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Mars Polar Lander

Einleitung

Komponenten der Mars 98 SurveynorIm Jahre 1992 wurde das Discovery Programm beschlossen, das sehr viel preiswertere Missionen als bislang zum Ziel hatte. Ein besonderes Ziel war der Mars, der nach den damaligen Planungen bei jedem Startfenster von 1996 bis 2005 von jeweils 2 Sonden besucht werden sollte. Innerhalb dieses Zeitraums wollte die USA mehr Raumsonden zum Mars senden als in den vergangen 30 Jahren zusammen.

Den Auftakt machten 1996 die Sonden Mars Global Surveyor (MGS) und Mars Pathfinder (MPF). Diese waren jedoch Sonderfälle. MGS hatte zum Ziel 5 der 7 Instrumente des 1992 verlorenen Mars Observers zu transportieren. Der MPF dagegen hatte seinen Ursprung in einem technologischen Programm. Beide Missionen waren daher teurer als die folgenden mit Gesamtkosten von 230 bzw. 265 Millionen Dollar (obgleich dies für eine Planetenmission trotzdem sehr preiswert ist).

Die folgenden Sonden sollten erheblich billiger werden. Kosteten Mars Pathfinder und MGS zusammen (ohne den Rover) noch 340 Millionen US-Dollar, so dürften die Kosten für die 1998/99 er Missionen nur noch 235.9 Millionen US-Dollar kosten. Man musste also sparen, wo es nur ging. Dies wurde beiden Sonden zum Verhängnis. Gestartet werden sollten die Sonden Mars Climate Orbiter (MCO) und Mars Polar Lander liefen vor ihrer Benennung als Mars 98 Surveyor Orbiter/Lander. Die Gesamtkosten vom MPL betrugen 110 Millionen für die Raumsonde plus 10 Millionen für Operationen. Dazu kam der Start mit Kosten von weiteren 45 Millionen US-Dollar. Der Lander war die teurere der beiden Sonden und auch die technologisch anspruchsvollere.

Die mitgeführten DS-2 Mikroproben (Penetratoren) waren in dieser Summe nicht enthalten. Der Deutsche Anteil an dieser Mission beträgt 2.3 Millionen US-Dollar, 1.3 Millionen US-Dollar für die Hardware der SSI Kamera und 1 Millionen US-Dollar für die Datenauswertung. 20 Millionen Dollar betrugen die Kosten für die Experimente. Ein Alphateilchen Spektrometer wie bei Mars 96 und Sojourner war diesmal nicht in der Nutzlast enthalten. Der Mars Polar Lander führte auch zwei kleine Penetratoren, die DS-2 Mikroproben mit sich. Diese werden um den Artikel kurz zu halten auf einem eigenen Artikel besprochen.

Die Raumsonde

Konfiguration der Cruise StageMars Polar Lander (MPL) ist eine Landesonde die auf dem Mars landen soll. Wie der Name suggeriert war als Landeort eine Region nahe des Südpols vorgesehen. Die Raumsonde führt noch zwei Penetratoren, die DS-2 Mikroproben mit sich. Diese sind primär ein technologisches Experiment. Das Raumfahrzeug zerfällt wiederum in zwei Teile: Eine "Cruise Stage" - ein einfacher Bus, der Mars Polar Lander auf den Weg zum Mars bringt und die Kommunikation mit der Erde in dieser Phase abwickelt und den eigentlichen Lander. Die Gesamtmasse beim Start beträgt 586 kg. Durch die Wahl der Startrakete Delta 7425 musste die Sonde weniger als 615 kg wiegen.

System Gewicht zum Vergleich Pathfinder zum Vergleich Phoenix
Gesamtmasse: 586 kg 890 kg 664 kg
davon Cruise Stage 82 kg, davon 4,7 kg Treibstoff 304 kg 82 kg
Landeteil: 504 kg, davon 64 kg Treibstoff 570 kg 582 kg
Hitzeschutzschild und Backshell 140 kg 210 kg 172 kg
Lander 290 kg 360 kg 410 kg
Landeranteil: 49,5 % 40,4 % 61,7 %

