Ihr erinnert euch sicher noch daran, als vor fast zwei Jahren die NASA-Raumsonde Curiosity auf dem Mars gelandet ist. Die Landung war spektakulär und das lag vor allem an der Methode, die man gewählt hatte. Frühere Rover hat man ja im wesentlichen einfach abgeworfen. Eingehüllt in einen großen Airbag haben sie (hoffentlich) den Aufprall auf dem Mars überlebt und sind dann zu ihren Missionen aufgebrochen. Aber Curiosity war ein riesiges Teil; fast eine Tonne schwer und so groß wie ein Auto. Da funktioniert kein Airbag mehr und man hat das Ding deswegen an einem „Skycrane“ herabgelassen. Der ganze Rover hing an einem langen Seil und wurde von einer über der Marsoberfläche schwebenden Landeeinheit langsam abgeseilt. Das war eine sehr ambitionierte und riskante Methode – aber sie hat funktioniert! Und wenn in Zukunft andere große Raumsonden und Rover auf dem Mars landen werden, wird man ähnlich dramatische Wege finden müssen, sie sanft zur Oberfläche zu bringen. Eine davon wird gerade von der Europäischen Weltraumagentur ESA in Deutschland getestet.
Bei Trauen in der Lüneburger Heide hat man einen 1600 Quadratmeter großen Ausschnitt der Marsoberfläche nachgebaut, komplett mit jeder Menge Steine, Abhänge und anderer Hindernisse, die eine sichere Landung unmöglich machen. Im Rahmen des STARTIGER (das steht für „Space Technology Advancements by Resourceful, Targeted and Innovative Groups of Experts and Researchers“)-Projekts haben Wissenschaftler aus Deutschland, Portugal und Polen einen Dropter gebaut: einen „Dropship Quadrocopter“. Der fliegt bis zu 17 Meter hoch, wird zuerst über GPS gesteuert und sucht sich danach selbstständig einen vernünftigen Landeplatz für einen Rover aus. Der wird an einem 5 Meter langen Seil herabgelassen bis er sanft am Boden aufsetzt. Der Dropter ist noch ziemlich klein, aber es ist ja auch vorerst nur eine Testversion:
Das Konzept ist nun erfolgreich demonstriert worden. Es ist möglich, eine Landeeinheit in die Atmosphäre des Mars zu bringen, wo sie dann selbstständig einen brauchbaren Landeplatz aussucht und einen Rover abseilen kann. Jetzt steht es bereit, um auch tatsächlich für Weltraummissionen eingesetzt zu werden. Aber dazu muss die ESA erstmal wieder etwas zum Mars schicken. Das wird frühestens im Jahr 2016 der Fall sein, wenn laut Plan ExoMars starten soll; da will man aber noch nicht auf der Oberfläche landen. Das soll erst 2018 passieren. Aber wie das bei Weltraummission so ist, sollte man sich besser nicht auf diese Daten verlassen…
Der Luftdruck aufm Mars hat nichtmal 1 % von unserem – wie soll das da funktionieren? 100fache Rotorgeschwindigkeit? Kann man das so einfach dimensionieren?
Bei der relativ geringen Dichte der Mars-Athmosphäre stelle ich es mir ziemlich schwierig vor einen Copter überhaupt zum Fliegen zu bekommen.
Hinzu kommt noch, dass es auf dem Mars kein GPS gibt 🙂
Der atmosphärische Luftdruck auf der Marsoberfläche ist geringer als der in der Erdatmosphäre in 50 km Höhe. Damit fallen alle Fluggeräte weg, die sich den Auftrieb über Druckunterschiede an ihren Tragflächen beschaffen müssen. Es ginge vermutlich nur mit entsprechend großen (und damit schweren) Rotorblättern, die widerum viel mehr Energie benötigten, um die Last zu bewegen und zu balancieren. Eine andere Alternative wäre eine Zeppelin-Konstruktion, die langsam zum Boden schweben könnte.
