Science Laboratory > MSL - Landeprozedur

Die Landeprozedur ist eine Premiere. Erstmals wird wegen der großen Masse des Landers kein Airbag benutzt und auch kein Raketenmotor allein den Lander auf den Boden bringen. Stattdessen wird der Rover in seiner letzten Landephase von einem "Sky Crane" genannten Abstiegsraumschiff sanft per Seil direkt auf seinen Rädern auf der Marsoberfläche abgesetzt. Die Landeprozedur ist hier von den Betreibern beschrieben, im Folgenden ist die entsprechende deutsche Bearbeitung zum Ablauf der Landung angegeben:

Schritt 1: Beginn der Vorbereitungen
Das Deep Space Network der NASA wird beginnend 45 Tage vor dem Atmosphäreneintritt des MSL im Sommer des Jahres 2012 mit seiner 34 Meter-Antenne die Raumschiffparameter rund um die Uhr überwachen. 4 Tage vor dem Eintritt wird auf die 79 m-Antenne des DSN umgeschaltet. Zehn Minuten vor Einnahme der Eintrittsorientierung (Hitzeschild voraus) wird die schnelle X-Band Kommunikation mit der Erde, die über die schon im Orbit befindlichen Raumschiffe abläuft, unterbrochen. Ab jetzt kommuniziert MSL direkt mit der Erde ohne Relay über seine ungerichtete Low-Gain-Antenne. Diese Kommunikation funktioniert auch ohne genau auf die Erde ausgerichtete Hauptantenne bei allen weiteren Manövern des Raumschiffes.   

Schritt 2: Drehung des Raumschiffes in Landeposition und Abschaltung der Cruise-Stufe
MSL ändert seine Orientierung im Raum, das Raumschiff fliegt ab jetzt mit dem Schutzschild voran. Die inneren Systeme des Landeschiffes werden aktiviert und  autark  geschaltet. Die Cruise-Stufe, die den Lander bisher mit Energie und Kommunikation versorgt hat, wird deaktiviert.





Schritt 3: Beginn der Übertragung der Statustöne und Einrichtung des Funkrelays mit den im Orbit befindlichen Orbitern
Das Raumschiff beginnt mit der Übertragung von Statustönen, die den Kontrolleuren auf der Erde mitteilen, was genau mit ihm passiert. Eine Low Gain Antenne an der Backshell von MSL überträgt diese Statustöne (simple Frequenzbeeps), die genau Auskunft über die einzelnen Schritte während der Landung geben. Die Aktivierung und Funktionsfähigkeit der Roversysteme wird ein letztes Mal gecheckt. Während der Landung ist keine Kommunikation mit der Erde über die simplen Statustöne hinaus möglich. Erst nach der Landung auf dem Mars nimmt der Rover seinerseits Kontakt mit der Erde auf.

Schritt 4: Abtrennung der Cruise-Stufe
Nach dem Start der Übertragung der Statustöne wird die Cruise-Stufe vom Lander abgetrennt. Dies geschieht 10 Minuten vor Atmosphäreneintritt. Es gibt keinen klar vom Weltraum abgegrenzten Rand der Atmosphäre. Er wird willkührlich auf 131 km Höhe definiert. Ab jetzt braucht der Lander seine eigene Energieversorgung, die Solarzellen für die Stromversorgung und die Flugphasen-Kommunikationseinrichtungen gehen mit der Cruise-Stufe verloren. Sie  wird in der Marsatmosphäre verglühen. Das MEDLI-Programm (Mars Science Laboratory Entry Descent and Landing Instrument) beginnt mit seiner Arbeit. Es registriert Daten der Atmosphäre und mißt die Wirksamkeit des Hitzeschildes für zukünftige Landungen. Ab jetzt beginnt die kritische Phase der Landung. DIe Navigationsdüsen stoppen die Spinstabilisierung des Raumschiffes. Neun Minuten vor Eintritt dreht sich das Raumschiff und fliegt ab jetzt mit dem Hitzeschild voran. Zwei je 75 kg schwere Ausgleichsgewichte werden abgesprengt, die Cruise Balance Mass Devices. Dadurch wird der Masseschwerpunkt des Raumschiffes von der zentralen Drehachsenrichtung so weg verlagert, dass eine Gleitzahl > 0 resultiert und es quasi wie ein Flugzeug in der Atmosphäre segeln kann und damit steuerbar wird ("guided entry"). Dadurch können unvorhersagbare Dichteschwankungen in der Atmosphäre ausgeglichen werden.   Das Raumschiff tritt frontal in die Marsatmosphäre ein. In nur 7 Minuten wird seine Geschwindigkeit von etwa 55.000 km/h auf Null abgebremst und weich auf dem Mars gelandet. Diese 7 Minuten sind die aufreibensten Minuten während der gesamten Landung. Hier wird entschieden, ob die Berechnungen und die programmierten Einzelschritte des Landeverfahrens korrekt waren oder nicht. Direkt nach dem Eintritt zwingen Navigationstriebwerke in der Backshell das Raumschiff zu kleinen S-Kurven, um die Horizontalentfernung zum Ziel möglichst klein zu halten. Dabei regelt der Navigationscomputer Anzahl und Größe dieser S-Kurven, um eine Unter- oder Übersteuerung des Zieles zu verhindern. Außerdem gleicht er Windeffekte aus, und hält das Ziel genau im Auge. Dabei dient das Trägheitsnavigationssystem mit seinen Gyroskopen als Gradmesser für jegliche Abweichungen vom Idealkurs.

