MEDLI2-Sensoren erfassen kritische Daten bei Perseverance-Marslandung

„Tango delta. Touchdown bestätigt. Perseverance sicher auf der Marsoberfläche, bereit, nach Spuren vergangenen Lebens zu suchen.“ Mehr als sechs Jahre wartete das Mars Entry, Descent, and Landing Instrumentation 2 (MEDLI2) Team auf diese Worte.

NASAs Perseverance-Rover landete erfolgreich am 18. Februar 2021 und begann seine robotische Erforschung des Roten Planeten. MEDLI2 war eine der entscheidenden Technologien auf der schützenden Aeroschale des Rovers, die half, den Eintritt, Abstieg und die Landung (EDL) des Raumschiffs zu dokumentieren. Alle MEDLI2-Daten wurden auf Perseverance gespeichert zur Übertragung zur Erde nach erfolgreicher Landung.

Aufgabe von MEDLI2

MEDLI2s Rolle war, kritische Daten über die harte Umgebung während Perseverances Eintritt in die Planetenatmosphäre zu sammeln. Es umfasste drei Sensortypen – Thermoelemente, Wärmestromsensoren und Druckwandler –, die extreme Hitze und Druck während des Eintritts maßen. Zudem enthielt es Elektronik und Hardware zur Aufzeichnung der thermischen und Drucklasten während des Eintritts und durch den Fallschirmauswurf.

MEDLI2 nutzte seine Messungen, um die Heizung und atmosphärischen Kräfte zu bestimmen, die auf Hitzeschild und Rückschale einwirkten. Zusammen bilden diese beiden Komponenten die Aeroschale, die den Perseverance-Rover während der Reise zum Mars und beim EDL beherbergte und schützte.

Missionstimeline

MEDLI2 wurde fünf Stunden vor den „Sieben Minuten des Schreckens“ – den finalen sieben Minuten des Abstiegs zum Mars – eingeschaltet. Dies gab Zeit für die Stabilisierung der Elektronik und Messung der Initialbedingungen vor dem Eintritt. Nach Bestätigung der erfolgreichen Aktivierung überwachte das Team die eingehenden Daten während der fünfstündigen Küstenphase vor dem Eintritt.

Die Mehrheit der MEDLI2-Sensoren und die Primärelektronik waren auf dem Mars-2020-Hitzeschild montiert. Etwa 10 Sekunden nach Auswurf des Überschallfallschirms wurde MEDLI2 ein letztes Mal abgeschaltet, da seine Aufgabe erledigt war. Da der Hitzeschild abgetrennt werden musste, um den Rover aus dem Eintrittsfahrzeug zu extrahieren, war es erforderlich, MEDLI2 einige Sekunden vor der Trennung auszuschalten, um elektrische Probleme zu vermeiden. Der Kabelbaum zwischen Hitzeschild und Rückschale wurde durch Zünden eines Pyroschnitters getrennt, und der Hitzeschild wurde abgeworfen.

Perseverance sendete „kritische Ereignisdaten“ in Echtzeit während des EDL. Dies enthielt einen Teil der MEDLI2-Daten, der Einblicke in das ermöglichte, was das Eintrittsfahrzeug während des Eintritts erlebte. Drei Tage nach der erfolgreichen Landung wurden die verbleibenden MEDLI2-Daten zur Erde übertragen, und die nächste Projektphase begann: Datenanalyse und Leistungsrekonstruktion.

Wichtige Ergebnisse

„Die zurückgelieferten Daten sind faszinierend. Es ist wie ein Vogelperspektivblick auf das, was mit der Aeroschale passiert, während sie durch den Marshimmel fliegt. Die MEDLI2-Sensorsignale sind so klar, dass wir interessante Phänomene und entscheidende Ereignisse sofort identifizieren konnten“, sagte Todd White, MEDLI2 Principal Investigator am NASA Ames Research Center im kalifornischen Silicon Valley.

MEDLI2-Daten liefern auch Messungen, die zur Bestimmung der Atmosphäreneigenschaften verwendet werden, durch die das Mars-2020-Eintrittsfahrzeug flog. MEDLI2 liefert essenzielle EDL-Beobachtungsdaten, um zu verstehen, wie viel Marge beim Perseverance-Eintritt verblieb, sowie Daten zur Verbesserung von Vorhersagemodellen und -tools für zukünftige Missionen.

