InSight stürzt sich auf eine Landung auf dem Mars. Das Raumschiff wird sich auf bewährte Weise nähern und landen, aber auch wenn die NASA diesen Trick schon einmal gemacht hat, müssen Dutzende Dinge beim Eintritt, beim Abstieg und bei der Landung (EDL) genau richtig laufen, damit InSight sicher auf der Erde ankommt Oberfläche des Roten Planeten.
Am Montag, den 26. November, um 14:47 Uhr EST erreicht der InSight-Lander die Marsatmosphäre in einer Höhe von 125 Kilometern (70 Meilen) und erreicht eine Geschwindigkeit von 5, 5 Kilometern pro Sekunde (12.000 Meilen pro Stunde). Der ablative Siliziumdioxid-Hitzeschild des Fahrzeugs wird eine Temperatur von mehr als 1.500 Grad Celsius erreichen - heiß genug, um Stahl zu schmelzen. Etwa dreieinhalb Minuten nach dem Eintritt in die Atmosphäre rast das Raumschiff mit Überschallgeschwindigkeit immer noch auf den Boden zu. Ein Fallschirm wird eingesetzt, um so viel wie möglich abzubremsen, der Hitzeschild wird abgeworfen und das Raumschiff beginnt mit einem Radar nach dem Boden zu suchen. Ungefähr sechs Minuten nach dem Auftreffen auf die Atmosphäre löst sich der Lander von seiner hinteren Hülle (die immer noch etwa 180 Meilen pro Stunde zurücklegt) und feuert seine Retro-Raketen ab, um ihn für den Rest des Heimwegs nach Hause zu bringen, und setzt ungefähr eine Minute später auf.
Wenn alles in Ordnung ist - während die Ingenieure die Kontrollbildschirme während der "sieben Minuten des Terrors" überwachen und nicht in der Lage sind, das entfernte Fahrzeug in Echtzeit zu steuern -, wird InSight am Montag nach Thanksgiving in Elysium Planitia zur Ruhe kommen und sich auf das Studium der Seismologie und des Erdbebens vorbereiten innere Hitze des Mars. Die NASA kann sich trösten, dass solche Landungen in der Vergangenheit erfolgreich waren, aber wenn Sie versuchen, ein Flugzeug in einer Entfernung von mehreren Millionen Kilometern zu landen, ist es unmöglich, sich auf alle Eventualitäten vorzubereiten.
(Emily Lakdawalla für The Planetary Society) Immer wenn sich eine Marslandung nähert, erhalten Weltraumfans eine Fülle von Statistiken. Vor der Landung von Curiosity „ist mehr als die Hälfte aller Mars-Missionen gescheitert“. Vor dem Start von ExoMars in Europa „sind mehr Missionen gescheitert als nicht: 28 Flops im Vergleich zu 19 Erfolgen.“ Nachdem der ExoMars-Orbiter erfolgreich war, sein Lander jedoch nicht ( zumindest nicht ganz): "Von den rund einem Dutzend zum Mars gestarteten Lander- und Rover-Robotermissionen haben nur sieben Erfolg gehabt."
Die Statistiken sind dramatisch, aber die Geschichte, die sie erzählen, ist etwas veraltet. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es eine spektakuläre Reihe von Fehlschlägen - Mars 96, Mars Observer, Mars Climate Orbiter und Mars Polar Lander haben immer noch Verluste zu beklagen. Während Russland auf dem Mars noch nie einen vollständigen Erfolg erzielt hat, haben die NASA, die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und die indische Weltraumforschungsorganisation (ISRO) seit dem zweiten Jahr ziemlich genau die Orbitalinsertionen auf dem Mars getroffen. China, Indien und Japan haben ihre zweite Mission auf dem Mars in Arbeit, und die Vereinigten Arabischen Emirate planen ihre erste, ganz zu schweigen von den Ambitionen mehrerer privater Einheiten.