Schritt 5: Eintritt des Mars Science Laboratory in die Atmosphäre
Das Raumschiff tritt mit 55.000 km/h Geschwindigkeit in die Atmosphäre ein und wird durch Reibung abgebremst. Dabei erhitzt sich der Hitzeschild im Mittel auf etwa 1500°C und muss das Innere des Raumschiffes dabei auf Raumtemperatur halten, um den Rover nicht zu beschädigen. Darüberhinaus erfüllt der Hitzeschild aerodynamisch die Funktion einer ersten Bremse. Er hält das Raumschiff zusammen mit den Navigationstriebwerken in korrekter Ausrichtung, immer mit dem Hitzeschild genau voraus. Ein Fallschirm wird zu dieser Zeit noch nicht benutzt, die Bremsung erfolgt allein durch Luftreibung. Die Maximalverzögerung durch Atmosphärenreibung findet etwa 90s nach Eintritt statt. Der Hitzeschild erhitzt sich dabei kurzzeitig auf 2100°C.  Die Dauer dieser Phase ist unbestimmt und wird durch die Guided-Entry Technologie autonom vom Raumschiffcomputer gesteuert. Er klinkt dabei erst im letzten Abschnitt der 'heissen' Eintrittsphase den Überschallfallschirm aus. Vorher werden noch nur wenige Sekunden vor Freisetzung des Überschallfallschirms sechs aus Wolfram bestehende Gewichte von je 25 kg Masse abgesprengt ("Entry Balance Mass Devices"), wodurch der Masseschwerpunkt des Raumschiffes für den fallschirmgesteuerten Abstieg wieder zurück ins Raumschiffszentrum verlagert wird. Der Fallschirm wird etwa 225s nach Atmosphäreneintritt  in einer Höhe von etwa 11 km bei einer Geschwindigkeit von 405m/s aus der Backshell freigesetzt. Er befindet sich in der konischen Ausbuchtung an der Spitze der Backshell, ist 50 m lang und mißt entfaltet 16 m im Durchmesser. Der Großteil des Materials ist Nylon, die mechanisch stark beanspruchten Teile nahe des Aulaßventils bestehen aus schwerem Polyester. Der Überschallfallschirm ist spezifiziert bis zu einer Geschwindigkeit von Mach 2.2 in der Marsatmosphäre und kann Kräften bis zu 65.000 pounds widerstehen. Er enthält außerdem eine UHF Antenne, über die er mit den Marsorbitern während der Landung kommuniziert.

Der Benutzer "kwan3218" zeigt in seinem YouTube Channel die Simulation der Landung von Curiosity vom Beginn des Atmosphäreneintritts bis kurz vor der Öffnung des Überschallfallschirms. Er bezieht sich dabei auf originale NASA-Daten über Position und Geschwindigkeit:

Simulation des Atmosphäreneintritts von Mars Science Laboratory: grün, rot, blau: X,Y,Z-Achse des Raumschiffes, grau: Flugrichtung mit der Landeellipse im Hintergrund, lila: Richtung zur Erde, gelb: Richtung und Stärke der Verzögerung. Das Stück des Landegebietes auf dem Mars im Hintergrund sind die aktuellen Topographiedaten des MGS Laser Altimeters ohne vertikale Überhöhung. Die Flammen sind dargestellt proportional zur Bremsbeschleunigung durch die Mars-Atmopshäre.
Curiosity tritt mit Mach 32 in die Atmosphäre ein und wird durch Reibung bis auf Mach 2 abgebremst. Danach öffnet sich der Überschall-Bremsfallschirm für die weitere Verzögerung.
Interessant ist, dass die Richtung der Bremsbeschleunigung (gelb) und die Z-Ache des Raumschiffes (blau) nicht deckungsgleich sind, d.h. der Schwerpunkt des Raumschiffes liegt leicht außerhalb der Rotationsache und damit ist die Gleitzahl ungleich Null ! Dies bedeutet, Curiosity nutzt die Marsatmosphäre für einen aerodynamischen Flug genau wie ein Segelflugzeug.

