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Dieser Artikel informiert über den Mars Hubschrauber der Mars 2020
Mission und ist ein Teil einer kleinen Artikelserie über die Mars 2020
Mission der NASA. Andere Artikel behandeln die Mission als Ganzes, den
Aufbau des Rovers, seine wissenschaftlichen Experimente und die geplante
Mission.
Nachdem bei der letzten Landemission, dem Insight-Lander als technologische Experimentalmission die beiden MarCo-Cubesats mitgeführt wurden, ist auch diesmal wieder ein Technologieexperiment dabei. Es ist aber ein teures Experiment, denn der Helikopter kostet 80 Millionen Dollar, dazu kommen noch 5 Millionen für den Betrieb. Wie der Rover wurde auch der Helikopter benannt, und zwar in „Ingenuity“ (Einfaltreichtum). Die Hauptherausforderung für den Bau des Helikopters ist der atmosphärische Druck: Beim Mars hat man, da es keinen Meeresspiegel gibt den Tripelpunkt von Wasser als „Normal-Null“ genommen. Dies entspricht einem Druck von 6,1 hPa, also einem 1/167 des irdischen Luftdrucks auf Meereshöhe oder in etwa der Druck in einer Höhe von über 31 km bei der Erde. Der Landeplatz, der Jezero Krater liegt zwar wie die meisten Landeplätze von Marssonden tiefer, etwa 2 km unter Normalnull, doch dies ändert nicht sehr viel am Druck. Selbst an den tiefsten Stellen auf den Mars erreicht er maximal 10 hPa. Irdische Hubschrauber haben eine Gipfelhöhe von unter 7 km, da der Antrieb für den Auftrieb sorgen muss und das wird um so schwieriger je dünner die Luft ist.
Der Helikopter steht in keinem Zusammenhang zur Rovermission, unterstützt diese also auch nicht wissenschaftlich. Vielmehr soll er die Technologie erproben, mit der dann zukünftige Missionen einen besseren Überblick haben sollen. So verfügt er auch über eine eigene Energieversorgung durch Solarzellen die Batterien aufladen – technisch einfacher wäre es sicherlich gewesen, ihn bei der kurzen Flugstrecke über ein Kabel mit Perversance zu verbinden, über das er den Strom beziehen könnte und Daten übermitteln – das spart das Gewicht für Solarzellen, Batterien und einen eigenen Bordcomputer ein. Dieser stellte wegen des geringen Gewichts ebenfalls eine Herausforderung dar.
Ob der Helikopter auf dem Mars funktioniert ist beim Start offen, denn die Marsbedingungen und das finale Design sind nicht einfach in einem irdischen Labor nachzustellen. Zwar hat das Ames Research Center einen Prototyp in einer 25 m durchmessenden Vakuumkammer getestet, die mit Kohlendioxid unter 9,3 hPa Druck gefüllt war. Aber dieser Prototyp war erheblich leichter, weil die Erdgravitation natürlich viel größer als die des Mars (39 % der Erdgravitation) war. Die gesamte Stromversorgung erfolgte zudem durch ein Kabel. Er wog so nur 850 anstatt 1.800 g. Der Durchmesser des Rotors war aber mit 1,21 m identisch. Ein weiterer abweichender Punkt war, dass die Temperatur auf dem Mars, die auch die Mach-Zahl beeinflusst, nicht erreicht werden konnte, der Test fand so bei +20 anstatt -50 Grad Celsius statt. Auch ob Batterien, Avionik und alle anderen Teile mit diesen Temperaturen zurechtkommen, konnte so nicht getestet werden. Dieser Hubschrauber erreichte beim Aufstieg eine Geschwindigkeit von 1 m/s, beim Landen eine von 0,5 m/s und konnte 30 s lang stabil durch leichtes Kreisen sich in 2 m Höhe halten.
Das restliche Verhalten des Hubschraubers wurde vor allem durch Simulationssoftware ermittelt. Die Mission gilt daher als Testflug. Entwickelt wurde der Helikopter von 2014 bis 2019.