Die Hitzeschild-Isolierungstemperaturen während der gesamten Eintrittsphase waren konsistent mit den Eintrittsvorhersagen. Die maximal gemessene Temperatur im Hitzeschild betrug 1830 °F (1000 °C), was einer geschätzten maximalen Außentemperatur von etwa 2550 °F (1400 °C) korreliert.

MEDLI2 nutzte eingebettete Thermoelemente, um zu bestimmen, wie viel der Hitzeschild-Schutzisolierung verbrannt oder ablatiert sein könnte. Alle Thermoelemente überlebten den Eintrittsheizpuls, was auf sehr geringe Ablation hindeutet. Diese Beobachtung könnte genutzt werden, um die notwendige Isolationsmenge auf einem Hitzeschild neu zu bewerten, um potenziell die Gesamtmasse des Eintrittsfahrzeugs zu reduzieren.

Oberflächendrucke wurden ebenfalls während derselben Phase gemessen, mit dem maximalen Oberflächendruck des Hitzeschilds, der den Teameintrittsvorhersagen entsprach. MEDLI2 wählte verschiedene Sensoren, um unterschiedliche Flugregime präzise zu erfassen. Ein Sensor deckte den kompletten Bereich der maximalen Oberflächendrücke ab. Die verbleibenden sechs Hitzeschild-Druckmessungen hatten einen Bereich, um die Bedingungen während des Überschallflugregimes (von etwa fünffacher Schallgeschwindigkeit auf dem Mars bis zum Auswurf des Überschallfallschirms) genauer zu erfassen. Diese Sensoren, kombiniert mit Bord-Inertialmessungen, ermöglichten zusätzliche Einblicke in die Leistung des Eintrittsfahrzeugs, wenn die Auswirkungen von Atmosphärendichteschwankungen und Winden stärker ausgeprägt waren. Die MEDLI2-Druckdaten werden zur Verbesserung des Modellierungsansatzes für zukünftige EDL-Missionen verwendet.

MEDLI2 beinhaltete auch Sensoren an der Rückschale des Mars-2020-Eintrittsfahrzeugs, einem Bereich, der bisher nur begrenzte Beobachtungen hatte. Oberflächendruck, Isolierungstemperatur und direkte Oberflächenheizmessungen bildeten den Rückschalen-Sensorsatz. Kenntnis des Oberflächendrucks auf der Rückseite des Eintrittsfahrzeugs trägt zur Reduzierung der Landefußabdruckgröße bei. Rückschalen-Isolierungstemperaturdaten lagen innerhalb der Initialvorhersagen, was zur Reduzierung der Modellunsicherheit genutzt werden kann. Wie bei der Hitzeschild-Isolierung könnte das Verständnis der Rückschalen-Isolierungstemperaturleistung zu einer Reduzierung der Rückschalen-Isolationsmasse führen. Direkte Oberflächenheizmessungen der Rückschale tragen ebenfalls zur Reduzierung der Unsicherheit in Vorhersagemodellen bei.

MEDLI2-Daten umfassten auch eine Reihe von „Housekeeping“-Messungen. Dazu gehörten kompensierende Temperaturmessungen kritischer Wissenschaftssensoren. Ein großer Teil dieser Housekeeping-Daten ist auch von großem Interesse für das Mars-2020-Team zur Unterstützung eigener EDL-Rekonstruktionsbemühungen. Teil der Housekeeping-Messungen waren Sensoren intern zur MEDLI2-Supportelektronik (Spannungen, interne Temperaturen, MEDLI2 Heartbeat/Clock etc.).

Das MEDLI2-Team wird die Daten die nächsten sechs Monate weiter analysieren, um NASAs Verständnis der Marsatmosphäre, der extremen Eintrittsbedingungen und wie gut die Mars-2020-Aeroschale den Rover schützte, zu verfeinern. Diese Lektionen werden sofort für die nächsten Marsmissionen und sogar Missionen zum Titan nützlich sein.