Sensoren sammeln entscheidende Daten bei Marslandungen mit der Ankunft von Perseverance

„Tango-Delta. Landung bestätigt. Beharrlichkeit sicher auf der Marsoberfläche, bereit, mit der Suche nach den Zeichen des vergangenen Lebens zu beginnen.“ Mehr als sechs Jahre lang wartete das Team von Mars Entry, Descent, and Landing Instrumentation 2 (MEDLI2) darauf, diese Worte zu hören.

Der Perseverance-Rover der NASA landete erfolgreich am 18. Februar 2021 und begann mit seiner robotischen Erkundung des Roten Planeten. MEDLI2 war eine der entscheidenden Technologien auf der schützenden Aeroshell des Rovers, die dazu beitrug, den Eintritt, den Abstieg und die Landung (EDL) des Raumfahrzeugs zu dokumentieren. Alle MEDLI2-Daten wurden auf Perseverance gespeichert, um sie nach einer erfolgreichen Landung zur Erde zu übertragen.

Die Rolle von MEDLI2 bestand darin, wichtige Daten über die raue Umgebung während des Eintritts von Perseverance in die Atmosphäre des Planeten zu sammeln. Es umfasste drei Arten von Sensoren – Thermoelemente, Wärmeflusssensoren und Druckwandler – die extreme Hitze und Druck während des Eintritts maßen. Es enthielt auch Elektronik und Hardware zum Aufzeichnen der Wärme- und Druckbelastungen, die während des Eintritts und während der Fallschirmauslösung erfahren wurden.

MEDLI2 ermittelte mit seinen Messungen die auftretenden Erwärmungen und atmosphärischen Kräfte an Hitzeschild und Rückenschale. Zusammen bilden diese beiden Komponenten die Aeroshell, die den Rover Perseverance während der Kreuzfahrt zum Mars und zur EDL beherbergte und schützte.

MEDLI2 wurde fünf Stunden vor den „sieben Minuten des Terrors“ – dem letzten siebenminütigen Abstieg zum Mars – eingeschaltet. Dies gab der Elektronik von MEDLI2 Zeit, die Temperatur zu stabilisieren und die Anfangsbedingungen vor dem Eintritt zu messen. Nachdem das Team den Hinweis erhalten hatte, dass MEDLI2 erfolgreich aktiviert wurde, überwachten sie die eingehenden Daten während der fünfstündigen Küstenphase vor dem Eintritt weiter.

Der Großteil der MEDLI2-Sensoren und die Primärelektronik wurden auf dem Hitzeschild von Mars 2020 montiert. Etwa 10 Sekunden nach dem Einsatz des Überschallfallschirms wurde MEDLI2 zum letzten Mal heruntergefahren, da es seine Arbeit beendet hatte. Da es wichtig ist, dass der Hitzeschild getrennt wird, damit der Perseverance-Rover aus dem Einstiegsfahrzeug herausgezogen werden kann, musste MEDLI2 einige Sekunden vor der Trennung ausgeschaltet werden, um Probleme mit der Stromversorgung zu vermeiden. Der Kabelbaum, der den Hitzeschild und die Rückenschale verband, wurde dann durch das Abfeuern eines Pyro-Cutters durchtrennt, und der Hitzeschild wurde fallen gelassen.

Perseverance gab während der EDL „kritische Ereignisdaten“ in Echtzeit zurück. Es enthielt eine Teilmenge der MEDLI2-Daten, die Beobachtungen darüber ermöglichten, was das Eintrittsfahrzeug während des Eintritts erlebte. Drei Tage nach der erfolgreichen Landung von Perseverance wurden die verbleibenden MEDLI2-Daten zurück zur Erde übertragen, und die nächste Phase des Projekts begann:Datenanalyse und Leistungsrekonstruktion.

„Die zurückgegebenen Daten sind faszinierend. Es ist, als würde man aus der Vogelperspektive sehen, was mit der Aeroshell passiert, wenn sie durch den Marshimmel fliegt. Die MEDLI2-Sensorsignale sind so klar, dass wir sofort interessante Phänomene und entscheidende Ereignisse erkennen konnten“, sagte Todd White, MEDLI2-Hauptforscher am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley.