Es handelt sich um einen Helikopter keine Drohne – eine Drohne hat mehrere Rotoren, mit denen man sehr viel besser navigieren kann. Es fehlt selbst der bei irdischen Hubschraubern weit verbreitete Heckrotor, der das Drehmoment des Hauptantriebs kompensiert. Dies wird dagegen durch zwei gegenläufige Hauptrotoren erreicht, eine Technologie, welche auch die ersten Helicopterprototypen einsetzten.
AvionikTrotz seines geringen Gewichts schlägt die Leistungsfähigkeit der Avionik von Ingenuity die des Rovers um Längen. Sie wurde um den Schnapdragon 801 Prozessor herum entworfen, der auch in zahlreichen Handymodellen und einigen Tabletts verbaut wird und 2014 erschien. Bekannte Smartphones mit diesem Prozessor waren zum Beispiel, das Sony Xperia Z3, das Samsung Galaxy S5 und LG G3.
Mit 2,26 GHz ist er zehnmal höher getaktet als der BAE 750 des Rovers. Er verfugt über 2 GB RAM und 32 GB Flash-Speicher. Die Verbindung mit der Außenwelt geschieht über einen UART, SPI und GPIO Pins. Angeschlossen ist eine Kamera mit allerdings nur 4.000 Pixeln in Farbe und einer Kamera in VGA-Auflösung in Schwarz-Weiß. Dieser Prozessor ist für die visuelle Navigation mittels Geschwindigkeitsabschätzung über die Kamerabilder, Datenübertragung über Funk, Datenverarbeitung und Kommandoempfang zuständig.
Über die UART-Schnittstelle sind zwei Mikrocontroller vom Typ a TMS570LC43x angeschlossen. Beide arbeiten dasselbe Programm ab, aktiv ist jedoch immer nur einer. Bei einer Störung kann während des Betriebs auf den anderen umgeschaltet werden. Diese Mikrocontroller, beides VLIW-32 Bit Mikrocontroller mit 4 MB Flash-Speicher, 512 KB RAM und 300 MHz Takt, steuern den Rotor, sodass der Helikopter stabil fliegt. Sie werten dafür die Sensordaten aus.
Ergänzt werden die Prozessoren durch ein FPGA-Board. FPGA sind reprogrammierbare Bausteine aus Tausenden von Logikzellen, deren Verbindung zueinander durch das Programm festgelegt wird. In ihnen kann man praktisch einen Algorithmus in Hardware gießen. Das FPGA ist für mehrere Aufgaben zuständig. So ist es sicherheitskritisch und wechselt z. B. den Mikrocontroller bei Feststellen einer Fehlfunktion aus. Ebenso empfängt es die meisten Daten von den Sensoren und verarbeitet diese, um die Motoren zu steuern, aber reicht sie auch an die anderen Prozessoren weiter. Daneben fließen fast alle Daten über das FPGA, das als Schnittstelle zwischen den anderen Prozessoren fungiert. 25 Schnittstellen verbinden die 8 Motoren, Batterien und Analog-Digital Converter mit dem FPGA.
Das FPGA steuert die Motorleistung und schaltet die anderen Komponenten nach Bedarf an und aus. Es ist auch die zentrale Instanz der Fehlererkennung und Reaktion auf diese. Das FPGA besteht aus „military Grade“ ProASIC3 FPGA, eine Serie von Microchip mit 15.000 bis 1 Million Gattern. Angeschlossen sind zwei ARM Cortex A-5F Prozessoren mit zwei Kernen.
Eingesetzt wird auf dem Mars ein Standardverfahren für drahtlose Netze von Messsensoren nach dem IEEE 802.15.4 Standard. Konkret wird die Zig-Bee Implementierung genutzt. Gesendet wird mit 0,75 Watt bei einer Frequenz von 900 MHz. Eine Distanz von bis zu 1.000 m zum Rover soll überbrückt werden. Es handelt sich um ein handelsübliches System, das nicht für die Raumfahrt konstruiert wurde. Besondere Sorgfalt wurde darauf gelegt, dass es bei -15°C noch arbeitet und diese Temperatur auch gewährleistet werden kann. Das System benötigt maximal 3 Watt beim Senden und 0,15 Watt beim Empfangen. Es sind zwei Modi vorgesehen. Wenn der Hubschrauber fliegt, überträgt er nur Daten. Die Datenrate kann dann maximal 250 kbit ohne und 200 kBit/s mit Protokoll-Overhead betragen. Sobald er gelandet ist, wechselt er in den bidirektionalen Modus, indem er auch Kommandos empfängt. Die Datenrate beträgt dann nur noch 20 / 10 kbit/s. Der Rover empfängt die Daten, speichert sie zwischen und überträgt sie mit seinem Datenstrom über die Mars Orbiter MAVEN und MRO zur Erde.
