Anmerkung des Herausgebers: Dieser Gastbeitrag wurde von Andy Tomaswick verfasst, einem Elektrotechniker, der sich mit Weltraumwissenschaft und -technologie befasst.
Eine der technisch schwierigsten Aufgaben zukünftiger bemannter Missionen zum Mars ist es, die Astronauten sicher auf den Boden zu bringen. Die Kombination der für eine kurze Reise im Weltraum erforderlichen hohen Geschwindigkeit und der viel leichteren Marsatmosphäre schafft ein Aerodynamikproblem, das bisher nur für Roboter-Raumfahrzeuge gelöst wurde. Wenn die Menschen eines Tages auf der staubigen Oberfläche des Mars wandeln, müssen wir zuerst bessere EDL-Technologien (Entry Descent and Landing) entwickeln.
Diese Technologien sind Teil eines kürzlich abgehaltenen Treffens des Lunar Planetary Institute (LPI), der Konferenz The Concepts and Approaches for Mars Exploration, die vom 12. bis 14. Juni in Houston stattfand und sich auf die neuesten Fortschritte bei Technologien konzentrierte, die das EDL-Problem lösen könnten.
Von der Vielzahl der Technologien, die auf dem Treffen vorgestellt wurden, schienen die meisten ein mehrstufiges System zu umfassen, das mehrere verschiedene Strategien umfasste. Die verschiedenen Technologien, die diese Ebenen füllen, sind teilweise missionsabhängig und alle müssen noch weiter getestet werden. Drei der am häufigsten diskutierten waren Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators (HIADs), Supersonic Retro Propulsion (SRP) und verschiedene Formen des Aerobraking.
HIADs sind im Wesentlichen große Hitzeschilde, die häufig in den letzten 50 Jahren der Raumfahrt verwendet werden. Sie arbeiten mit einer großen Oberfläche, um genügend Luftwiderstand durch die Atmosphäre eines Planeten zu erzeugen, um das fahrende Fahrzeug auf eine angemessene Geschwindigkeit zu verlangsamen. Da diese Strategie auf der Erde seit Jahren so gut funktioniert, ist es selbstverständlich, die Technologie auf den Mars zu übertragen. Es gibt jedoch ein Problem mit der Übersetzung.
HIADs sind auf Luftwiderstand angewiesen, um das Fahrzeug abbremsen zu können. Da der Mars eine viel dünnere Atmosphäre als die Erde hat, ist dieser Widerstand bei weitem nicht so effektiv, um den Wiedereintritt zu verlangsamen. Aufgrund dieses Effektivitätsrückgangs werden HIADs nur für die Verwendung mit anderen Technologien in Betracht gezogen. Da es auch als Hitzeschild verwendet wird, muss es zu Beginn des Wiedereintritts am Schiff angebracht werden, wenn die Luftreibung auf einigen Oberflächen eine massive Erwärmung verursacht. Sobald das Fahrzeug auf eine Geschwindigkeit verlangsamt ist, bei der das Heizen kein Problem mehr darstellt, wird der HIAD freigegeben, damit andere Technologien den Rest des Bremsprozesses übernehmen können.
Eine dieser anderen Technologien ist SRP. In vielen Systemen ist SRP nach der Veröffentlichung des HIAD in erster Linie dafür verantwortlich, das Fahrzeug zu verlangsamen. SRP ist die Art von Landetechnologie, die üblicherweise in Science Fiction zu finden ist. Die allgemeine Idee ist sehr einfach. Dieselben Motortypen, die das Raumschiff beschleunigen, um der Geschwindigkeit auf der Erde zu entkommen, können umgedreht und verwendet werden, um diese Geschwindigkeit beim Erreichen eines Ziels zu stoppen. Um das Schiff zu verlangsamen, drehen Sie entweder die ursprünglichen Raketen-Booster beim Wiedereintritt um oder konstruieren Sie nach vorne gerichtete Raketen, die nur während der Landung verwendet werden. Die für diese Strategie erforderliche chemische Raketentechnologie ist bereits gut bekannt, aber Raketentriebwerke arbeiten anders, wenn sie mit Überschallgeschwindigkeit fahren. Es müssen weitere Tests durchgeführt werden, um Motoren zu entwickeln, die den Belastungen solcher Geschwindigkeiten standhalten können. SRPs verwenden auch Treibstoff, den das Fahrzeug für die gesamte Entfernung zum Mars benötigt, was seine Reise teurer macht. Die SRPs der meisten Strategien werden auch irgendwann während des Abstiegs abgeworfen. Der Gewichtsverlust und die Schwierigkeit eines kontrollierten Abstiegs, wenn man einer Flammensäule zu einem Landeplatz folgt, tragen zu dieser Entscheidung bei.
Sobald die SRP-Booster abfallen, würde in den meisten Konstruktionen eine Aerobraking-Technologie die Kontrolle übernehmen. Eine auf der Konferenz häufig diskutierte Technologie war der Ballut, eine Kombination aus Ballon und Fallschirm. Die Idee hinter dieser Technologie ist es, die Luft, die am Landungsboot vorbeiströmt, einzufangen und damit einen Ballut zu füllen, der an das Landungsboot gebunden ist. Die Kompression der Luft, die in den Ballut strömt, würde dazu führen, dass sich das Gas erwärmt, wodurch ein Heißluftballon entsteht, der ähnliche Auftriebseigenschaften wie die auf der Erde verwendeten hat. Unter der Annahme, dass genügend Luft in den Ballut strömt, könnte dies die endgültige Verzögerung bewirken, die erforderlich ist, um das Landungsboot bei minimaler Belastung der Nutzlast sanft auf der Marsoberfläche abzulegen. Die Gesamtmenge, die diese Technologie das Fahrzeug verlangsamen würde, hängt jedoch von der Luftmenge ab, die es in seine Struktur injizieren könnte. Mit mehr Luft kommt ein größerer Ballut und mehr Belastungen für das Material, aus dem der Ballut besteht. Mit diesen Überlegungen wird es nicht als eigenständige EDL-Technologie betrachtet.
Diese Strategien kratzen kaum an der Oberfläche der vorgeschlagenen EDL-Methoden, die von einer menschlichen Mission zum Mars verwendet werden könnten. Curiosity, der neueste Rover, der bald auf dem Mars landen wird, verwendet mehrere, darunter eine einzigartige Form von SRP, den Sky Crane. Die Ergebnisse seiner Systeme werden Wissenschaftlern wie denen auf der LPI-Konferenz helfen, herauszufinden, welche Suite von EDL-Technologien für zukünftige menschliche Missionen zum Mars am effektivsten ist.
Bildunterschrift führen: Künstlerkonzept des Hyperschall-aufblasbaren aerodynamischen Verzögerers, der den atmosphärischen Eintritt eines Raumfahrzeugs verlangsamt. Bildnachweis: NASA
Zweite Bildunterschrift: Überschalljets werden vor einem Raumschiff abgefeuert, um das Fahrzeug beim Eintritt in die Marsatmosphäre vor dem Einsatz des Fallschirms abzubremsen. Das Bild zeigt das Mars Science Lab in Mach 12 mit 4 Überschall-Retropropulsionsdüsen. Bildnachweis: NASA
Quelle: LPI-Konzept und Ansätze für die Marserkundung
