Wie wählen Luft- und Raumfahrtingenieure ein Landesystem aus? (Neugier-Rover)

Habe meinen Abschluss in Raumfahrttechnik (das ist Weltraum, nicht Luft- und Raumfahrt; kein Flugzeugzeug in meinem Lernen), also dachte ich, ich sollte diese Antwort versuchen.

Die NASA-Ingenieure planen diese Art von System folgendermaßen: Nachdem sie sich für die übergeordneten Missionsparameter entschieden haben, erstellen sie eine Liste mit mehreren verschiedenen Landesystemen. Für MSL umfasste dies das endgültige Design, Aerobraking, Airbags und eine Vielzahl anderer Möglichkeiten. Im Laufe der Zeit entfernen sie die weniger machbaren (normalerweise gibt es einen Slot namens „neue Technologie“, der neue Technologien zulässt, an die wir nicht gedacht haben; dies wird normalerweise früh entfernt, da wir einige Jahre benötigen, um dies sicherzustellen neue Technologie ist TRL8). Missionen wie MSL sind normalerweise etwa ein Jahrzehnt vor dem Start in Arbeit, was viel Zeit für die Verfeinerung der Missionsparameter gibt. Irgendwann wurde festgestellt, dass die Masse von MSL für einen rein aerodynamischen Einsatz zu groß sein würde. Zusätzlich, Sie entschieden, dass die unternehmenskritischen Systeme zu empfindlich für Airbags waren, die fein kalibrierte Geräte ernsthaft beeinträchtigen können (die Schwere hatte auch mit der Verschrottung der Airbags zu tun). Unnötig zu erwähnen, dass die alternativen Landesysteme eines nach dem anderen schließlich alle als undurchführbar, nicht den Missionsanforderungen entsprechend, unmöglich, zu teuer oder zu riskant verworfen wurden (mit allem ist eine Risikoanalyse verbunden. Wenn irgendetwas einen Zeh über den Haufen wirft die bestimmt "zu riskante" Linie, es ist weg). Wie bereits erwähnt, wurden viele dieser Alternativen aufgrund zahlreicher Simulationen, die zeigten, dass sie nicht funktionieren würden, eliminiert. Und ich kann bestätigen, dass es viele Simulationen gab. Das erste (und später Das Letzte, was die Ingenieure tun, wenn sie einen neuen Satz von Parametern oder ein neues Missionskonzept erhalten, ist, es zu modellieren, um Machbarkeit, Budgetbeschränkungen, Zeitpläne usw. zu bestimmen. Und diese Simulationen sind nicht auf die NASA beschränkt; jeder macht sie und berichtet von interessanten Erkenntnissen. Zum Beispiel bin ich jetzt Physiker, nicht im Geringsten mit der NASA verbunden, aber für die bevorstehende OSIRIS-REx-Mission habe ich bereits Hunderte von Simulationen in Bezug auf Orbitalmuster, Scanwinkel, Daten-Upload-Raten usw. durchgeführt. Und ich habe diese Ergebnisse der NASA gemeldet. Für etwas so Großes wie MSL hatten sie Physiker und Ingenieure aus der ganzen Welt, die Tests durchführten und relevante Daten zurückgaben. Dann können die Ingenieure der NASA diese Daten nehmen und die Liste der verwendbaren Systeme eingrenzen. Und diese Simulationen sind nicht auf die NASA beschränkt; jeder macht sie und berichtet von interessanten Erkenntnissen. Zum Beispiel bin ich jetzt Physiker, nicht im Geringsten mit der NASA verbunden, aber für die bevorstehende OSIRIS-REx-Mission habe ich bereits Hunderte von Simulationen in Bezug auf Orbitalmuster, Scanwinkel, Daten-Upload-Raten usw. durchgeführt. Und ich habe diese Ergebnisse der NASA gemeldet. Für etwas so Großes wie MSL hatten sie Physiker und Ingenieure aus der ganzen Welt, die Tests durchführten und relevante Daten zurückgaben. Dann können die Ingenieure der NASA diese Daten nehmen und die Liste der verwendbaren Systeme eingrenzen. Und diese Simulationen sind nicht auf die NASA beschränkt; jeder macht sie und berichtet von interessanten Erkenntnissen. Zum Beispiel bin ich jetzt Physiker, nicht im Geringsten mit der NASA verbunden, aber für die bevorstehende OSIRIS-REx-Mission habe ich bereits Hunderte von Simulationen in Bezug auf Orbitalmuster, Scanwinkel, Daten-Upload-Raten usw. durchgeführt. Und ich habe diese Ergebnisse der NASA gemeldet. Für etwas so Großes wie MSL hatten sie Physiker und Ingenieure aus der ganzen Welt, die Tests durchführten und relevante Daten zurückgaben. Dann können die Ingenieure der NASA diese Daten nehmen und die Liste der verwendbaren Systeme eingrenzen. Wir haben bereits Hunderte von Simulationen zu Orbitalmustern, Scanwinkeln, Daten-Upload-Raten usw. durchgeführt. Und ich habe diese Ergebnisse der NASA gemeldet. Für etwas so Großes wie MSL hatten sie Physiker und Ingenieure aus der ganzen Welt, die Tests durchführten und relevante Daten zurückgaben. Dann können die Ingenieure der NASA diese Daten nehmen und die Liste der verwendbaren Systeme eingrenzen. Wir haben bereits Hunderte von Simulationen zu Orbitalmustern, Scanwinkeln, Daten-Upload-Raten usw. durchgeführt. Und ich habe diese Ergebnisse der NASA gemeldet. Für etwas so Großes wie MSL hatten sie Physiker und Ingenieure aus der ganzen Welt, die Tests durchführten und relevante Daten zurückgaben. Dann können die Ingenieure der NASA diese Daten nehmen und die Liste der verwendbaren Systeme eingrenzen.