Wie beim Hauptprozessor, den man auch in einem Smartphone vorfinden kann,
werden als Sensoren Produkte verwendet, die off-the shelf sind, also im
allgemeinen Einsatz:
Die Trägheitsnavigation, also in welcher Lage befindet sich der Helikopter, liefert ein Bosch Sensortec BMI-160, wie er auch in Handys zum Einsatz kommt.
Das LIDAR für die Distanzmessung stammt von Garmin (Lidar Lite-V3)
Die Navigationskamera besteht aus einer Omnivision OV7251 Kamera, einer VGA-Kamera (640 x 480 Pixel) die bis zu 10 Frames/s machen kann. Sie ist eine Weitwinkelkamera die ein 133 x 100 Grad großes Blickfeld mit einer Auflösung von 3,6 mrad/Pixel (3,6 cm aus 10 m Entfernung) abbildet.
Die Return to Earth (RTE) Kamera macht höher aufgelöste Bilder, die aber nicht für die Navigation ausgewertet werden, sondern über die Funkverbindung als „wissenschaftliche Bilder“ zur Missionskontrolle übertragen werden. Kernstück ist ein 13 MP Sensor (4.208 x 3.120 Pixel) Sony IMX 214 mit einem Gesichtsfeld von 47 x 47 Grad und einer Auflösung von 0,26 mrad (2,6 mm aus 10 m Distanz).
Die Navigationskamera schaut direkt auf den Fußpunkt, also senkrecht nach unten. Die RTE dagegen um 22 Grad nach vorne geneigt, sodass sich die Gesichtsfelder beider Kameras um 30 x 47 Grad überlappen.
Der Auftrieb wie auch die Seitwärtsbewegung wird durch zwei Rotorblätter gesteuert die um 17 % des Durchmessers in der Höhe getrennt sind. Jeder Rotor hat eine feste Drehgeschwindigkeit von 2600 U/min. Die Neigung des Gefährts und damit die Steuerung der horizontalen Bewegung, erfolgt durch Schrägstellen einer Taumelscheibe über den Rotorblättern. Dies ist um bis zu 22 % möglich (-4,5 bis +17,5 Grad) und die Position der Taumelscheibe kann um 10 Grad zyklisch gedreht werden. Jeder Rotor hat drei Elektromotoren des Typs DCX10 von Maxon zum Verstellen der Achse. Dazu kommt noch ein Antriebsmotor für den Rotor selbst.
Die NASA betont das die Drehzahl viel höher ist als bei den meisten Passagierhubschraubern auf der Erde. Das ist richtig, deren Rotorblätter drehen meist mit 200 bis 400 U/min. allerdings hat das einen Grund: die Spitzen der Rotorblätter müssen eine Umdrehungsgeschwindigkeit erreichen kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist und ein 20 m durchmessender Rotor erreicht schon bei 200 U/min so an der Spitze über 740 km/h. Die Rotoren von Modellhubschraubern die viel kleiner sind, rotieren dagegen viel schneller mit typisch 1.700 U/min und maximal 3.000 U/min, also durchaus in dem Bereich des Mars Helikopters. Deren Rotordurchmesser liegt mit 0,9 m auch in dem Bereich von Ingenuity. Bei 2.600 U/min erreichen die Spitzen der Rotorblätter eine Geschwindigkeit von 593 km/h.
Der gesamte Helikopter wird um einen zentralen Mast herum gebaut, der oben die beiden Rotoren mit den sechs Servomotoren trägt und unten die sechs Batterien und an diesen angebracht die Avionik mit Sensoren und zuletzt die Landebeine. Ganz an der Spitze befindet sich das Solarpanel mit der Sendeantenne in der Mitte.