Mars-Umlaufbahneinsätze sind im 21. Jahrhundert relativ routinemäßig geworden, aber Mars-Landungen gehören immer noch zu den schwierigsten Weltraummissionen, die jemals unternommen wurden. Zu den beiden erfolgreichen ESA-Orbitern gehörten winzige Lander, von denen nach dem Aufsetzen nichts mehr zu hören war, obwohl der Schiaparelli-Lander von ExoMars Daten fast bis an die Oberfläche zurückgab.
Drei Dinge machen eine Marslandung viel schwieriger als eine Mondlandung - oder eine Erdlandung. Erstens ist der Mars im Gegensatz zum Mond zu weit entfernt, als dass sich ein bodengebundener Mensch während eines Landeversuchs in der Schleife befinden könnte. Die Zeit, die ein Signal benötigt, um vom Mars zur Erde und zurück zu gelangen, beträgt mindestens neun Minuten und ist in der Regel viel länger. Wenn wir also ein Signal hören und darauf reagieren können, dass unser Raumschiff die Erdatmosphäre erreicht hat, Das Endergebnis ist auf die eine oder andere Weise bereits eingetreten.
Das zweite Problem ist die Marsatmosphäre. Es gibt zu viel und zu wenig. Auf der Erde können wir, wenn Astronauten und Probenkapseln aus dem Weltraum zurückkehren, Raumfahrzeuge hinter Hitzeschilden schützen und die Reibung des atmosphärischen Eintritts nutzen, um das Überschallflugzeug auf Unterschallgeschwindigkeit zu verlangsamen. Sobald der flammende Teil vorbei ist, können wir einfach einen Fallschirm herausspringen lassen, um die Geschwindigkeit weiter zu verringern und zu einer sanften (oder zumindest überlebensfähigen) Land- oder Wasserlandung zu driften.
Die Marsatmosphäre ist dick genug, um einen feurigen Einflug zu erzeugen, für den ein Hitzeschild erforderlich ist. Sie ist jedoch zu dünn, als dass nur ein Fallschirm ein Raumschiff auf eine sichere Landegeschwindigkeit verlangsamen könnte. Als Curiosity 2012 in der Marsatmosphäre auftauchte, bewegte es sich mit 5, 8 Kilometern pro Sekunde. Als der Hitzeschild alles getan hatte, was er konnte, raste das Raumschiff immer noch mit 400 Metern pro Sekunde auf den Boden zu. Der Fallschirm von Curiosity konnte und tat es, verlangsamte es aber nur auf 80 Meter pro Sekunde. Das Auftreffen auf dem Boden mit dieser Geschwindigkeit ist selbst für einen Roboter nicht überlebensfähig.
In einer luftleeren Welt wie dem Mond sind Hitzeschilde nicht erforderlich und Fallschirme nützen Ihnen nichts. Aber keine Angst, wir haben seit den 1960er Jahren die Technologie für Mondlandungen: Nehmen Sie einige Raketen und richten Sie sie nach unten, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs aufzuheben.
Die Atmosphäre macht es auf dem Mars allerdings etwas kniffliger. Mit der Bewegung der Luft als zusätzlichen Faktor können unvorhersehbare Winde einem absteigenden Raumfahrzeug eine ebenso unvorhersehbare horizontale Geschwindigkeit verleihen. Aus diesem Grund müssen Landegebiete auf dem Mars geringe regionale Steigungen aufweisen. Hohe horizontale Winde und hohe Hänge könnten einen Lander viel weiter vom Boden entfernt oder näher am Boden positionieren als erwartet - und jede Situation könnte eine Katastrophe bedeuten.
Illustration des InSight-Landers der NASA, der kurz vor der Landung auf der Marsoberfläche steht. (NASA / JPL-Caltech) Ein Marslander benötigt drei Technologien, um an die Oberfläche zu gelangen: einen Hitzeschild, einen Überschallfallschirm und Retrorockets. Die Wikinger-Missionen zum Mars Mitte der 1970er-Jahre wurden vorbereitet, indem Fallschirme auf suborbitalen Raketen getestet wurden, um zu überprüfen, ob sie sich ohne Zerreißen mit über dem Schall liegenden Geschwindigkeiten aufblasen ließen. Alle erfolgreichen Marslandungen seitdem (alle NASAs) haben sich auf Fallschirme mit Wikinger-Erbe verlassen. Vor kurzem hat die NASA neue Anstrengungen unternommen, um Verlangsamungstechnologien zu entwickeln, mit denen Raumschiffe schwerer als die Wikingersonden landen können. Diese Bemühungen waren anfangs nicht erfolgreich und führten zu katastrophal zerfetzten Fallschirmen. (Neuere Tests haben besser funktioniert.)