Die Cruise-Stage

Die Cruise Stage ist relativ klein, sie wiegt nur 82 kg. Beim Vorgänger, dem MPF wog die Cruise Stage noch 304 kg. Sie ist eine kreisförmige flache Struktur auf dem Lander. 2 Solarpanel mit 3.1 m² Fläche versorgen den Lander mit Strom während des Fluges zum Mars. Die Navigation erfolgt mit redundanten Startracker-Kameras und Sternensensoren. Die Lageregelung erfolgt durch je vier Düsen mit 22.6 N und 5 N Schub. Die Kommunikation zur Erde erfolgt über eine Mittelgewinnantenne und eine Niedriggewinnantenne. Sender und Empfänger arbeiten im X-Band. Die Cruise Stage benutzt den Bordcomputer der Landesonde und deren Treibstoff für Bahnkorrekturen. Bis zu fünf Bahnkorrekturmanöver sind vorgesehen. Es werden 4.7 kg Treibstoff benötigt für eine Geschwindigkeitsänderung um 32 m/s. Zum Vergleich: Damit Mars Pathfinder pünktlich zum 4.7.1997 landen konnte, (Unabhängigkeitstag) hatte dieser Treibstoff für 130 m/s Geschwindigkeitsänderung an Bord.

Der Lander

Die Systeme von MPLDer Landeteil in einer Kapsel hat eine Masse von 504 kg, davon sind 64 kg Treibstoff und das Leergewicht des Landers ohne Schutzschilde und Treibstoff beträgt 290 kg.

Anders als der Mars Pathfinder verwendet der Lander keine Airbags, sondern wie bei Viking herkömmliche Düsenantriebe. Das hat primär einen Grund: Mars Pathfinder sollte neue Technologien erproben, doch der MPL sollte schon 19 Monate nach der Landung starten. Auch wenn Discovery Missionen "faster" verwirklicht werden sollen, so braucht eine Mission von der Planung bis zum Start doch 4-5 Jahre. Es stand also bei Projektbeginn nicht fest, ob der MPF gelingen würde. Daher verwendet der MPL herkömmliche Technologien. Zudem sind die Aerobags beim Pathfinder zwar eine neue Technologie, aber schwerer als die herkömmliche Lösung, denn sie wogen 200 kg bei 504 kg Landemasse.

Der Lander wird von einem ablativen Hitzeschutzschild von 2.4 m Durchmesser geschützt, er basiert auf dem Design von Pathfinder, der wiederum den Schild von Viking nur auf eine neue Größe adaptiert hat. Der vorderer Hitzeschutzschild mit dem hinteren Abdeckung wiegen zusammen 140 kg.

In 7.3 km Höhe wird der spezielle Fallschirm mit 8.4 m Durchmesser für Hochgeschwindigkeitsöffnung entfaltet. Die Beanspruchung ist mit 58 bis 62 kg/m² kleiner als bei Pathfinder. Der Öffnungszeitpunkt wird von einer Geschwindigkeitsschätzung durch ein Accelometer (Beschleunigungsmesser) bestimmt. Dies geschah auch so bei Pathfinder, Viking benutzte ein Langweitreichenradar, welches den Abstand zum Boden feststellte.

In 1.4 km Höhe beginnt das Radar mit der Erfassung des Bodens. Danach wird in 1.2 km Höhe der Fallschirm abgetrennt und der Lander bremst mit 12 kleinen Raketentriebwerken ab. Es sind drei Gruppen von je 4 Triebwerken mit je einem Gesamtschub von 266 N pro Gruppe. Gespeist werden Sie von 64 kg Hydrazin, das auch für die Kurskorrekturen der interplanetaren Phase dient. Die Triebwerke werden im Pulsbetrieb betrieben, d.h. Sie feuern mit voller Leistung in kurzen Stößen. In 40 m Höhe wird das Radar abgeschaltet und in 12 m Höhe sollten die Triebwerke eine Endgeschwindigkeit von 2.4 m/s erreicht haben, mit der auch der Lander aufsetzt.

Die tragende Struktur des Landers besteht aus Aluminium in Honigwabenbauweise. Alle Seitenflächen sind aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Diese sind von einer dünnen Aluminiumfolie überzogen um einen faradayschen Käfig zu ergeben. Die drei Landebeine werden durch Federn ausgefahren, der Stoß bei der Landung wird durch Aluminiumeinlagen in Honigwabenstruktur aufgenommen, der diese Struktur zusammenstaucht. Auf dem Boden hat der Lander eine maximale Höhe von 1.06 m und einen maximalen Durchmesser von 3.6 m.