Also 100-fache Rotorgeschwindigkeit halte ich für illusorisch, aber im Durchmesser vergrösserte Rotoren für machbar. Die kann man sehr wahrscheinlich zwar nicht linear hoch skalieren, aber so die Kombination aus grösseren Rotoren und vielleicht auch vergrösserter Drehzahl dürfte es machen. Und man wird das sicher auch noch in einer geeigneten Unterdruckkammer testen müssen.
@alle: Der Copter-Antrieb ist nicht das eigentliche Ziel der Tests. Das würde vielleicht noch funktionieren, da der Mars eine Restatmosphäre hat, und in der Tat müssten die Rotoren verändert werden und eine höhere Umdrehungszahl haben. Ob es vom Energieeinsatz her machbar wäre, ist eine andere Frage.
Hier ist ein Link zu einem interessanten Artikel der ESA.
Das Ziel dieses Projekts, so wie ich es lese, sind folgende Dinge, die man unter dem Schlagwort „vollautomatische und sichere Präzisionslandung“ zusammenfassen könnte:
1. einen geeigneten Landeplatz aufgrund von automatisierter Bildverarbeitung finden,
2. den Anflug bis einschließlich zur Landung automatisiert steuern,
3. eine Landung bis zum Aufsetzen durch Aggregate direkt an der Hauptlast durchführen (nicht mittelbar durch einen Sky-Crane, und nicht durch Abwurf),
4. Navigation insgesamt durch mehrere Hilfsmittel, wie präzise Bildauswertung im Vergleich mit Kartenmaterial, Peilsendern, Sternennavigation etc.
Die Nutzung eines Quadcopters im Forschungsprojekt ist lediglich Mittel zum Zweck, um die Forschung möglichst preiswert auf der Erde durchführen zu können. Der Antrieb durch Rotoren mag für einen späteren Marseinsatz durch andere ersetzt werden, vielleicht Raketenmotoren. Das GPS dient zunächst zur präzisen Lokalisierung des erreichten Zielpunktes und mag später ebenfalls durch andere verfügbare Verfahren ersetzt werden.
Das Ziel ist eigentlich klar: eine gewisse Lande-Intelligenz. Der Eingriff von Menschen kann am Mars nur mit einer Zeitverzögerung in der Größenordnung einer Stunde durchgeführt werden. Eine Landung muss aber in Minutenschnelle erfolgen, und das geht dann nur vollautomatisiert. Die Erkenntnis ist: offenbar können wir das bisher noch gar nicht richtig.
Also der Auftribe steigt mit der Geschwindigkeit im Quadrat. Somit wäre die Drehzahl 10 mal höher bei 100 mal geringere Dichte.
Der Luftdruck auf dem Mars ist im Mittel 6-7mbar. Die Atmosphäre besteht zu 95% aus CO2 (rest N2 und Argon) bei Durchschnittlich -60°C. Die Dichte ist deshalb bei ca. 1.3% im Vergleich zur Irdischen.
An tieferen Stellen ist der Luftdruck allerdings höher bei ca. 10mbar => 2% Luftdichte => 7 fache Drehzahl.
Die Rotoren brauchen tatsächlich mehr Energie (lineare Zuname) sofern sie nicht grösser gebaut werden (was sicherlich sinnvoll wäre). Bei gleicher Drehzahl (und Energieverbrauch) müssten die Rotoren 7 mal grösser sein.
@saxonia: Das bezweifle ich. Die ESA wird wohl wissen ob das möglich ist oder nicht und nicht nur aus Spass Geld in ein solches Projekt investieren. Der Rekord für Flugzeuge liegt bei 30km (Helios von der NASA) dort ist der Luftdruck bei ca. 1.3% des Bodendrucks. (in 50km Höhe beträft der Luftdruck noch ca. 0.1%).
