Qualitäts- und Produktsicherung für das Fahrwerk des MMX-Rovers
Das mechatronische Fahrwerk (Lokomotionsystem) des robusten, radbasierten Idefix®-Rovers für die „Martian Moons eXploration (MMX)“-Mission ist eine komplette Neuentwicklung des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik. Daher konnte nur bei manchen Komponenten auf Erfahrung aus vorherigen Missionen zurückgegriffen werden. Aus diesem Grund war es essentiell, durch Qualitäts- und Produktsicherung nachzuweisen, dass das Fahrwerk auf Phobos funktionieren wird. Es musste bewiesen werden, dass das Fahrwerk allen Anforderungen entspricht, die aufgrund Erfahrungen aus vergangenen Raumfahrtmissionen sowie Annahmen zu dieser speziellen neuen Mission entstehen.
Stress für das Fahrwerk
Eine wesentliche Grundlage für Anforderungen an Systeme und Subsysteme für die Raumfahrt stellten die Standards der ECSS (European Cooperation for Space Standardization) dar. Dabei handelt es sich um ein europäisches, international anerkanntes Regelwerk, welches die Qualität und Sicherheit von Raumfahrtprogrammen verbessert und Risiken reduziert. Auf Systemebene wurden aus der ECSS die missionsspezifischen Anforderungen zusammengestellt und angepasst. Viele dieser System-Anforderungen gelten auch für das Fahrwerk als Subsystem. Fahrwerksspezifische Anforderungen wurden ergänzt, und – wo sinnvoll – ebenfalls aus der ECSS abgeleitet.
Eine weitere Quelle für Anforderungen war die Analyse der kompletten „Reise“ des ganzen Rovers: zunächst ein langer Abschnitt auf der Erde, bis der Rover komplett integriert ist. Darauf folgen der Start mit der H3 Rakete der JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) und die Orbit-Phase, bevor die Reise weiter in Richtung Mars führt. Schließlich landet der Rover auf dem Marsmond Phobos und erkundet nach der automatischen Inbetriebnahme dessen Oberfläche.
Während dieser Reise ist das Fahrwerk einigen Belastungen ausgesetzt:
- Tests auf der Erde
- starke Vibrationen und Hitze beim Start der Rakete
- heiße und kalte Phasen sowie Belastung durch Strahlung während des Flugs zum Phobos
- Aufprall auf Phobos bei der Landung
- heiße und kalte Phasen sowie Belastung durch Strahlung auf Phobos selbst
Diese Belastungen wurden erfasst, entsprechende Anforderungen an das Fahrwerk wurden daraus abgeleitet und mussten bei der Entwicklung des Fahrwerks berücksichtigt werden. Auch aus den Schnittstellen zu und dem Zusammenspiel mit anderen Komponenten im Rover ergaben sich Anforderungen an das Fahrwerk. Dies bedeutet, dass neben grundsätzlichen technischen Regelwerken weitere über 120 missionsspezifische Einzelanforderungen zu erfüllen waren.
Jede Schraube zählt
Sogenannte System Requirements sind unter anderem Anforderungen aus der Qualitäts- und Produktsicherung an Prozesse, Verwendung von bestimmten Produkten und Materialien, Dokumentation, Herstellung und das Testen selbst. Ein kritischer Faktor war die Vermeidung bestimmter Materialien. Unter Vakuumbedingungen bzw. durch die Strahlung können diese Materialien zerstört werden oder sie können andere Komponenten durch Ausgasungen in der Funktion stark beeinträchtigen. Ein Beispiel hierfür sind Klebstoffe.
Außerdem musste das zulässige Maximalgewicht des Rovers – und somit auch der Anteil des Fahrwerks am Gesamtgewicht – beachtet werden. Das festgelegte Gewicht des Fahrwerks musste bis auf einzelne Bauteile, zum Beispiel Schrauben, heruntergebrochen werden.
Verifikation aller Mindestanforderungen an das Fahrwerk
Ob das Fahrwerk die Anforderungen erfüllt, wurde von Anfang an durch Analyse oder Design-Reviews verifiziert und in Tests einzelner Komponenten sowie sogenannten Qualifikations- und Akzeptanztests des kompletten Fahrwerks überprüft. Für die Qualifikationstests wurde ein Qualifikationsmodell des Fahrwerks gebaut, welches den auf der Reise zu erwartenden hohen Belastungen ausgesetzt wurde. Die Akzeptanztests wurden am Flugmodell selbst durchgeführt, also mit der Hardware, welche die lange Reise tatsächlich antreten wird. Um diese Hardware nicht schon vor der Reise unnötig stark zu beanspruchen, wurde diese geringeren Belastungen ausgesetzt, als auf der Reise wirklich zu erwarten sind. Da Qualifikations- und Flugmodell annähernd baugleich sind, kann man davon ausgehen, dass das Flugmodell ebenfalls alle Anforderungen erfüllt.
Laut ECSS-Standard und passend zur Missionsanalyse wurden die Modelle Vibrationen, Aufprall-Shocks sowie heißen und kalten Temperaturen (Thermal Cycling) ausgesetzt. Danach wurde die Leistung getestet. Um sicherzugehen, dass das Fahrwerk über die komplette Dauer der Mission funktionieren wird, wurden außerdem am Qualifikationsmodell Tests durchgeführt, die im Schnelldurchlauf die komplette Missionsdauer auf Phobos simulieren (Life-Tests). Am Flugmodell wurden entsprechend weniger Tests durchgeführt.
Um das Qualifikations- und Flugmodell den entsprechenden Belastungen aussetzen zu können, wurde die Hardware beispielsweise für die Thermal Cycling Tests in eine Thermal-Vakuum-Kammer eingeschlossen. Unter Vakuumbedingungen wurde dann mehrmals auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt und abgekühlt.
Vor und nach Tests wurden zusätzliche Inspektionen, Reviews und Funktionstests durchgeführt. Dadurch wurde ein gemeinsames Verständnis der Testziele, der Testanforderungen, der im Test verwendeten Mess- und Prüfmittel sowie des Testaufbaus zwischen allen beteiligten DLR-Instituten und externen Partnern sichergestellt. Bei Abweichungen wurden mögliche Ursachen schnell identifiziert und behoben beziehungsweise Risiken der Projektleitung gegenüber zur Bewertung kommuniziert.
Kontinuierliche Verbesserung im Projektverlauf
Abweichungen von Anforderungen und nicht bestandene Tests wurden in Form von sogenannten Non-Conformance-Reports dokumentiert und nachverfolgt. Für die Abweichungen mussten Lösungen gefunden werden, welche ein möglichst geringes Missionsrisiko bergen. Dies führte dazu, dass entweder die betroffenen Komponenten überarbeitet, Risiken (neu) bewertet oder notfalls die Anforderungen nochmals geprüft und auch angepasst wurden. Die Summe aller Maßnahmen sorgt dafür, dass das DLR Robotik und Mechatronik Zentrum ein Fahrwerk bereitstellt, welches sicher zu einem Gelingen der MMX-Mission beitragen wird.