Arbeit auf dem MarsDie Stromversorgung erfolgt durch sechs Solarpanels, vier sind fest, zwei sind ausfahrbar. Sie haben zusammen eine Fläche von 2.9 m². Sie bestehen aus Galliumarsenid Solarzellen. Sie liefern auf dem Mars bis zu 200 W an Strom. Davon brauchen die Experimente typischerweise 25 Watt. Zwei Nickelmetallhydridbatterien puffern die Zeiten ohne Sonne ab. Bei einem Sonnenstand über 10 ° über dem Horizont kann Mars Polar Lander seine Experimente betreiben. Dies sind 8 bis 9 Stunden pro Tag. Den Rest der Zeit werden alle unnötigen Verbraucher abgeschaltet und der Computer ist in einem Sleep Modus. Wie bei Mars Pathfinder ist die Batterie der limitierende Faktor für die Lebenszeit. Kühlt sie aus so fällt zuerst die Leistung ab. Ab einer bestimmten Temperatur friert die Batterie ein und fällt ganz aus. Man rechnete mit tiefsten Temperaturen von -72 ° Celsius und hoffte die Temperatur im Lander zwischen -15 und +10 ° Celsius halten zu können. Durch das Landegebiet nahe des Südpols im dortigen Sommer gibt es während der Primärmission günstige Lichtverhältnisse, mit sehr viel Sonnenschein. Zum Ende hin werden die Tage länger und die Leistung fällt ab. Da der Mars Jahreszeiten wie die Erde aufweist, da die Achsenneigung vergleichbar mit dem der Erde ist, gibt es auf dem Mars auch das Phänomen der Polarnacht, von der der MPL auch betroffen ist. Dies ist in jedem Falle das Limit für die maximale Betriebsdauer.

Zur Kommunikation hat Mars Polar Lander anders als Pathfinder zwei Systeme an Bord. Eine X-Band Sende / Empfangsanlage mit einer Mittelgewinnantenne (MGA). Diese kann bis zu 12.600 Bit/sec zu den 70 m großen Antennen des DSN oder 2100 Bit/sec zu den 34 m Antennen des DSN funken (etwa die doppelte Geschwindigkeit mit der MPF die Daten sandte) und eine UHF Antenne über die man zum Mars Global Surveyor (MGS) oder Mare Climate Orbiter (MCO) mit 128.000 Bits/sec senden kann. Zur Erde kann mindestens eine Stunde pro Tag gesendet werden. Die 70 m Antennen werden auch für den Orbiter benötigt und stehen nur die ersten fünf Tage nach der Landung zur Verfügung. Wichtiger sind jedoch die Relaydienste der Orbiter. Derartige Überflüge dauern zwar nur etwa fünf Minuten, doch sie finden durch die hohe polare Lage mindestens acht bis zehnmal täglich statt, so dass die Sonde in dieser Zeit etwa 20-mal mehr Daten zur Erde senden kann als direkt.

Die Kommunikation von der Erde aus geht mit 125 bis 500 Bits/sec (je nach Entfernung) und mit 8000 Bit/sec über MCO zum MPL. Alternativ kann die Sonde auch über en MGS senden, der jedoch nicht so viele Daten übertragen kann. Er sollte nach dem Ausfall des MCO bei Erreichen des Marsorbits alleine die Daten übertragen.

Die beiden Orbiter unterscheiden sich darin, das MGS Daten empfangen kann, MCO aber auch Kommandos an Mars Polar Lander weiterleiten kann. Der Bordcomputer besteht wie bei Mars Pathfinder aus dem RAD6000, einer strahlengehärteten Version des 32 Bit RS 6000 SC Mikroprozessors von IBM (und verwandt mit dem Power PC 601 Prozessor). Er ist identisch zu dem des MCO verwendeten Computer. Analog wurden Verstärker für die Sender und Stromversorgung für beide Systeme identisch ausgelegt. Der Prozessor hat 3 Taktraten von 5,10 und 20 MHz (bis zu 22 MIPS). Es stehen für Daten 128 MB RAM zur Verfügung. Die Programme und wichtige Daten sind in einem 18 MB Flash RAM untergebracht. Als Gimmick führt die Sonde eine CD mit 932.816 Namen von Personen die bis zum 15.7.1998 über das Internet sich beworben hatten, ihren Namen zum Mars zu senden.

Die Instrumente

Obgleich die Startmasse 36% kleiner als bei Mars Pathfinder war, verfügt der Mars Polar Lander mit 20 kg über die 2.4 fache Instrumentelle Nutzlast. Deren Kosten wurden allerdings auf maximal 20 Millionen US-Dollar festgelegt, was neben dem zusätzlichen Gewicht durch den Rover gegen die Mitnahme eines Rovers sprach. Dieser sollte beim Nachfolger Mars 2001 Lander mitgeführt werden, wurde dort jedoch auch wieder gestrichen.