@myself: Das Prinzip des Sky-Crane hat man nicht ganz verworfen. Florian schreibt ja schon, dass die Last an einem 5m-Seil abgelassen wird, und im verlinkten Artikel steht es auch. Das hatte ich erst überlesen.
@Luk
Hammer nice! Woher hast du denn all die Infos her?
Auf jeden Fall vielen Dank dafür. Super interessant! 😉
Sorry, wenn die Frage vielleicht etwas „dumm“ erscheint, da ich kein Ass in theoretischer (Exo-)Aerodynamik bin.
Aber wäre nicht mehr Auftrieb auch gegeben, wenn man die Anzahl der Rotorblätter pro Rotor erhöht?
Also statt 2 Rotorblätter/Rotor, wie die meisten Drohnen und Spielzeuge haben, 6 oder 8 Rotoblätter/Rotor?
Auch der Winkel, ob gerade oder gebogene Form, müssten doch Auswirkungen auf die theoretische Auftriebsleistung haben.
Steuern könnte man die Rotoren im Gondelprinzip, wie zum Beispiel bei dem Osprey VTOL.
@Chris: Die Frage ist nicht dumm, und man muss bestimmt nicht Aerodynamiker sein, um hier zu lesen oder Fragen zu stellen.
Die Idee ist auch nicht schlecht, man könnte wirklich die Anzahl der Rotorblätter erhöhen. Der Luftwiderstand würde etwas steigen und der Energieverbrauch zum Antrieb des Rotors sich etwas erhöhen. Wenn man mal eine Schiffsschraube im Vergleich zur „Luftschraube“ nimmt: Die Schiffschraube im Wasser bewegt sich in einem im Vergleich viel dickflüssigerem Medium, und zwar langsamer, und die Rotorblätter sind viel breiter und „schaufeliger“. Die Schränkung bzw. Verdrehung eines Blattes in sich ist stärker. Siehe auch Wikipedia zu Propeller.
Es gibt aber einen Einfluss, der die Anzahl der Rotorblätter nach oben hin begrenzt, und das sind Wirbel. Die Wirbel entstehen grundsätzlich an Kanten in Strömungen, müssen aber gut abfließen, um die Strömung und damit den Auftrieb insgesamt nicht zu behindern. Bei Flugzeugen und an Helikoptern kennt man Wirbelschleppen, und man kennt bei Tragflächen auch das Problem des Strömungsabrisses, das durch Wirbel mitverursacht wird. Sehr viele Blätter pro Rotor kann man in Turbinen verwenden, denn dort hat man eine sehr starke laminare Strömung, die nur kleine Wirbel zulässt.
@DeLuRo
In einer dünneren Atmosphäre sollten doch Wirbel kein großes Problem sein, oder? Jedenfalls ist die Reynoldszahl proportional zur Dichte des Fluids, und kleinere Reynoldszahl bedeutet laminaren Fluß.
Falls das Projekt überhaupt durchgezogen wird, da die Russen mitspielen und das Verhältnis derzeit etwas gespannt ist. Außerdem wurde das Projekt schon 2* auf Eis gelegt.
@Chris
Ich denke das sollte zumindest im Standschub was bringen. Allerdings gibt es Grenzen weil man den Schub pro Fläche nicht unbegrenzt ansteigen lassen kann (Schlussendlich ist der Schub ja von der Dichte und der Geschwindigkeit abhängig und letztere entsteht durch Druckunterschiede vor und hinter dem Propeller).
@Chemiker
Aber die Geschwindigkeit und/oder der Durchmessers des Probs sind grösser und die Gesetze dahiner sind Grundsätzlich dieselben. Die Randwirbel gibt es immer. Andere Wirbel kommen von der Reynoldszahl wobei man sich fragen muss ob man wirklich ein Laminarprofil will (effizient aber anfälliger).
Guten morgen zusammen.
@DeLuRo: Mein Gedanke war, dass ein Propeller in der Mars Atmosphäre mehr Luft bzw. Gasgemisch mit extrem niedriger Dichte bewegen muss, um Auftrieb zu erzeugen.
