bau­kon­struk­ti­on aus ge­zielt ver­steif­ten Sand­wich­bau­tei­len mit Deck­schich­ten aus koh­len­stoff­fa­ser­ver­stärk­tem Kunst­stoff (CFK) und ei­nem Alu­mi­ni­um-Wa­ben­kern.
Abwurftests in der Lande- und Mobilitätstestanlage (LAMA)
Ab­wurf­tests in der Lan­de- und Mo­bi­li­täts­test­an­la­ge (LA­MA)
Bild 4/10, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Abwurftests in der Lande- und Mobilitätstestanlage (LAMA)

Die Ab­wurf­tests mit dem Mo­dell des MMX-Ro­vers fin­den in der Lan­de- und Mo­bi­li­täts­test­an­la­ge (LA­MA) DLR in Bre­men statt.
Modell des MMX-Rovers
Mo­dell des MMX-Ro­vers bei Tests zum Schwin­gungs­ver­hal­ten
Bild 5/10, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Modell des MMX-Rovers bei Tests zum Schwingungsverhalten

Um die Ge­nau­ig­keit des me­cha­ni­schen Be­rech­nungs­mo­dells zu ver­bes­sern, fin­den im Rah­men der Ver­suchs­rei­he auch Tests zum Schwin­gungs­ver­hal­ten der Ro­ver-Struk­tur statt.
Phobos-Aufnahme mit dem Nadirkanal der HRSC
Pho­bos-Auf­nah­me mit dem Na­dir­ka­nal der HR­SC
Bild 6/10, Credit: ESA/DLR/FU Berlin CC BY-SA 3.0 IGO.

Phobos-Aufnahme mit dem Nadirkanal der HRSC

Auf­nah­me des Mars­mon­des Pho­bos mit dem Na­dir­ka­nal der HR­SC in vol­ler Auf­lö­sung, auf­ge­nom­men beim Vor­beiflug am 12.09.2017 im Or­bit 17.342 (Aus­schnitt von Bild 3).
Animation des fahrenden MMX-Rovers auf Phobos
Ani­ma­ti­on des fah­ren­den MMX-Ro­vers auf Pho­bos
Bild 7/10, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Animation des fahrenden MMX-Rovers auf Phobos

Der MMX-Ro­ver soll En­de 2026 oder An­fang 2027 auf dem Mars­mond Pho­bos lan­den und die Ober­flä­che für rund drei Mo­na­te er­kun­den.
Vorbereitungen zum Fallversuch des MMX-Rovers
Vor­be­rei­tun­gen zum Fall­ver­such des MMX-Ro­vers
Bild 8/10, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Vorbereitungen zum Fallversuch des MMX-Rovers

Das vor­läu­fi­ge Mo­dell des MMX-Ro­vers wur­de un­ter La­bor­be­din­gun­gen aus fünf Zen­ti­me­tern Hö­he auf ei­nen wech­seln­den Un­ter­grund in ver­schie­de­nen Win­keln fal­len ge­las­sen.
MMX-Rover im freien Fall
MMX-Ro­ver im frei­en Fall
Bild 9/10, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

MMX-Rover im freien Fall

Ei­ne be­son­de­re Her­aus­for­de­rung ist, dass der frei fal­len­de Ro­ver mit ei­ner be­lie­bi­gen Ori­en­tie­rung auf die Ober­flä­che trifft und da­bei mög­li­cher­wei­se di­rekt auf ei­nen Stein prallt.
Videoanalyse des Fallversuchs
Vi­deo­ana­ly­se des Fall­ver­suchs
Bild 10/10, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Videoanalyse des Fallversuchs

Dank High­s­peed-Ka­me­ras kann der Fall des Ro­vers Bild für Bild ge­naues­tens ana­ly­siert wer­den.
  • Intensität des Landeaufpralls auf dem Marsmond Phobos wird mit einem Rover-Modell getestet.
  • Das Gehäuse des Rovers ist eine Leichtbaukonstruktion aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK).
  • Die Landung auf Phobos ist als Teil der Mission MMX für Ende 2026 oder Anfang 2027 geplant.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Robotik, Exploration, Mars.