MARDI: Mars Surveyor '98 Lander Descent Imager

MARDIEin Problem bei der Landung eines Raumfahrzeuges ist die genaue Feststellung der Position. Bei Pathfinder konnte dies durch einige markante geologische Details am Horizont recht schnell gelingen, doch bei Viking kennt man die genauen Positionen bis heute noch nicht. MARDI sollte dies beim MPL verhindern. Er macht während des Abstiegs bis zu 10 Fotos. Das erste 10 Sekunden nach der Fallschirmentfaltung in 7-8 km Höhe, das letzte aus 6 m Höhe. Diese Fotos erlauben es auf Aufnahmen der Orbiter nach dem Landeplatz zu suchen. Die Daten werden im Arbeitsspeicher der Sonde abgelegt und nach der Landung zur Erde gefunkt.

Die Kamera hat nur Abmessungen von 5 × 5 × 10 cm und eine fokale Länge von 7.134 mm. Das Gesichtsfeld beträgt 73.4 Grad. Verwendet wird ein Kodak KAI-1001 CCD Chip mit 1024 × 1024 Pixeln, von denen 1018 × 1008 Pixels verwendet werden. Die Pixelgröße beträgt 9 mm. Daraus ergeben sich Auflösungen von 75 m beim ersten und 0.009 m beim letzten Bild. Die Kamera verfügt über eigenes RAM und einen Digitalen Signalprozessor vom Typ Motorola DSP 56166 mit 60 MHz, 4096 Bytes Programm-RAM, und 4096 Bytes Data RAM.

Die Verarbeitungszeit pro Bild beträgt 2 Sekunden. Die Bilder werden so gestaffelt, das jedes folgende die halbe Kantenlänge des vorhergehenden hat. Das erste hat so 8 km Kantenlänge, das letzte 9 m Kantenlänge. Je nach Höhe ist dabei eine Huffman Kodierung (Faktor 2:1 in Echtzeit) oder DCT Kodierung (Faktor 10:1, nahezu in Echtzeit) möglich. Die Belichtungszeit beträgt 0.25 ms. Die Kamera ist panchromatisch und empfindlich zwischen 500 und 800 nm Wellenlänge.

MARDI benötigt 2 W an Strom und wiegt lediglich 420 g.

Light Detection and Ranging (LIDAR)

LIDARDas LIDAR Experiment war eine Premiere: Es war das erste russische Experiment, welches an Bord einer amerikanischen Planetensonde flog. Verantwortlich ist das russische IKI Institut für Weltraumforschung. LIDAR sendet einen Laserstrahl senkrecht nach oben in die Atmosphäre. In 2-3 km Höhe wird der Laserstahl durch Aerosole gestreut und dieses Echo wird gemessen. Dabei wird die Menge des Rückgestreuten Lichtes und die Verzögerung gemessen.

Eine 400 nJ Gallium-Aluminium-Arsen Laserdiode schickt 100 ns lange Impulse mit einer Frequenz von 2.5 kHz in die Atmosphäre. Die Echos geben Ausschluss über Eis, Staub und Aerosole in der Atmosphäre. Am Tag misst das Instrument, ohne Laserimpulse zu schicken, die Helligkeit des Himmels über der Landestelle, auch diese hängt vom Staub in der Atmosphäre ab.

MikroskopDa noch etwas Platz auf dem Instrument frei war, wurde es möglich ein Miniexperiment der Planetary Society mitzuführen. Es besteht aus einem Mikrofon wie es in Hörhilfen verwendet wird und eine Elektronik zum Verarbeiten der Signale. Das Mikrofon hat nur Abmessungen von 5 × 5 × 1 cm. Es kann in zwei Modi arbeiten. Zum einen kann mit kontinuierlich der gesamte Frequenzbereich mit 5 oder 20 kHz gesampelt werden und bis zu 2.6 Sekunden (20 kHz) bzw. bis zu 10.6 Sekunden (5 kHz) Daten im Speicher ablegen.

In einem zweitem Modus misst das Instrument nur die Intensität in fünf Spektralbänden (jeweils eine Oktave Umfang) und die Gesamtlautstärke. In diesem Modus kann die Samplezeit von 1 Sekunde bis 10 Minuten eingestellt werden. Der dynamische Bereich beträgt 12 Bit und das Signal kann durch die Faktoren 1,4,16 und 64 verstärkt werden, da die Atmosphäre des Mars sehr dünn ist. Das Instrument wird vor allem Aktivitäten des Lander aufnehmen, man hoffte aber auch auf Geräusche vom Wind oder Sand der auf den Lander trifft. Die Entwicklung des Mikrophons kostete 50.000 US-Dollar.

LIDAR wiegt 1 kg. Davon macht das Mikrofon 0.05 kg aus. Das Mikro braucht 0.1 W an Strom.