Ingenuity landet aus vier Landebeinen aus Karbonfasern in Epoxidharz. Sie dämpfen auch den Landeschock ab. Sie sind ausgelegt, um sicher in einer Reihe von möglichen Terrains zu landen, von einer Gesteinswüste bis zu tiefem Sand. Geplant ist, dass der Hubschrauber aus 30 cm Höhe frei fällt. Um eine Destabilisierung durch den Rotor bei der Landung zu reduzieren, wird dieser in dieser Höhe abgestellt. Die Landebeine können eine Schräglage von bis zu 10 Grad bei einem Dreh- oder Neigewinkel bei der Landung von 30 Grad kompensieren. Die Fallgeschwindigkeit darf maximal 2,5 m/s bei einer maximalen seitlichen Geschwindigkeit von 0,5 m/s betragen. 2,5 m/s sind unter Marsbedingungen viel – das entspricht einem freien Fall aus über 4 m Höhe.
Die Stromversorgung besteht aus sechs Lithium-Ionenbatterien des Typs SE US1865o VTC4 Li. Sie wiegen zusammen 273 Gramm. Jede der Batterien hat eine Nominalspannung von 3,6 V und eine Kapazität von 2 Ah. Sie können kontinuierlich 480 Watt und maximal 510 Watt abgeben. Die Spannung liegt zwischen 16 und 21,265 V. Die Gesamtkapazität aller sechs Batterien beträgt am Ende der Mission mindestens 35,75 Wh, 10,63 Wh also 30 % davon werden nicht angetastet und gelten als Reserve. Bei einer Spitzenbelastung von 510 Watt über 20 % der Zeit und einer Nennbelastung von 360 Watt über 80 % der Zeit kann jeder Flug rund 90 Sekunden dauern und 21 Wh an Energie verbrauchen.
Aufgeladen werden die Batterien durch ein Solarmodul mit 680 cm² Fläche (aktiv belegt: 544 cm²) an der Spitze des Helikopters mit Solarzellen mit einer Empfindlichkeit, die angepasst ist an das Spektrum des Sonnenlichts auf der Marsoberfläche. Basierend auf den Daten der Solarpaneele der MER sollte es während eines Marstages 37,6 Wh an Strom liefern.
Eine Herausforderung ist, dass der Hubschrauber sehr klein und leicht ist, aber nicht wie der Rover Perversance über ein aktives Heizungssystem verfügt. Vor allem die Batterie darf nicht unter -15 Grad Celsius auskühlen, sonst würde der Elektrolyt gefrieren. Es werden aber Nachttemperaturen von bis zu -100°C erwartet. Die Avionik umgibt die Batterie, da sie etwas geringere Temperaturen toleriert und sie wird von einem Zwischenraum von 3 cm Dicke umgeben, der mit Kohlendioxid oder Aerogel als Thermalisolation, ähnlich einer Thermoskanne gefüllt ist.
Die Thermalkontrolle während des Tags erfolgt rein passiv, also ohne Heizelemente. Die Temperaturaufnahme durch die Sonnenstrahlung wird durch eine Beschichtung realisiert, die im visuellen Bereich 80 % der Strahlung absorbiert, im Infrarotbereich aber nur 10 % abstrahlt, somit gibt der Hubschrauber weniger Energie ab, als er selbst aufnimmt. Er heizt sich tagsüber auf und kühlt nachts ab.
Nachdem Perversance gelandet ist, wird mit seinen Kameras nach einem
geeigneten Gebiet für das Absetzen des Helikopters gesucht. Eine Vorauswahl
erfolgt durch Aufnahmen des
Mars Reconnaissance
Orbiters des Jezero Kraters. Der Start-/Landeplatz und die unmittelbare
Umgebung müssen für die Sicherheit frei von größeren Steinen sein und dürfen
nur wenige Vertiefungen haben. Es sollte aber trotzdem eine
abwechslungsreiche Oberfläche, also nicht eine plane Sandebene sein, damit
die Softwarealgorithmen besser navigieren sollen. Herausgesucht aus dem
Übungsgebiet wird dann ein Start-/Landeplatz von 10 x 10 m Größe in einem
100 x 100 m großen Feld. Der kleinere Bereich soll frei von Steinen über 5
cm Größe sein, damit der Helikopter sicher landen kann, und im größeren
Bereich sollten keine größeren Hindernisse sein.
