Wie schwierig ist eine Landung auf dem Mars oder anderen Himmelskörpern mit Atmosphäre?

Ich greife mal die Frage im letzten Blog auf. Ist es so schwer auf Himmelskörpern zu landen über die man nicht viel weiß? Nun wenn man in die Geschichte blickt, dann landeten Viking 1+2 und Huygens als man noch kaum etwas über die Atmosphären der Himmelskörper wusste. Beide Sonden waren erfolgreich. Doch man kann auch die Veneras als Gegenbeispiel anführen. Zeit dem also auf den Grund zu gehen.

Fangen wir mit dem ersten an: Dem Atmosphäreneintritt. Die erste Phase unterscheidet sich bei allen Planeten kaum: Die Hochatmosphäre ist extrem dünn, bremst aber einen aerodynamischen Körper auf mehrfache Schallgeschwindigkeit ab, lange bevor er in den dichten Teil vorstößt. Mars, Erde und Venus unterscheiden sich nur in der Höhe in der dies erfolgt. Hat man also einen Hitzeschutzschild für die Landung auf der Erde entwickelt, kann man ihn auf dem Mars einsetzen und einen für die Rückkehr vom Mond taugt für die Venus. In beiden Fällen sind die Geschwindigkeiten vergleichbar. Im Zweifelsfall dimensioniert man das Ablativ abgetragene Material einfach großzügiger. Mit einem soclehn Schild konnte man schon den Eintritt der Galileo Sonde in die Jupiteratmosphäre meistern und die traf mit 48 km/s auf die Atmosphäre!

Jeder Körper wird dann abgebremst bis auf eine konstante Geschwindigkeit. Sie ist von der Dichte der Atmosphäre abhängig. Aerodynamische Körper erreichen auf der Erde maximal 800 km/h beim Fallen. Auf dem Mars sind es wegen der niedrigen Atmosphärendichte (in etwa so hoch wie in 30 km bei der Erde) rund Mach 2 (dies wären auf der Erde rund 2400 km/h). Bei der Venus ist die Atmosphäre so dicht, dass man ohne Fallschirm nicht langsamer fällt als auf der Erde mit.  Dazwischen liegt der Titan.

Was nun kommt ist eine einfache Kalkulation: Mit einem Radar kann man Höhe und Geschwindigkeit bestimmen. Unterschreitet man die Geschwindigkeit bei der der Fallschirm entfaltet werden kann, dann wird er entfaltet. Erreicht man eine vorgegebene Höhe dann wirft man ihn ab und zündet die Triebwerke um die Restgeschwindigkeit zu vernichten. Es gibt verschiedene Strategien. Die einfachste ist es die den Fallschirm relativ oberflächennah abzuwerfen und dann den Schub so zu regeln, dass man mit konstanter Geschwindigkeit sinkt. So landete Viking. Mit genügend Treibstoff kein Problem und auch das MSL hatte genug Reserven: 140,9 kg waren noch an Treibstoff vorhanden als der Rover aufsetzte.

Diese Strategie ist nicht so neu. So ähnlich landete auch Surveyor auf dem Mond: Ein Feststofftriebwerk zündete in bestimmter Höhe, reduzierte die Fallgeschwindigkeit stark bis auf einen kleinen Rest der kurz über der Oberfläche erreicht war und dann zündeten die Triebwerke mit flüssigem Treibstoff und die Sonde fiel mit konstanter Geschwindigkeit. Den häufigsten Fehler die Spieler bei „Moon Lander“ begehen, ist der, dass sie zu früh steuern – erst kurz vor dem Aufsetzen darf man eingreifen.

Doch warum brauchten die Sowjets drei Versuche, bis mit Venera 7 die erste Raumsonde bis zum Boden gelangte? Weil Russland nicht US-Daten von Mariner 2+5 glaubte und die Raumsonden nicht für den erwarteten Bodendruck auslegte. Sie wurden bei rund 20-25 Bar zerquetscht. Erst Venera 7 gelangte zum Boden und sie fiel obwohl ihr Fallschirm wieder zusammenfiel recht langsam. So verzichtete man bei den folgenden Missionen  auf dem Fallschirm und warf ihn in mittlerer Höhe ab – die dichte Atmosphäre der Venus hat eher eine Ähnlichkeit mit einer Flüssigkeit als mit Gasen und in einer Flüssigkeit braucht man keinen Fallschirm.

Das ganze ist beherrschbar und auch berechenbar. Was nicht heißt dass nicht Dinge schiefgehen können. Bei Tests der Fallschirme der letzten Marssonden kam es zum Verheddern von Leinen oder bei den MER platzten die Airbags bei Tests als sie gezündet wurden. Aber dafür testet man ja alles. Oder auch nicht wie der Verlust des Mars Polar Landers zeigte, als man vergaß einen Sensor zu testen der beim Ausfahren der Landebeine, ein „Boden berührt“ Signal abgab, solange bis die vom Ausfahren induzierte Schwingung sich beruhigt hatte. Als folge schaltete der MPL seine Triebwerke beim Entfalten der Landebeine in 80 m Höhe ab und fiel dann die Strecke auf den Boden.

Was war nun an Curiosity das besondere? Nun zum einen die Fähigkeit aktiv durch die Atmosphäre zu steuern indem man den Auftrieb steuert (durch Verlagerung von Gewichten in der Decent Stage). Einen Eintrittskorridor genau zu treffen ist heute schon möglich. Bei Spirit betrug die Abweichung nur 300 m, trotzdem landete er 9,8 km vom Zielpunkt entfernt. Das zweite war das Abseilen von der Decent Stage. Für diese ist die Landung nicht anders als wie bisher: Ab einer bestimmten Höhe sinkt sie nur noch mit konstant 0,75 m/s. Nur ist vorher der Lander heruntergelassen worden. Die Seile dürfen nicht zu sehr schwingen, weswegen die horizontale Drift sehr klein sein muss. Dazu setzte die Decent Stage ein RADAR mit 6 Strahlen ein um genauer Höhe, horizontale und vertikale Geschwindigkeit zu bestimmen. Das wurde vorher mit einem Kampflugzeug (Betrieb in großer Höhe und Geschwindigkeit) und einem Helikopter (Betrieb nahe des Bodens bei niedriger Geschwindigkeit) getestet.

Und wie man sah klappte auch alles. Curiosity landete wie geplant mit einem neuen Rekord an Landegenauigkeit (weniger als 2,24 km Abweichung vom Soll), Geschwindigkeit (0,67 m/s, vorher minimal 2,4 m/s). Das Geheimnis: Testen, Testen, Testen. Das hat man getan, während man vor 15 Jahren dass noch für ein kostensteigerndes Luxusgut ansah. Doch nachdem das Discovery Programm zwar „cheaper and faster“ war, aber nicht „better“ (es gingen dann doch viele Raumsonden verloren oder fielen wie DS-1 und Deep Space 1 aus, wenn’s interessant wurde) ist man zur teureren Vorgehensweise zurückgekehrt.

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