Mars Volatiles and Climate Surveyor (MVACS)

Bei diesem Experiment handelt es sich um ein integriertes Packet von Instrumenten die der Erforschung der Oberfläche dienen. Die Gesamtmasse mit dem 5.5 kg schweren Arm beträgt 20 kg. Experimente waren Spektrometer, Kamera, Temperatursensoren

Stereo Surface Imager (SSI)

KameraDiese Kamera ist im wesentlichen eine Kopie der Pathfinder Kamera. Sie verwendet dieselbe Optik und auch denselben CCD Chip mit Elektronik. Die Kamera ist ein Gemeinschaftsexperiment von Deutschland und den USA. Von den USA stammt die Optik und Mechanik. Von Deutschland (Max Planck Institut für Aeronomie) stammt der CCD Sensor und die Elektronik, also die wichtigsten Teile der Kamera.

Die Kamera ist schwenkbar durch den Raum und kann durch einen ausfahrbaren Mast bis in 2 m Höhe gebracht werden. Vergleiche der Abbildungen vor und nach dem Ausfahren des Arms erlauben stereoskope Bilder in der Höhe.

Der eigentliche CCD Chip wurde für die Kamera der Huygens Mission ausgewählt. Die DLR orderte 50 Chips für die Huygens Kamera um ein taugliches für die Huygens Sonde herauszulesen. Es gab noch genügend weitere geeignete um damit die IMP Kamera zu bestücken. Es ist ein CCD Chip mit 512 × 512 Pixels von je 23 µm Größe. Davon sind 256 × 512 Pixels eine Speicherzone, in der ein ausgelesenes Bild gespeichert wird. Diese Zone ist von einer Metallplatte bedeckt. Die restliche Zone von 512 × 256 Pixels teilt sich wiederum in zwei separate Felder ein, die getrennt ausgelesen werden können. Jedes Pixel hat 12 Bits für die Helligkeit, jedes Bild ist 256 × 256 Pixel groß.

Jedes dieser Felder wird von einem Spiegel beleuchtet, der mit einer Optik gekoppelt ist. Die beiden Optiken sind jedoch um 120 mm auseinander platziert. So sind echte Stereoaufnahmen möglich. Die Optik ist empfindlich zwischen 440 und 1000 nm Wellenlänge, verfügt über 12 Filter auf zwei Rädern und hat 23 mm Brennweite. Die Auflösung beträgt 3.4 Bogenminuten (0.98 mrad) bei einem Gesichtsfeld von 14.4 × 14.0 Grad. Die Kamera ist damit unschärfer als das menschliche Auge, welches eine Auflösung von 2 Bogenminuten hat. (Ein Mensch auf dem Mars würde also fast doppelt so gut sehen wie die Kamera). Für ein komplettes Panorama von -72 bis + 83 Grad und einem Horizontalschwenk von 360 Grad werden mind. 275 Bilder pro Spektralkanal benötigt. Neben 3 Breitbandfiltern für Rot, Grün und Blau gibt es 9 weitere Filter, die auch Aufnahmen im nahen Infrarot erlauben. Der Schärfebereich liegt bei 0.5 m bis unendlich mit der höchsten Schärfe bei 1.3 m Entfernung.

Die Kamera verwandte auch eine Elektronik zur Komprimierung nach dem DCT Verfahren. Dieses ist auch Basis des JPEG Standards. Dadurch war auch die Bilderflut von 16661 Aufnahmen in 83 Tagen möglich. SSI wiegt 5.85 kg und verbraucht 2.6 W an Strom.

Robotic Arm (RA)

ArmDer 2 m lange und 6.12 kg schwere Robotische Arm ist an der vorderen Ecke der Front von MPL angebracht. Er hat ein Ellenbogengelenk und eine Schaufel am Ende. Insgesamt verfügt er über 4 Freiheitsgrade. Am Ellenbogengelenk ist ein Temperatursensor von Met angebracht und an der Schaufel gibt es eine kleine Kamera. Die Schaufel soll Gräben bis zu 20 cm Tiefe graben und Proben nehmen. Die Kraft des Arms soll dem eines menschlichen Arms entsprechen. Typisch sind Kräfte von 80 N. Gesteuert wird der Arm von einem eigenen 80C51 Mikroprozessor. Er digitalisiert auch die Signale der Aktoren mit 12 Bit Auflösung. Die Kamera soll den Arm bei dem Graben beobachten, auch sie stammt von Deutschland (Max Planck Institut für Aeronomie). Sie hat zwei Beleuchtungssysteme eines mit direkten Licht und eine mit diffusem Licht. Die Kamera ist panchromatisch, doch durch die Beleuchtung der Szene durch 8 Leuchtdioden in den 3 Grundfarben sind auch Farbaufnahmen möglich. Ihr Fokus ist einstellbar von 10 mm bis unendlich. Ihre Auflösung beträgt 2 mrad. Dies sind 20 cm aus 10 m Entfernung und 0.02 mm aus 10 mm Entfernung. An der Schaufel befindet sich auch ein Temperatursensor, der die Bodentemperaturen bestimmt.