Mehr Rotorblätter würden ja auch eine größere (Dreh-)Flügelfläche bedeuten.
Die Geschwindigkeit muss ja auch nur soweit reduziert werden, dass eine Nutzlast sicher abgesetzt und die Flugeinheit mit den Propellern in eine sichere Entfernung von der Nutzlast gebracht werden kann.
Der Skycrane von Curiosity hat nach dem Absetzen ein Vollschubmanöver geflogen, dass den Skycrane mehrere Kilometer von Curiosity entfernt, hat abstürzen lassen.
@Luk: Klar, dass irgendwo ein Limit erreicht ist. Eine unerschöfliche Energiequelle haben wir ja noch nicht, die einen unzerstörbaren Propeller, unendlich Stark antreiben kann! 😉
Würde sich hier nicht zusätzlich zu der Erhöhung der Anzahl der Rotorblätter das Mantelpropeller-Prinzip anbieten? DeLuRo hat mich mit der Turbinen-Anmerkung darauf gebracht.
Zum einen würde es wohl das Problem der Wirbel an den Rotorblätterspitzen verringen und ich denke, dass man durch eine entsprechend Bauweise des Mantels auch eine Erhöhung des Auftriebes erreichen könnte.
Ich denke hier an eine Verengung, die den Luftstrom beschleunigt. Wie bei einem Wasserschlauch, den man zu hält. Es kommt zwar weniger Wasser durch, aber die Geschwindigkeit nimmt durch den höheren Druck an der Engstelle zu.
Aber bei der ganzen Sache übersehe ich bestimmt wieder mal was.
@Higgs-Teilchen: 1. Semester Luft- und Raumfahrttechnik ;-).
Kleiner Korrektur: 2016 wird sehr wohl auf dem Mars gelandet. Nämlich mit dem EDL Demonstrator „Schiaparelli“.
Eher was für Landungen auf dem Titan, weil dort die Atmosphäre dichter ist.
@McPomm
Siehe DeLuRos #7. Die Studie wird vom „Deutschen Forschungszentrum für künstliche Intelligenz“ durchgeführt, da dürfte es also eher um die Algorithmen zur Steuerung und Identifizierung eines geeigneten Landeplatzes als um die Erforschung von Antriebstechniken gehen. Und Quadrocopterbausätze und -zubehör gibt’s mittlerweile wie Heu, ein mit Raketen ausgestattetes Testgerät hätte sicherlich ein Vielfaches an Entwicklungs- und Versuchskosten verursacht. Ist doch eine prima Approximation einer raketengetriebenen Landeeinheit für kleines Geld.
Derweil erforscht die NASA Möglichkeiten, wie sie große und schwere Landegeräte in der Marsatmosphäre abbremsen kann. Drei Flüge des
UFOsLDSDs sind geplant, einer ist schon erfolgt. Bei diesem funktionierte alles, außer dem Hauptfallschirm. Wird trotzdem als Erfolg betrachtet, weil das Hochschießen (vom Heliumballon aus!) und das Abbremsen mit Lufkissen funktioniert hat.@Chris, Chemiker: Wie Luk schon schreibt, Wirbel gibt es immer, und der Schub hängt vom Druckunterschied ab (der also unvermeidbar ist). Druckunterschiede bewirken unterschiedliche Geschwindigkeiten von Strömungen, und diese Unterschiede bewirken an einigen Stellen Wirbel, da sich die unterschiedlichen laminaren Strömungen nicht sauber voneinander trennen lassen. Und wenn, dann nur im Triebwerk.
Was ich meinte ist, dass die Anzahl der Rotorblätter nach oben begrenzt ist; erhöhen kann man sie wohl schon. Im verlinkten Propeller-Artikel steht aber auch, dass der Wirkungsgrad eines Rotors mit höherer Blattzahl wieder sinkt. Dazu kommt außerdem noch, dass die Umdrehungszahl des Rotors ebenfalls begrenzt ist, abhängig vom Durchmesser. Einmal steigen die Fliehkräfte an, außerdem kann irgendwann Schallgeschwindigkeit erreicht werden und eine Schockfront entstehen. Beides kann auf die Blätter zerstörerisch wirken, erfordert aber zumindest eine sehr hohe Qualität.