Die Absetzung ist für Sol 50 bis 80 geplant, für die Operation des Hubschraubers sind 30 Sols geplant. Der Hubschrauber ist unter dem Bauch von Perversance angebracht. Bis zur Absetzung wird er mit einer Nabelschnur vom Rover mit Strom versorgt und die Avionik kann über Datenleitungen programmiert werden, so wurde am 13.8.2020 die Batterien erstmals auf 35 % des Normallvels geladen.
Angebracht ist er um 90 Grad gedreht, das heißt die Rotorblätter (die dann noch übereinander liegen liegen an der Seite. Für das Absetzen wird erst eine Schutzhülle die ihn vorher vor Steinen oder Staub schützte, schließlich ist er an der Unterseite des Rovers, wo beim Fahren Sand und Geröll aufgewirbelt werden, abgetrennt. Dann wird er um 90 Grad gedreht, sodass die Rotorblätter oben sind. Nun werden die vier Landebeine ausgefahren und zuletzt die Verbindung zum Rover gekappt und der Hubschrauber fällt das letzte Stpck zum Boden. Sobald Perversance zur Seite gefahren ist, kann Ingenuity mit seiner Mission beginnen.
Nach der Aussetzung muss der Helikopter Temperaturen bis -100°C nachts überstehen. Geplant ist ein Start immer um 11 Uhr lokaler Uhrzeit vormittags, bei -50°C. Ingenuity ist ausgelegt für eine Luftdichte von 0,014 bis 0,020 kg/m³, erwartet werden im Jezero-Krater 0,016 bis 0,0175 kg/m³ bei einer maximalen Windgeschwindigkeit von 5 m/s. Es soll während des 30-marstägigen Testzeitraums maximal einen Start pro Tag geben. Er kann bis zu 90 Sekunden dauern und 3 bis 10 m Höhe erreichen.
Es ist zuerst nicht geplant, den einmal ausgewählten Start/Landeplatz zu verlassen und so dem Rover zu folgen. Vielmehr wird der Hubschrauber beim ersten Flug lediglich senkrecht hochsteigen und wieder landen. Beim zweiten Flug sind es dann 5 m zur Seite und beim Dritten wird er 50 m weit fliegen und wieder zum Startplatz zurückkehren.
Bei diesen Flügen werden Aufnahmen gemacht und im Flashspeicher abgelegt, damit sie, selbst wenn durch einen Stromausfall die Avionik ausfällt, später abgerufen werden können. Die Aufnahmen beginnen schon vor dem Start und enden erst nach der Landung. Sie dienen den Ingenieuren, welche die Operation überwachen der Lokalisierung des Helikopters und seines Weges und der Planung der folgenden Flüge. Weiterhin erlauben sie durch Aufnahmen während des Flugs aus unterschiedlichem Blickwinkel und Ort eine stereoskope Erfassung der Oberfläche. Ein Missionsziel ist festzustellen, ob dies von Vorteil für zukünftige Missionen ist. Ab Flug vier sind verschiedene Szenarien möglich, die zunehmend wagemutiger werden. So der Flug über 50 m und landen an einem neuen Landeplatz oder der Flug um bis zu 500 m, wobei dann die Landung in einem nicht vorher bekannten Gebiet erfolgt.
Während der Primärmission von 30 Sols sind fünf Flüge geplant. Der Helikopter verursachte Entwicklungskosten von 80 Millionen Dollar. Sein Betrieb wird weitere 5 Millionen Dollar kosten.
https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Balaram_AIAA2018_0023.pdf
https://mars.nasa.gov/files/mars2020/Mars2020_Helicopter_Fact_Sheet.pdf
https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/ERF2017_final.pdf
https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2020/pdf/2096.pdf
Aufsatz erstellt am 10.8.2020
Aufsatz zum letzten mal editiert: 10.8.2020
Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.
2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.
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