Die RAC (Robotic Arm Camera hat einen 512 x 256 Pixel CCD, auf dem beide Bilder (linkes und rechtes Objektiv) projiziert werden. Jedes ist so 256 x 256 Pixel groß und nimmt 27 Grad ein. Zusammen ergeben sie ein 54 x 27 Grad Blickfeld. Geplant war es die Kamera wegen des größeren Blickfeldes und ihrer Beweglichkeit mit dem Arm für Panoramen zu nutzen. Bei größter Nähe konnte die Kamera noch Details von 23 µm auflösen, etwa die Größe einer menschlichen Körperzelle.

Meteorology Package (MET)

MET PacketAuf einem Mast der Sonde befinden sich die meisten Sensoren der Meteorologiestation von MPL. Der Mast trägt Temperatursensoren in verschiedenen Höhen, ergänzt durch die zwei Temperatursensoren am robotischen Arm. Ein zweiter 0.9 m langer Mast hängt von der Sonde bis zu 15 cm auf den Boden. So decken die Temperaturmessungen eine Distanz von 15 cm bis 2.4 m über dem Boden ab. Am Ende des 1.4 m langen Mastes befindet sich der Windsensor.

Auf dem Mast befindet sich auch der Tunable Diodenlaser (TDL). Dies ist ein Laser dessen Wellenlänge veränderbar ist (tunable). Er basiert auf Instrumenten die man auf der Erde nutzt um Spurengase zu messen. Bestimmt wird die Zusammensetzung der Isotope von Kohlenstoff (13/12) und Sauerstoff (18/16) in dem Kohlendioxid und Wasser der Atmosphäre bestimmt. Die Konzentration von Wasser wird ebenfalls bestimmt. Die Wellenlänge beträgt 2.656 und 2.729 µm. Dazu wird eine Gasprobe mit Licht des Diodenlasers beschossen. Jedes Molekül hat eine ein Absorptionsmaximum und schwächt bei einer anderen Wellenlänge das Licht ab. Die Abschwächung wird gemessen und in die Konzentration umgerechnet.

Der Drucksensor misst den Bodenluftdruck und soll auch helfen die Höhe über Mars Äquator (definiert als 6.1 Millibar Druck) zu bestimmen. Er wurde von Finnland entwickelt. Er befindet sich nicht am Mast, sondern in einer Elektronikbox. Das MET Package wiegt zusammen 1.79 kg.

Thermal and Evolved Gas Analyzer (TEGA)

TEGADieses Experiment bestimmt die Zusammensetzung der Atmosphäre über Bodenproben, sowie der Gase die von Oberflächenproben freigesetzt werden. Wie beim MET Package geschieht dies durch einen Tunable Diodenlaser (TDL). Der Laserstrahl hat dabei verschiedene Wellenlängen (tunable = verstellbar), so dass man ein IR Spektrum der Atmosphäre gewinnen kann. Aus dem IR Spektrum kann man die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen.

Es gibt acht Öfen in die eine Probe von dem robotischen Arm eingefüllt werden kann. Ein weiterer Ofen ist leer und dient als Referenz. Dann werden beide Öfen simultan auf 1020 Grad geheizt und die beiden Spektren der Atmosphäre über der Atmosphäre über die Zeit verglichen. Die Geschwindigkeit des Aufheizens beträgt dabei einige Grad pro Minute. Jeder Ofen kann einmal verwendet werden. Man rechnete insbesondere mit dem Freisetzen von Wasser und von Kohlendioxid aus Carbonatgesteinen. Gewicht 5,12 kg.

Mars Magnetic Properties Experiment

Dieses Experiment sollte die magnetischen Eigenschaften der Oberfläche untersuchen. Es sind 3 Einzelexperimente: Ein Array von Magneten abnehmender Feldstärke (wie bei Pathfinder), einem dünnen Plattenmagneten mit abnehmenden Feld nach außen hin, und weiteren Magnetsensoren an dem TEGA Experiment. Die ersten beiden Sensoren sind auf dem Lander. Sie sammeln nur Staub, den der Wind über den Lander weht. Die TEGA Magnete können dagegen von dem robotischen Arm mit Bodenstaub zusammengebracht werden.

Alle Sensoren werden vom SSI Experiment fotografiert, welche die Ablagerungen von magnetischen Partikeln festhält. Wie bei Mars Pathfinder stammt dieses Experiment von Dänemark.