Was wissen wir vor diesem Hintergrund darüber, was für kürzlich gescheiterte Marslander schief gelaufen ist? Für zwei von ihnen - Mars Polar Lander und Beagle 2 - können wir nur spekulieren. Das Raumschiff war nicht in der Lage, Echtzeit-Telemetriedaten beim Abstieg zu übertragen. Das Scheitern des Mars Polar Lander hat der NASA eine wichtige Lektion erteilt: Wenn wir etwas aus unseren Fehlern lernen wollen, müssen wir so viele Daten wie möglich bis zum Scheitern sammeln. Seit dem Absturz des Mars Polar Lander Ende 1999 hat jeder Marslander mit Ausnahme des Beagle 2 der ESA Daten an einen Orbiter übertragen, der rohe Funksignale für zukünftige Analysen im Falle eines Ausfalls aufzeichnete.
Heutzutage gibt es auf dem Mars viele Orbiter, also können wir es noch besser machen. Es gibt immer einen Orbiter, der die letzten Funksignale von einem Lander hört und aufzeichnet, nur im Katastrophenfall. Und normalerweise gibt es einen sekundären Orbiter, der das Signal nicht nur hört, sondern decodiert und die Informationen so schnell an die Erde weiterleitet, wie es die langsame Lichtbewegung zulässt. Diese Datenübertragung mit gebogenen Rohren hat uns ein adrenalinreiches Echtzeitbild der Marslandeversuche geliefert.
Eine Karte des Mars, auf der die Standorte aller sieben erfolgreichen Landungen der NASA sowie der Landeplatz von InSight in der flachen Region von Elysium Planitia aufgeführt sind. (NASA) Wenn InSight landet, wird es dem Mars Reconnaissance Orbiter überlassen, Telemetrie für zukünftige Dissektionen aufzuzeichnen, falls der Versuch fehlschlägt. Um Echtzeitdaten über die Landung zu erhalten, hat InSight jedoch zwei kleine Begleiter für die Raumfahrt mitgebracht: die MarCO CubeSats, die jeweils nur drei Fuß lang sind. Die Mars Cube One Raumsonden sind die ersten interplanetaren CubeSats. Wenn das Schiff erfolgreich ist, erhält die Welt ihre Echtzeitberichte über die Landung von InSight, und die kleinen Weltraumroboter bereiten den Weg für künftig kleinere, billigere Reisen zum Mars.
Im Moment sind alle Augen auf InSight gerichtet. Die NASA ist sieben Mal erfolgreich auf dem Mars gelandet, und vor Ablauf des Monats wird die Weltraumbehörde versuchen, acht zu erreichen.
Emily Lakdawalla ist eine planetarische Evangelistin bei The Planetary Society und Herausgeberin der vierteljährlichen Publikation The Planetary Report. Ihr neues Buch ist The Design and Engineering of Curiosity: Wie der Mars Rover seinen Job ausführt .
Das Entwerfen und Entwickeln von Neugier: Wie der Mars Rover seine Arbeit verrichtet
Dieses Buch beschreibt die komplexeste Maschine, die jemals auf einen anderen Planeten geschickt wurde: Neugier. Es ist ein Ein-Tonnen-Roboter mit zwei Köpfen, siebzehn Kameras, sechs Rädern, Atomkraft und einem Laserstrahl auf dem Kopf. Kein Mensch versteht, wie all seine Systeme und Instrumente funktionieren. Dieser wesentliche Bezug zur Curiosity-Mission erklärt die Technik, die hinter jedem System des Rovers steckt, vom raketengetriebenen Jetpack über den thermoelektrischen Radioisotop-Generator bis hin zum teuflisch komplexen Probenhandhabungssystem.
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