Die von MEDLI2 gesammelten Daten liefern auch Messungen, die verwendet werden, um die Eigenschaften der Atmosphäre zu bestimmen, durch die das Mars 2020-Eintrittsfahrzeug geflogen ist. MEDLI2 liefert wichtige EDL-Beobachtungsdaten, um zu verstehen, wie viel Spielraum beim Perseverance-Eintrag verblieben ist, zusammen mit Daten, die zur Verbesserung von Vorhersagemodellen und Werkzeugen für zukünftige Missionen verwendet werden.

Die während der gesamten Eintrittsphase aufgezeichneten Hitzeschild-Isolierungstemperaturen stimmten mit den Eintrittsvorhersagen überein. Die gemessene Spitzentemperatur im Hitzeschild während des Eintritts betrug 1830 ° F (1000 ° C). Dies entspricht einer geschätzten Spitzenaußentemperatur des Hitzeschilds von etwa 1400 °C (2550 °F).

MEDLI2 verwendete auch seine eingebetteten Thermoelemente, um zu bestimmen, wie viel der Schutzisolierung des Hitzeschilds weggebrannt oder abgetragen sein könnte. Alle Thermoelemente überlebten den Eintrittsheizimpuls, was darauf hinweist, dass die Hitzeschildablation sehr gering war. Diese Beobachtung könnte verwendet werden, um die Menge an Isolierung neu zu bewerten, die auf einem Hitzeschild benötigt wird, um möglicherweise die Gesamtmasse des Einstiegsfahrzeugs zu reduzieren.

Während derselben Phase wurden auch Oberflächendrücke gemessen, wobei der Spitzenoberflächendruck des Hitzeschilds mit den Eintrittsvorhersagen des Teams übereinstimmte. MEDLI2 wählte verschiedene Sensoren aus, um sich auf die genaue Erfassung verschiedener Flugregime zu konzentrieren. Ein Sensor deckte den kompletten Bereich der maximalen Flächenpressungen ab. Die verbleibenden sechs Hitzeschilddruckmessungen hatten einen Bereich, um die Bedingungen während des Überschallflugregimes genauer zu erfassen (von etwa der fünffachen Schallgeschwindigkeit auf dem Mars bis zum Einsatz des Überschallfallschirms). Diese Sensoren, kombiniert mit Trägheitsmessungen an Bord, ermöglichten zusätzliche Einblicke in die Leistung des Einstiegsfahrzeugs, wenn die Auswirkungen von atmosphärischen Dichteschwankungen und Winden ausgeprägter waren. Die MEDLI2-Druckdaten werden verwendet, um den Modellierungsansatz für zukünftige EDL-Missionen zu verbessern.

MEDLI2 umfasste Sensoren an der hinteren Schale des Mars 2020-Einstiegsfahrzeugs, einem Bereich, der bisher nur begrenzt beobachtet wurde. Oberflächendruck-, Isolationstemperatur- und direkte Oberflächenerwärmungsmessungen umfassten die Backshell-Sensorsuite. Die Kenntnis des Flächendrucks auf der Rückseite des Einstiegsfahrzeugs trägt dazu bei, die Landefläche zu verkleinern. Die Temperaturdaten der Hinterschalenisolierung lagen innerhalb der anfänglichen Vorhersagen, die verwendet werden können, um die Modellunsicherheit zu verringern. Wie bei der Hitzeschildisolierung könnte das Verständnis der Temperaturleistung der Rückenschalenisolierung zu einer Verringerung der Masse der Rückenschalenisolierung führen. Auch direkte Oberflächenerwärmungsmessungen der Rückenschale tragen dazu bei, die Unsicherheit in den Vorhersagemodellen zu reduzieren.

Die MEDLI2-Daten enthielten auch eine Reihe von „Housekeeping“-Messungen. Dazu gehörten eine Reihe kompensierender Temperaturmessungen kritischer wissenschaftlicher Sensoren. Viele dieser Haushaltsdaten sind auch für das Mars 2020-Team von großem Interesse, um ihre eigenen EDL-Wiederaufbaubemühungen zu unterstützen. Ein Teil der Housekeeping-Messungen umfasste interne Sensoren der MEDLI2-Unterstützungselektronik (Spannungen, interne Temperaturen, MEDLI2-Herzschlag/Uhr usw.).

Das MEDLI2-Team wird die Daten in den nächsten sechs Monaten weiter analysieren und das Verständnis der NASA über die Marsatmosphäre, die extremen Eintrittsbedingungen und die Frage, wie gut die Mars 2020-Aeroshell den Rover geschützt hat, verfeinern. Diese Lektionen werden sofort für die nächsten Mars-Missionen und sogar Missionen in Richtung Titan nützlich sein.