Die geplante Mission

LandungNach dem Start mit einer Delta 7425 macht Mars Polar Lander 4-5 Kurskorrekturen auf dem Weg zum Mars. Die Bahn ist eine Hohmannbahn vom Typ II. Der Vorteil dieser Bahn ist ein breites Startfenster von 4 Monaten Dauer. Auf dieser Bahn braucht die Sonde länger um zum Mars zu gelangen als Mars Pathfinder, der diese Reise in 8 Monaten schaffte. Sie erlaubt aber eine Landung nahe des Südpols. Nach 11 Monaten sollte Mars Polar Lander den Mars erreichen. Erst 5 Minuten vor Erreichen der Atmosphäre wird die Cruise Stage abgetrennt. 18 Sekunden später die mitgeführten DS-2 Penetratoren. Diese gehen etwa 60 km vom Lander entfernt nieder.

Die Landung erfolgt deutlich sanfter als beim Pathfinder, die maximale Temperatur des Plasmas um die Hitzeschutzschilde beträgt 3000 ° Celsius und die maximale Verzögerung beträgt 12 g. Der Eintritt beginnt in 142 km Höhe, 5 Minuten vor der Landung mit 6.9 km/s. 2 Minuten 10 Sekunden vor der Landung wird der 8.4 m große Fallschirm durch eine Öffnung im Backshell herausgeschossen und entfaltet. Dies geschieht in 9 km Höhe bei 496 m/s Geschwindigkeit. 2 Minuten vor der Landung wird der Hitzeschutzschild abgetrennt und das erste Bild von MARDI in 8.3 km Höhe bei 296 m/s Geschwindigkeit gemacht.

90 Sekunden vor der Landung werden die 3 Beine des Landers ausgefahren und 54 Sekunden vor der Landung erfasst das Radar den Boden in 2438 m Höhe bei einer Geschwindigkeit von 80 m/s. 43 Sekunden vor der Landung werden in 1628 m Höhe die Backshell mit dem Fallschirm abgetrennt und die Triebwerke bei einer Geschwindigkeit von 68 m/s in Betrieb genommen. 39 Sekunden vor der Landung hat das Radar auch Geschwindigkeit und Richtung der Sonde bestimmt und der Lander wird so ausgerichtet, dass er in der vorgegebenen Richtung bei der Landung ausgerichtet ist. 11 Sekunden vor der Landung wird in 40 m Höhe bei 13 m/s das Radar abgeschaltet. 7 Sekunden vor der Landung hat Mars Polar Lander eine konstante Geschwindigkeit von 2.4 m/s in 12 m Höhe erreicht. Mit dieser Geschwindigkeit sollte die Sonde landen.

Etwa 24 Minuten nach der Landung sollten alle Instrumente ausgefahren sein, die Antenne zur Erde orientiert und der Lander sendet erste Statusberichte und Bilder. Darunter alle Daten die beim Abstieg gewonnen wurden wie die MARDI Bilder. Es gibt keine Funkverbindung während des Abstiegs zur Oberfläche.

Die Primärmission sollte mindestens 87 Tage bis zum 1.3.2000 dauern. Danach hängt es von dem Zustand des Landers ab, ob sie verlängert wird. Da der Lander im Sommer nahe des Pols bei 76 Grad Süd, 19 Grad West landet hat er sehr lange Tage, in denen die Solarpanels Strom liefern, so dass das Risiko einer Auskühlung der Batterie, welche den Pathfinder ausfallen ließ geringer als beim MPF ist.

Die Mission

Start Delta 7425Am 3.1.1999 startete der Mars Polar Lander mit einer Delta 7425 problemlos zum Mars. Durch den Kauf einiger Raketen im Pack kostete der Start nur 45 Millionen US-Dollar. Dann gab es das erste wichtige Kurskorrekturmanöver am 21.1.1999. Es dauerte 3 Minuten und beseitigte Ungenauigkeiten beim Start und legte den Flugpfad fest. Dieser wurde in der Folge von weiteren Manövern fein korrigiert: Am 15.3.1999 wurde der Kurs nur noch minimal geändert durch ein 10 Sekunden dauerndes Brennen der Düsen. Am 1.9.1999 stand nun der Landeplatz durch Auswahl von Aufnahmen von MGS fest, und man setzte ein neues Manöver an, welches 30 Sekunden lang die Düsen zündete, um den Landeplatz zu erreichen. Die beiden letzten Feinkorrekturen fanden am 30.10.1999 und 25.11.1999 statt. Mit der Abtrennung der Cruise Stage und der Ausrichtung des Landers auf den Atmosphäreneintritt, 11 Minuten vor der Landung endete die Verbindung über die Antennen der Cruise Stage. Der Lander sollte sich nun nach der Landung wieder melden.