Schritt 6: Abtrennung des Hitzeschilds, Beginn des fallschirmgesteuerten Abstieg
Etwa 24s später wird der Hitzeschild in einer Höhe von etwa 8 km bei einer Geschwindigkeit von 125m/s abgesprengt. Dadurch liegt der Rover mit seiner Unterseite und seinen sechs Rädern frei. Das MARDI, der Mars Descent Imager, eine Videokamera, beginnt mit seiner Arbeit. Es filmt mit 5 Bildern pro Sekunde den weiteren Abstieg in Farbe. Das am Skycrane montierte Terminal Descent Sensor-Radar nimmt seine Arbeit auf und mißt den Bodenabstand und Geschwindigkeit.  Der Überschallfallschirm profitiert von den Erfahrungen der bisherigen Marslandungen. Er verlangsamt das Raumschif auf Unterschallgeschwindigkeit und damit beginnt jetzt die Phase des fallschirmgesteuerten Abstiegs. Dabei sinkt die Abstiegsgeschwindigkeit immer weiter.

Schritt 7: Beginn der raketengesteuerten Abstiegsphase
In etwa 1.5 km Höhe, getriggert durch entsprechende Höhensensoren, wird der Fallschirm mitsamt der Backshell etwa 80s nach Absprengung des Hitzeschildes ebenfalls abgetrennt und die 8 Raketenmotoren der Abstiegsstufe (der sogenannte "sky crane") aktiviert. Dieser steuert aktiv über die Marsoberfläche und sucht einen optimalen Landeplatz für den Rover. Dabei wird die Abstiegsgeschwindigkeit weiter bis auf 0.75m/s  verlangsamt, bis schliesslich nur noch 4 Raketenmotoren gebraucht werden. Der Abstieg wird bis in eine Höhe von 20 m über Grund mit dieser Geschwindigkeit fortgesetzt.

Schritt 8: Abstiegskamera (MARDI)
Während des raketengesteuerten Abstieges fotografiert die MARDI-Kamera ("Mars Descent Imager") die Planetenoberfläche mit 5 Bildern pro Sekunde und bestimmt damit die Horizontalgeschwindigkeit und -richtung des Raumschiffes. Die Abstiegsmotoren kompensieren diese innerhalb der nächsten paar Sekunden, während sie außerdem weiter die Abstiegsgeschwindigkeit des Raumschiffes kontrollieren. MARDI filmt dabei "in Farbe" und es wird automatisch ein passabler Landeplatz für den Rover bestimmt. Dies geschieht völlig autonom gesteuert durch die Computer des Raumschiffes. Natürlich werden diese Bilder später dazu benutzt, die genaue Position des Raumschiffes auf dem Mars zu ermitteln. MSL wird, anders als alle seine Vorgänger, in der Lage sein, seinen Landeplatz auf 20 km genau zu treffen, d.h. die Landeellipse ist sehr klein. Dies ist für spätere Missionen, z.B. auch für die Landung von Menschen auf dem Mars, extrem wichtig, denn die Raumfahrer müssen in der Nähe ihrer Versorgungseinrichtungen abgesetzt werden können. Da macht sich ein späterer Fußmarsch von 100 km oder mehr wegen mangelhafter Landegenauigkeit nicht so gut.   

Schritt 9: seilgestütztes Absetzen des Rovers
Etwa 12s vor dem Touchdown, beginnend in einer Höhe von circa 20m über der Marsoberfläche, läßt der "Himmelskran" den Rover langsam innerhalb von etwa 8 Sekunden an mehreren Nylonseilen hängend auf die Marsoberfläche hinab. Dabei behält er seine Sinkgeschwindigkeit von 0.75m/s bei. Eine Premiere ! Der Rover aktiviert seine 6 Räder und wird direkt auf ihnen sanft auf der Oberfläche abgesetzt. Also kein Lander, von dem heruntergerollt werden muss oder Ähnliches.



Schritt 10: Kappen der Hängeseile
Nachdem der Rover dem "Sky Crane" die Bodenberührung mitgeteilt hat, kappt dieser in einer Höhe von etwa 3-5m über Grund die Seile und entläßt den Rover aus seiner Obhut. MSL ist auf dem Mars ! 



 
 
 
Schritt 11: Abflug des "Sky Crane"
Nach dem Absetzen des Rovers mit seiner wissenschaftlichen Ausrüstung wird der "Sky Crane" noch einmal für einige wenige Sekunden Vollschub auf seine 4 Raketenmotoren geben und sich mit einer 45°-Neigung vom Rover entfernen. Er wird dann in einer Entfernung zwischen 150 und 500 m vom Landefahrzeug hart auf dem Marsboden aufschlagen und seine weiteren Tätigkeiten einstellen, um den Rover nicht zu gefährden.  Alles in allem ein bisher einmaliges Landeverfahren !  



Hier noch einmal das ganze Landeverfahren in bildlicher Darstellung:
 
Entry and Descent 1
Abb. 1: schematische Ansicht der Schritte vor Atmosphäreneintritt
Schema der Landung
Abb. 2: schematische Ansicht der Schritte nach Atmosphäreneintritt
 
Dieses Video (Länge: 11:20 min) gibt eine Vorstellung davon, wie die Landung abläuft und was MSL nach seiner Landung auf dem Mars so anstellen wird. Es zeigt außerdem eine Übersicht über den Ablauf der Experimente an Bord des Rovers:
 

 

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