Wie sie Aufprallkräfte berechnen usw. Wir haben eine ziemlich gute Vorstellung von den atmosphärischen Bedingungen, der Gravitationskarte und anderen wichtigen Merkmalen des Mars. Die vielen hundert Leute, die Hunderte von Simulationen durchführen, die ich erwähnt habe, decken alles ab. Die NASA verwendet eine Art "Google Mars", um eine Reihe potenzieller Landeplätze und eine Reihe potenzieller Systeme auszuwählen und diese Informationen dann freizugeben. Die Simulationen werden dann für jedes System an jedem Standort unter Verwendung der spezifischen Eigenschaften dieses Standorts durchgeführt. Für unser Endergebnis kannten wir die Gravitationskarte und die Druckdichte. Darüber hinaus können wir die Schubgeschwindigkeit, die Annäherungsgeschwindigkeit und eine Vielzahl anderer Parameter leicht abschätzen. Dann nähern wir uns dem, was übrig bleibt, was wir nicht wissen (kein Scherz, manchmal beschreibt nichts die Realität besser als blindes Raten). Oft, Mit einfacher Newtonscher Physik und einigen leistungsstarken Computern können wir dann fast genau simulieren, was passieren wird. Irgendwann gehen wir natürlich raus und testen ein analoges Modell auf der Erde.

Nach alledem gibt es noch einige Unbekannte. Auf dem Mars wurden bisher nur sehr wenige Dinge verwendet. Jedes Mal, wenn wir eine neue Sonde schicken, testen wir dort ein neues System. MSL landete zwar reibungslos, aber nicht alles. Ich lenke die Aufmerksamkeit auf den Mars-Lander Beagle II (mit dem treffenden Spitznamen Mars Polar Crasher), der auf die Oberfläche aufschlug, ohne langsamer zu werden. Wir stellen jedoch in jedem Fall sicher, dass das gewählte Landesystem das geeignetste für den Job ist.