@Chris: „Mantelpropeller-Prinzip“ (bzw. Mantelstromtriebwerk)
Genau das hätte ich jetzt auch erwähnt. Turbofan-Triebwerke haben ihren besten Wirkungsgrad in dünnerer Luft, und vermutlich ließe sich das auf die Marsatmosphäre optimieren. Hier ist ein erster WP-Artikel dazu. Weiterhin zu erwähnen: Es gibt Strömungen in geschlossenen Rohren, und es gibt das Prinzip des Schubs an einer Düse, und das ist nicht ganz dasselbe (z.B. beim erwähnten Gartenschlauch).
Sorry, besser Link auf Strahltriebwerk.
@Mc_Pomm
Auf Titan braucht man keine Sky-crane oder ähnliches, ein Fallschrim kann dort eine Kapsel problemlos auf geringe Geschwindigkeiten abbremsen (wie auf der Erde die Sojus). Auf dem Mars müsste aber ein Fallschrim für eine Geschwindigkeit von unter 5m/s (oder so) riesig sein (4-5 facher Durchmesser) auf Titan hingegen deutlich kleiner (höhere Dichte der Atmosphäre und geringere Gravitation).
Man sollte auch immer wieder daran denken, dass solche autonome Intelligenz, wie sie oben erwähnt wurde, in Entwicklungen für Militärtechnik einfließen kann und wird. Bei den viel diskutierten Drohnen könnte die automatische Suche nach einem Landegebiet für den Einsatz verwendet werden, oder einfach nur zur Landung bei Treibstoffknappheit oder ähnlichem. Zu diesem Thema gibt es einen guten ein Jahr alten Artikel im Fokus.
Diese Form künstlicher Intelligenz zusammen mit Militärgerät wird auch als Roboterwaffen bezeichnet. Auf „phoenix“ gab es gerade die Widerholung eines etwa ein Jahr alten Beitrages „Krieg der Roboter“. Diesen Beitrag von ZDF.Info gibt es auf YouTube unter „[Doku] Krieg der Roboter“ (12:35) und einen weiteren knapp einstündigen Film unter „Krieg der Drohnen — Dokumentation“, von ZDF/Arte.
@DeLuRo: Turboprop wäre wirklich eine bessere Alternative, aber dadurch erhöht sich das Gewicht. Einimal durch die schwereren Motoren und dann wird zusätzlich Treibstoff benötigt. Ich glaube nicht, dass das machbar wäre, zumal sich die Kosten dadurch signifikant erhöhen oder du kannst nur eine kleinere SOnde mitnehmen.
Zur aerodynamik auf dem mars gibt es einen guten (lustigen) Artikel von Randall Munroe auf what-if.xkcd.com. Dort schreibt Randall sinngemäß: „Fliegen [mit einem Flugzeug] auf dem Mars ist möglich, man braucht aber sehr hohe Geschwindigkeiten um genügend Auftrieb zu erzeugen“. Das würde ich so interpretieren, dass ein Propeller (ist ja auch nichts anderes als ein rotierender Flügel) prinzipiell genug Auftrieb erzeugen kann, aber eben sehr schnell drehen müsste, was technisch anspruchsvoll ist.
Ich verstehe den Artikel aber auch eher so, dass der Quadcopter dazu genutzt wird um die Landeintelligenzsoftware zu testen. Für Tests hier auf der Erde ist eben ein Quadcopter als Antrieb optimal. Auf dem Mars würde die ESA dann auf einen Antrieb umsteigen, der für dortige Verhältnisse optimal ist und das kann sicherlich auch ein Raketenmotor sein.