Die Mission Martian Moons eXploration (MMX) der japanischen Raumfahrtagentur JAXA wird bei ihrem Start 2024 einen deutsch-französischen Rover mitführen, der auf dem Marsmond Phobos landen und die Oberfläche für rund drei Monate erkunden wird. Derzeit laufen in der Lande- und Mobilitätstestanlage (LAMA) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen erste Tests zur Landung. Anhand eines ersten vorläufigen Entwicklungsmodells prüfen die Ingenieurinnen und Ingenieure wie robust der etwa 25 Kilogramm leichte Rover ausgelegt werden muss, um den Aufprall auf der Mondoberfläche nach etwa 40 bis 100 Meter freiem Fall gut zu meistern.

"Wir lassen das vorläufige Modell des MMX-Rovers unter Laborbedingungen aus fünf Zentimetern Höhe auf einen wechselnden Untergrund in verschiedenen Winkeln fallen", erklärt Versuchsleiter Michael Lange vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik. "Da der Marsmond Phobos wegen seiner geringen Schwerkraft an der Oberfläche nur etwa ein Zweitausendstel der Erdfallbeschleunigung aufweist, können wir so die Intensität des Aufpralls für die Rover-Struktur simulieren." Eine besondere Herausforderung ist, dass der frei fallende Rover mit einer beliebigen Orientierung auf die Oberfläche trifft und dabei möglicherweise direkt auf einen Stein prallt. "Um diese Situation nachzustellen, verwenden wir zusätzlich zu einer ebenen Platte zwei Halbkugeln mit zwei und neun Zentimetern Durchmesser, die in einem Sandbett stehen", sagt Michael Wrasmann vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. "Der genaue Landepunkt unterliegt dem Zufall und wir bereiten uns mit dieser Analyse auf die verschiedenen Szenarien vor."

Räder des MMX-Rovers
Räder des MMX-Rovers
Das vorläufige Testmodell des MMX-Rovers hat bereits zwei der Räder, die vom Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik mit Blick auf minimales Gewicht bei optimaler Fortbewegung unter Mikro-Gravitation entwickelt wurden.
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Sandwichbauteile mit Wabenkern

Das vorläufige Testmodell im Labor ähnelt dabei bereits mit zwei montierten Rädern sowie zwei Rad-Dummies (inklusive eines mechanischen Sicherungssystem für Start und Landung) dem späteren MMX-Rover, um potentielle strukturelle Schwachstellen aufzudecken und zu verbessern. Das 47,5 cm x 55 cm x 27,5 cm messende Gehäuse des Rovers ist dabei eine Leichtbaukonstruktion aus gezielt versteiften Sandwichbauteilen mit Deckschichten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und einem Aluminium-Wabenkern. Ergänzend zu den Laborversuchen werden auch umfangreiche Simulationen im Computer durchgeführt, die die Ergebnisse der Versuchsreihe um eine Vielzahl weiterer Landesituationen erweitern. Um die Genauigkeit des mechanischen Berechnungsmodells zu verbessern, finden zudem im Rahmen der Versuchsreihe Tests zum Schwingungsverhalten der Rover-Struktur statt. Die Erkenntnisse der Versuche helfen den Forscherinnen und Forschern nachfolgend das Design des MMX-Rovers detaillierter festzulegen. "Für 2021 ist die Erprobung eines dann bereits deutlich detaillierteren Strukturmodells mit allen Elementen des Bewegungssystems geplant. Dieses besteht aus den vier, an beweglichen Beinen angebrachten Rädern und einem am Heck des Rovers befindlichen Klapp-Mechanismus. Dieser Mechanismus bringt den Rover bei seitlicher Landung in eine Position, die es ihm ermöglicht mit Hilfe seiner Beine autonom in die letztendliche Fahrposition zu kommen und seine Solarpanele zu entfalten", erklärt der DLR-seitige Gesamtprojektleiter für den MMX-Rover Markus Grebenstein vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen.