Das ist auf den ersten Blick eher eine Ingenieurs- als eine Physikfrage, lurschers Kommentar beantwortet sie tatsächlich: Ingenieure denken über mögliche Lösungen und deren Implikationen nach, testen einige davon in Simulationen und testen schließlich einige in der Realität oder mit Modellen. Beachten Sie, dass "über ihre Auswirkungen nachdenken" tatsächlich bedeutet, Tonnen von Berechnungen durchzuführen, grundlegendes und detailliertes Engineering durchzuführen usw.

Es gibt jedoch physische Einschränkungen, dmckee und aman haben einige erwähnt. Das Problem läuft auf die Skalierung hinaus. Die schwerere Curiosity würde viel schwerere Airbags oder viel mehr Treibstoff (der zum Mars verschifft werden muss) benötigen, um sich auf eine Feuersäule zu setzen, oder riesige Fallschirme / Bremsschilde zum Bremsen in der Luft.

HINWEIS: Dies kann erheblich verbessert werden, indem die Skalierungsprobleme näher erläutert werden. Vielleicht komme ich später darauf zurück. Ab jetzt ist dies etwas weich.

Bearbeiten: Dies ist eine großartige Frage für die kommende Space Exploration SE !

Meine Antwort sollte Sie möglicherweise zufriedenstellen, denke ich. Hier ist eine künstlerische Konzeption von Mars Science Laboratory Entry, Descent & Landing ...

Neugier ist groß, da es 10 wissenschaftliche Instrumente hat, um die Verfügbarkeit von Leben auf dem Mars zu finden. Außerdem verwendet es einen Multi-Mission Radio-Isotop Thermal Generator als Brennstoff. Daher können Airbags nicht verwendet werden, um ein so großes Gewicht zu handhaben, da mehr Kraftstoff zugeführt werden muss, um sie zu tragen, und auch ein so weiches Aufsetzen nicht zu erwarten ist. Sogar Aerobrakinghilft der Landung nicht, wie @dmckee schon davon erzählt hat. Darüber hinaus wurden drei Satelliten wie der Mars Express Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation, der Mars Reconnaissance Orbiter der NASA und der Viking Orbiter verwendet, um die Umgebung des Mars für die sichere Landung von Curiosity zu untersuchen. Nach dem Eintritt des Rovers in die Marsatmosphäre werden die Prozesse wie das Ausfahren des Fallschirms, die Trennung des Hitzeschilds, die Erfassung von Radardaten, die Trennung von der Aeroshell und die Verwendung der raketenbetriebenen Booster namens Sky Crane und sogar das Aufsetzen von Curiosity durchgeführt . Daher bezeichnete die NASA dies als sieben Minuten des Terrors .

Die raketenbetriebenen Booster sind eine neue Art von Landesystem, das genügend Auftrieb bietet, um die Schwerkraft des Mars und die beim Eintritt auf den Rover ausgeübte Kraft zu überwinden. Dies ist ein vorgeschlagenes Landesystem, da drei Orbiter da draußen sind, um jede Situation zu aktualisieren. Aber selbst nach diesen Vorsichtsmaßnahmen war der Countdown der Curiosity-Landung nicht wie erwartet angemessen. Der Rover landete einige Minuten später als erwartet, da es während des Einflugs schwerwiegende Probleme mit der Atmosphäre gab.

Und ich bin hilflos, Ihre dritte Frage zu beantworten, da andere sie bereits kommentiert haben. Und ja, sie sind sehr wahr. Wissenschaftler haben Millionen von Simulationen und Tests durchgeführt, bevor sie ein so riskantes Landesystem genommen haben.

Nun, einer der Faktoren, die sich auf das Landesystem auswirken, ist die Größe des Rovers. Das Airbagsystem ist für kleine Rover geeignet. Der Curiosity Rover hat die Größe eines Autos und war daher zu schwer für die Airbag-Methode.

Integrierte Landesysteme stellen ebenfalls eine enorme Konstruktionseinschränkung dar, die eigene Sensoren, Aktuatoren und Stromquellen erfordern. Da das Landesystem nur einmal verwendet wird, kann es als Konstruktionsvorteil angesehen werden, es zu trennen und dieses zusätzliche Gewicht und die Haftung zu verlieren.