ExoMars-Fallschirme bereit für den Einsatz auf dem Mars

Das komplexeste Fallschirmsystem, das jemals auf dem Mars eingesetzt wurde, hat eine ExoMars-Landungsplattform erfolgreich abgebremst und für eine sichere Landung auf der Erde gesorgt.

Bild: Vorticity

Ein stratosphärischer Heliumballon hob ein Dummy-Landemodul an und ließ es über dem Polarkreis in einer Höhe von fast 30 km los, wodurch zwei große Fallschirme aus ihren Donut-Taschen ausgelöst wurden.

„ Wir freuen uns, bestätigen zu können, dass wir ein Fallschirmdesign haben, das auf dem Mars funktionieren kann – ein ambitioniertes System mit dem größten Fallschirm, der jemals außerhalb der Erde geflogen ist“, sagt Luca Ferracina, Systemingenieur für das ExoMars-Eintritts-, Abstiegs- und Landemodul der ESA.
Diese Falltestkampagne in großer Höhe fand am 7. Juli im Esrange Space Center der Swedish Space Corporation in Kiruna, Nordschweden, statt.

Wie man eine Marslandung auf der Erde testet

Um die Kombination aus Dichte und Geschwindigkeit nachzubilden, die die Kapsel beim Eintritt in die dünne Marsatmosphäre – etwa 1 % der Dichte der Erdatmosphäre auf Meereshöhe – erleben wird, musste der Ballon sehr hoch fliegen.

Die ExoMars-Fallschirme wurden aus einer Höhe von 29 km abgeworfen, was etwa der dreifachen Höhe entspricht, in der Verkehrsflugzeuge fliegen.

Die Dummy-Kapsel befand sich dann etwa 20 Sekunden lang im freien Fall und erreichte dabei fast Schallgeschwindigkeit, bevor die Fallschirme nacheinander ausgelöst wurden.

„Die Kombination aus Geschwindigkeit und geringer atmosphärischer Dichte in diesem Test entspricht genau den Bedingungen, denen die Fallschirme auf dem Mars ausgesetzt sein werden. Tests auf der Erde sind eine Möglichkeit, Vertrauen zu gewinnen und zu bestätigen, dass alle Elemente wie erwartet funktionieren“, erklärt Luca.  

Falltests in großer Höhe erfordern eine komplexe Logistik und strenge Wetterbedingungen für die Flugsicherheit. Die einzigartigen Einrichtungen von Esrange und die lange Tradition von Stratosphärenballonmissionen seit den frühen 1970er Jahren machen es zu einem geeigneten Standort für die Kampagne.

Zwei sind besser als einer

Die Landung auf dem Mars ist ein risikoreiches Unterfangen. In nur sechs Minuten muss das Landemodul von 21 000 km/h an der Obergrenze der Planetenatmosphäre auf eine sanfte Landung abbremsen, damit seine wertvolle Fracht, der Rover Rosalind Franklin, für die Erkundung der Oberfläche einsatzfähig bleibt.

Die Verlangsamung erfordert einen Hitzeschild, zwei Hauptfallschirme – jeder mit einem eigenen Pilotfallschirm zum Auslösen – und ein Retro-Raketenantriebssystem, das 20 Sekunden vor dem Aufsetzen auf der Marsoberfläche ausgelöst wird.

Der größte Teil der Überschallgeschwindigkeit wird durch den Luftwiderstand der Kapsel verringert. Die effizienteste Methode, um die verbleibende Geschwindigkeit für eine sichere Landung zu reduzieren, ist eine Kombination aus Fallschirmen und Retro-Raketen.

„Durch die Verwendung von zwei Fallschirmen können wir einen starken, mittelgroßen Fallschirm entwickeln, um die Sonde aus der Überschallgeschwindigkeit abzubremsen, und dann einen viel größeren, leichten Fallschirm für den endgültigen Abstieg“, erklärt John Underwood, Chefingenieur bei Vorticity, dem britischen Unternehmen, das mit der Konstruktion und Testanalyse der Fallschirme beauftragt ist.

Zusammenarbeit

Der Hauptfallschirm der ersten Stufe ist 15 m breit und ähnelt den Fallschirmen, die 1972 für die Landung der Viking-Mars-Sonde der NASA entwickelt wurden. Für ExoMars verwenden die Teams eine Variante, die für die erfolgreiche ESA-Mission Cassini-Huygens zum Titan, dem größten Mond des Saturn, entwickelt wurde. Dieses dreistufige Fallschirmsystem hält nach wie vor den Rekord für die am weitesten von der Erde entfernte Landung, die jemals versucht wurde.

Der Hauptfallschirm der zweiten Stufe hat einen Durchmesser von 35 Metern und besteht aus einer Reihe von Ringen mit Zwischenräumen. Dies wird der größte Fallschirm sein, der jemals auf dem Mars oder irgendwo im Sonnensystem außer der Erde zum Einsatz gekommen ist. Er besteht aus über 800 Quadratmetern Stoff und mehr als vier Kilometern Seil für die Tragseile. Das Zusammenlegen in seiner Tasche dauert etwa drei Tage.

Das sorgfältige Zusammenlegen jedes Fallschirms in seiner Tasche ist unerlässlich, um eine korrekte Entfaltung zu gewährleisten.

Herausforderungen bei Lagerung und Konstruktion

Das in Schweden getestete Fallschirmsystem war bereits für den Flug zum Mars im Jahr 2021 qualifiziert, wurde jedoch eingelagert, als die Mission aufgrund der Invasion Russlands in der Ukraine ausgesetzt wurde.

„Wir führen diese Kampagne durch, um unsere Bereitschaft für den Mars zu bestätigen und um zu überprüfen, ob die Fallschirme nach der langen Lagerung noch wie erwartet funktionieren“, erklärt Luca.

Die Fallschirme werden jeweils aus sehr leichtem Stoff mit einer Dichte von etwa 40 Gramm pro Quadratmeter hergestellt – etwa halb so viel wie ein Blatt Papier.

Fallschirm-Know-how hebt Europa ab

Während der Fallschirm während des Sprungs in Echtzeit telemetrisch überwacht wurde, wird das Vorticity-Team nun die Daten zusammen mit Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen analysieren, um das Verzögerungsprofil und die Aufblasmodelle zu bewerten.

„Tests auf der Erde haben den Vorteil, dass wir viel mehr Daten erhalten und die Fallschirme nach dem Test zur Inspektion zurückholen können“, sagt John.  

Der Großteil des Fallschirmsystems wurde in Europa entwickelt und gebaut, darunter Komponenten aus den Niederlanden (die Auslösemörser), Italien (Fallschirme) und Tschechien (der Fallschirmcontainer). Thales Alenia Space in Frankreich überwachte die Testkampagne als Verantwortlicher für das Fallschirm-Montagesystem.

Quelle (Englisch): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/ExoMars_parachutes_ready_for_martian_deployment