Hubschrauberdrohnen auf dem Mars

Das Jet Propulsion Laboratory der NASA gab kürzlich bekannt, dass es einen kleinen Drohnenhubschrauber entwickelt, um den Weg für zukünftige Marsrover zu finden. Warum brauchen Marsrover einen solchen Roboterführer? Die Antwort ist, dass das Fahren auf dem Mars sehr schwer ist.

Hier auf der Erde können Roboter, die Vulkanfelgen erkunden oder Rettungskräften helfen, mit einem Joystick ferngesteuert werden. Dies liegt daran, dass Funksignale den Roboter fast sofort von seiner Zentrale aus erreichen. Auf dem Mond zu fahren ist nicht viel schwieriger. Mit Lichtgeschwindigkeit übertragene Funksignale benötigen etwa zweieinhalb Sekunden, um die Hin- und Rückfahrt zum Mond und zurück zu machen. Diese Verzögerung reicht nicht aus, um das Fahren der Fernbedienung ernsthaft zu beeinträchtigen. In den 1970er Jahren fuhren sowjetische Kontrolleure die Lunokhod-Mondrover auf diese Weise und erkundeten erfolgreich mehr als 40 km Mondgelände.

Auf dem Mars zu fahren ist viel schwieriger, weil es so viel weiter weg ist. Abhängig von seiner Position in Bezug auf die Erde können Signale für die Hin- und Rückfahrt zwischen 8 und 42 Minuten dauern. Vorprogrammierte Anweisungen müssen an den Rover gesendet werden, den er dann selbstständig ausführt. Jede Marsfahrt erfordert Stunden sorgfältiger Planung. Stereobilder, die von den Navigationskameras des Rovers aufgenommen wurden, werden von den Ingenieuren sorgfältig geprüft. Bilder von Raumfahrzeugen, die den Mars umkreisen, liefern manchmal zusätzliche Informationen.

Ein Rover kann entweder so programmiert werden, dass er einfach eine Liste der von der Erde gesendeten Fahrbefehle ausführt, oder er kann Bilder verwenden, die von seinen Navigationskameras aufgenommen und von seinen Bordcomputern verarbeitet werden, um die Geschwindigkeit zu messen und Hindernisse oder Gefahren selbst zu erkennen. Es kann sogar seinen eigenen sicheren Weg zu einem bestimmten Ziel zeichnen. Antriebe, die auf Anweisungen vom Boden basieren, sind die schnellsten.

Der Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity könnte auf diese Weise in einer Stunde bis zu 124 Meter weit fahren. Dies entspricht etwa der Länge eines American-Football-Feldes. Dieser Modus war aber auch am wenigsten sicher.

Wenn sich der Rover aktiv mit seinen Kameras führt, ist der Fortschritt sicherer, aber aufgrund der erforderlichen Bildverarbeitung viel langsamer. Es kann nur 10 Meter pro Stunde dauern, was ungefähr der Entfernung von der Torlinie zur 10-Yard-Linie auf einem American-Football-Feld entspricht. Diese Methode muss immer dann angewendet werden, wenn der Rover keine klare Sicht auf die bevorstehende Route hat, was häufig aufgrund von unebenem und hügeligem Gelände der Fall ist.

Ab Anfang 2015 ist die am weitesten entfernte Neugierde an einem einzigen Tag 144 Meter. Die längste tägliche Fahrt der Opportunity betrug 224 Meter, eine Entfernung von zwei American-Football-Feldern.

Wenn Bodenkontrolleure einen besseren Überblick über den bevorstehenden Weg erhalten könnten, könnten sie Anweisungen entwickeln, die es einem zukünftigen Rover ermöglichen, an einem Tag viel weiter sicher zu fahren.

Hier kommt die Idee eines Drohnenhubschraubers ins Spiel. Der Hubschrauber könnte jeden Tag vor dem Rover fliegen. Bilder, die von seinem Luftbildpunkt aus aufgenommen wurden, wären für Bodenkontrolleure von unschätzbarem Wert, um Punkte von wissenschaftlichem Interesse zu identifizieren und Fahrrouten zu planen, um dorthin zu gelangen.

Das Fliegen eines Hubschraubers auf dem Mars ist eine besondere Herausforderung. Ein Vorteil ist, dass die Schwerkraft des Mars nur 38% so stark ist wie die der Erde, so dass der Hubschrauber nicht so viel Auftrieb erzeugen muss wie eine der gleichen Massen auf der Erde. Die Propellerblätter eines Hubschraubers erzeugen Auftrieb, indem sie Luft nach unten drücken. Dies ist auf dem Mars schwieriger als auf der Erde, da die Marsatmosphäre hundertmal dünner ist. Um genügend Luft zu verdrängen, müssten sich die Propellerblätter sehr schnell drehen oder sehr groß sein.

Der Hubschrauber muss in der Lage sein, nach vorheriger Anweisung selbstständig zu fliegen und einen stabilen Flug entlang einer vorgegebenen Route aufrechtzuerhalten. Es muss wiederholt in felsigem Marsgelände landen und starten. Schließlich muss es in der Lage sein, die rauen Bedingungen des Mars zu überstehen, wo die Temperatur jede Nacht auf 100 Grad Fahrenheit oder weniger sinkt.

Die JPL-Ingenieure entwarfen einen Hubschrauber mit einer Masse von 1 Kilogramm. ein winziger Bruchteil der 900 kg schweren Masse des Curiosity Rovers. Die Propellerblätter erstrecken sich über 1,1 Meter von Blattspitze zu Blattspitze und können sich mit 3400 Umdrehungen pro Minute drehen. Der Körper ist ungefähr so ​​groß wie eine Taschentuchbox.

Der Hubschrauber ist solarbetrieben, wobei eine Scheibe Solarzellen jeden Tag genug Strom sammelt, um einen Flug von zwei bis drei Minuten zu betreiben und das Fahrzeug nachts zu heizen. Es kann in dieser Zeit etwa einen halben Kilometer fliegen und dabei Bilder für die Übertragung an die Bodenkontrolle sammeln. Ingenieure erwarten, dass die Aufklärung, die der Drohnen-Hubschrauber sammelt, für die Planung der Fahrten eines Rovers von unschätzbarem Wert sein wird und die Entfernung verdreifacht, die an einem Tag zurückgelegt werden kann.

Referenzen und weiterführende Literatur:
Vielen Dank an Mark Maimone vom NASA Jet Propulsion Laboratory für Informationen über die täglichen Fahrstrecken von Curiosity and Opportunity.

J.J. Biesiadecki, P. C. Leger und M. W. Maimone (2007), "Kompromisse zwischen gerichtetem und autonomem Fahren auf den Mars-Explorationsrovern", The International Journal of Robotics Research, 26 (1), 91-104

E. Howell, Opportunity Mars Rover wandert über 41 Kilometer in Richtung Marathon Valley, Space Magazine, Dezember 2014.

T. Reyes, Eine unglaubliche Reise, Mars Curiosity Rover erreicht die Basis des Mount Sharp. Space Magazine, September 2014.

Der Hubschrauber könnte nach Marsrovern suchen. Pressemitteilung des NASA Jet Propulsion Laboratory. 22. Januar 2015.

Crazy Engineering: Der Mars-Hubschrauber. Video des NASA Jet Propulsion Laboratory.

Curiosity-Mars Science Laboratory, NASA.

Mars-Future-Rover-Pläne. NASA

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