Wieder hatte man am 3.12.1999 die Medien eingeladen um der Landung beizuwohnen, war dies doch bei Mars Pathfinder ein großer Publicityerfolg. Doch beim Mars Polar Lander kam alles anders. Die Bildschirme blieben dunkel. MPL meldete sich nicht mehr. Ohne Daten des Abstiegs war man ratlos, was die Ursache war. Ab dem 16.12.1999 suchte MGS im Landegebiet nach dem Fallschirm des Landers, fand aber keinen. Am 17.1.2000 stellte man die Kommunikationsversuche mit dem Lander ein. Auch die mitgeführten DS-2 Mikrosonden meldeten sich nach Abtrennung von der Cruise Stage nicht mehr.

Nun war die NASA in der Klemme. Wenige Wochen vorher war der Mars Climate Orbiter, das zweite Raumschiff des ambitionierten Programms von 1998 verloren gegangen. Die NASA stand nun in der Kritik zu viel gespart zu haben, und dabei die Sicherheit vernachlässigt zu haben. Schlimmer noch: Ohne Daten welche der Lander beim Abstieg sendet, kann man die Ursache des Scheitern nicht bestimmen. Dabei verwandte Mars Surveyor 01 Lander - die nächste Landesonde für das 2001 er Startfenster - dieselbe Landetechnik wie der Mars Polar Lander. Man wusste also nicht ob man diese starten sollte, kannte man doch die Ursache des Scheiterns nicht.

MPL vor dem StartDie wahrscheinliche Ursache des Verlustes

Die Verwendung von Teilen des MPL für die nächste Sonde brachte aber auch die mögliche Ursache für das Scheitern zutage. Ende Januar 2000 begann man bei Lockheed Martin mit den Tests der Hardware des 2001 er Landers. Die Landebeine haben einen Sensor der signalisiert, ob sie Bodenberührung haben. Es zeigte sich bei Tests, dass dieser auch ausschlägt, wenn die Beine in 1500 m Höhe ausgeklappt werden. Als der MPL in 40 m Höhe angekommen war, wurde der Sensor ausgelesen und er gab zurück, dass die Sonde den Boden berührt habe, worauf der Computer das Triebwerk abschaltete und Mars Polar Lander mit 80 km/h anstatt 9 km/h auf dem Boden aufschlug. Mars Polar Lander wurde durch den harten Aufprall beschädigt oder zerstört.

Eine Untersuchungskommission stellte fest, dass man die Sensoren von MPL am Boden testete, als sie nicht reagierten überprüfte man die Verkabelung und stellte Fehler fest, wiederholte den Test aber nie mehr. So konnte der Softwarefehler nicht erkannt werden. Dies war vermeidbar und die Ursache waren letztendlich Probleme des Programms. Das war auch das Resümee der Untersuchungskommission der beiden Verluste der Sonden. Dem gesamten Programm fehlte es Geld, was sich in Einsparungen niederschlug. Dies betraf:

Beim Mars Polar Lander besonders bitter: Es war ein Softwareproblem, dass man noch bis wenige Stunden vor der Landung hätte beseitigen können. Man hätte nur die Software so modifizieren müssen, dass sie das Sensorsignal nach dem Ausfahren der Beine zurücksetzt. Die geänderte Software hätte man zum Lander überspielen können. Als Folge wurde die für 2001 geplante Landemission verschoben: Sie wird erst im Jahre 2007 auf die Reise gehen. Das Marsprogramm wurde umstrukturiert, es gibt bei dem 2003 er Lander nun eine Funkverbindung zur Erde und auch das Management wurde verbessert. Gleichzeitig wurden dadurch auch die Sonden teurer: der Mars Climate Orbiter kostete 160.7 Millionen US-Dollar, dagegen sein Nachfolger Odyssey 2001 297 Millionen US-Dollar. Mit Ausnahme der beiden Rover im Jahre 2003 sind für 2001-2007 auch nur Einzelmissionen geplant.

Der 2001er Lander wurde nach dem Verlust umbenannt in Phoenix. Er absolvierte seine Mission 2009 und war ebenfalls nahe des Nordpols. Er war über 160 Erdtage aktiv.

Links

Mars Polar Lander Website

NSSC Informationen Mars Polar Lander

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/1999JE001146/pdf

https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/13866/00-0239.pdf?sequence=1&isAllowed=y

https://www.researchgate.net/profile/Detlef_Koschny/publication/248802149_The_MVACS_robotic_arm_camera/links/0a85e53baa897df04c000000/The-MVACS-robotic-arm-camera.pdf

 

 

 



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

Bücher vom Autor über Raumsonden

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.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

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