Zusätzlich zu den strukturellen Belastungen durch die Landung ist der Rover extremen Strapazen durch die Umgebungsbedingungen ausgesetzt. So erwärmt sich Phobos innerhalb seines nur sieben Stunden dauernden Tages von -150 Grad Celsius auf +50 Grad Celsius. Das Innere des Rovers muss hierbei aktiv auf einer vergleichsweise konstanten Temperatur gehalten werden um die Qualität der wissenschaftlichen Messungen zu gewährleisten. "Deshalb werden 2021 ebenfalls ausgiebige Tests des Temperaturverhaltens des Rovers anhand eines Thermalmodells erfolgen", so Grebenstein weiter.

Der Start der JAXA-Mission Martian Moons eXploration (MMX) ist für 2024 geplant, der Eintritt in den Marsorbit für 2025. Ziel der Mission ist es die beiden Marsmonde Phobos und Deimos zu untersuchen und dabei zu klären, ob sie als eingefangene Asteroiden den Roten Planeten umkreisen, oder sich aber bildeten, nach dem ein größerer Körper auf dem Mars eingeschlagen war und sich dabei ausgeworfenes Material zu neuen Körpern zusammenfügte. Die Bildung des Systems Mars, Phobos und Deimos ist ein Schlüssel, um die Planetenbildung im Sonnensystem besser zu verstehen. Die Landung des MMX-Rovers ist als Teil der Mission für Ende 2026 oder Anfang 2027 geplant. Dieser wird rund 100 Tage detailliert die Oberflächenbeschaffenheit des Marsmondes analysieren und damit zur Lösung des wissenschaftlichen Rätsels seiner Entstehung beitragen.

Partnerschaftliche Zusammenarbeit

Der deutsch-französische MMX-Rover wird unter gemeinsamer Leitung des DLR und der französischen Raumfahrtagentur CNES (Centre National d’Études Spatiales) entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung der Roboter Struktur, des gesamten Aufricht- und Fortbewegungssystems, sowie eines Raman-Spektrometers und eines Radiometers, die die Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit messen werden. CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie zur Untersuchung der mechanischen Bodeneigenschaften. Darüber hinaus entwickelt CNES das zentrale Service-Modul des Rovers inklusive des Onboard-Computers sowie des Energie- und Kommunikationssystems. Nach dem Start wird der Rover dann von Kontrollzentren des DLR und der CNES betrieben.

Die Mission MMX steht in der Tradition einer bereits langjährigen erfolgreichen Kooperation der Partner JAXA, CNES und DLR. Sie knüpft an die Vorgängermission Hayabusa2 an, bei der die JAXA eine Raumsonde zum Asteroiden Ryugu schickte mit dem deutsch-französischen Lander MASCOT an Bord. Am 3. Oktober 2018 landete MASCOT auf Ryugu und sendete spektakuläre Bilder einer Landschaft mit viel Geröll, Steinen und fast ohne Staub zur Erde, den Wissenschaftler eigentlich auf Ryugu erwartet hatten. Hayabusa2 nahm Proben von Ryugu und fliegt derzeit zurück zur Erde. Die Proben des Asteroiden sollen in einer Kapsel am 6. Dezember 2020 in Australien landen und anschließend im Labor untersucht werden.

Kontakt
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    Me­dia|Re­la­ti­ons
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    Linder Höhe
    51147 Köln
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  • Dipl.-Ing. Michael Lange
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

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    Telefon: +49 531 295-3223
    Lilienthalplatz 7
    38108 Braunschweig
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  • Dr. Markus Grebenstein
    Pro­jekt­lei­ter MMX-Ro­ver
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Ro­bo­tik und Me­cha­tro­nik
    Münchener Straße 20
    82234 Oberpfaffenhofen-Weßling
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  • Michael Wrasmann
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
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    28359 Bremen
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