Simulation – Die Bedingungen auf Phobos realitätsnah nachbilden
Das Fahren unter niedriger Schwerkraft stellt eine besondere Herausforderung an den MMX-Rover, denn die Anziehungskraft von Phobos beträgt etwa ein Tausendstel der Erdanziehungskraft. Auf der Erde können deshalb viele Tests nicht in einer repräsentativen Umgebung durchgeführt werden. Stattdessen hat das DLR detaillierte Simulationsmodelle des Rovers entwickelt. So konnten die Forschenden in einer virtuellen Umgebung kritische Phasen überprüfen und Software testen.
Warum ist die Simulation für den MMX-Rover so wichtig?
Für ihre Erkundungsmissionen auf dem Mars setzt die NASA die Rover „Curiosity“ und „Perseverance“ ein. Da die Anziehungskraft auf dem Mars etwa ein Drittel der Erdanziehungskraft beträgt, können auf der Erde mit einem funktionsgleichen Rover, der nur ein Drittel von „Curiosity“ oder „Perseverance“ wiegt, repräsentative Tests durchführt werden. NASA-Forschende können in der Wüste Kaliforniens testen, ob der Rover eine Steigung meistert und sicher durch schwieriges Gelände gelangt oder über eine Stelle mit besonders weichem Sand hinwegkommt. Solche Tests sind im MMX-Projekt nicht möglich: Da die Anziehungskraft auf Phobos nur etwa ein Tausendstel der Erdschwerkraft beträgt, müsste für einen repräsentativen Test ein Rover, der tausendmal leichter ist als der MMX Rover, eingesetzt werden.
Auch Tests in einem Fallturm oder Parabelflug waren keine Alternative bei der Entwicklung des MMX-Rovers. Die effektive Zeit – vier Sekunden im Fallturm beziehungsweise circa 20 Sekunden beim Parabelflug – ohne Gravitation ist zu kurz, um beispielsweise eine Messung eines Rads, das sich durch ein Sandfeld dreht, durchzuführen. Außerdem müsste für einen repräsentativen Test der Sandboden aufgelockert werden, bevor ein Radtest durchführt werden kann.
In Laborexperimenten können zwar sämtliche Funktionen, wie beispielsweise das Öffnen der Solarpanele und die Fahrwerkseinstellungen, untersucht werden, es kann aber nicht sichergestellt werden, dass diese auf Phobos genauso funktionieren. Gerade in kritischen Phasen wie während der Landung, dem Aufrichten sowie der Ausrichtung nach der Sonne ist dies jedoch von großer Bedeutung.
Hier kommt die Simulation ins Spiel: Die Gravitationsbeschleunigung ist ein Parameter unter vielen, der angepasst werden kann. Dadurch können Forschende von den Labortests auf die Bedingungen auf Phobos extrapolieren – das heißt, sie können Vorhersagen treffen über Situationen, die außerhalb des bisher Bekannten liegen. Ein weiterer großer Vorteil der Simulation ist, dass sämtliche Größen sichtbar sind – auch jene, die nicht mit Sensoren an der Hardware gemessen werden können, wie zum Beispiel die genaue Geschwindigkeit des Rovers oder das Einsinken der Räder im Boden. Außerdem kann eine Simulation beliebig oft wiederholt werden, um etwa den Einfluss eines Parameters auf das ganze System isoliert zu untersuchen. Darüber hinaus können sehr viele, ähnliche Tests parallel durchführt werden.
Details zum Simulationsmodell
Das Simulationsmodell als Ganzes enthält das mechanische Modell des Rovers, komplett mit Rädern, Aktuatoren, Mechanismen und Sensoren, das Modell der Umgebung (Bodengeometrie und -eigenschaften) und die Kontaktmechanik als Verbindung zwischen den Beiden sowie eine Steuereinheit für die Aktuatoren. Daneben gibt es noch eine Reihe weiterer Elemente zur Aufstellung und Auswertung von Testreihen und eine 3D-Visualisierung.
Das Zentrum des Simulators bildet ein detailliertes mechanisches Modell. Die genauen Massen und Abmessungen der Konstruktion sind genauso abgebildet wie die Wellen und Getriebe als Kraftübertragung zwischen Motoren und Rädern. Ebenfalls getreu modelliert sind Mechanismen zum Beispiel für das Öffnen der Solarpaneele. Sensoren, die es auch in der Hardware gibt, sind ebenso vorhanden, optional mit Effekten wie Rauschen und Drift. Als Sprache für die Modellierung benutzen die Forschenden Modelica, als Umgebung für die Entwicklung und das Durchführen der Simulationen Dymola.
Orbiter-Missionen zum Mars, zum Beispiel die europäische Mission Mars Express, lassen zwar Rückschlüsse auf die Bodenbeschaffenheit auf Phobos zu – zum Beispiel, wie steil die Steigungen sind, wie grob der Sand ist und welche durchschnittliche Größe die Steine haben. Jedoch ist die Auflösung der Aufnahmen nicht fein genug. Das Simulationsmodell verfügt deswegen über eine Funktion, um Bodengeometrie und Steine nach den besten ermittelten statistischen Parametern der Planetenwissenschaftler zu erstellen. Ein Zufallsgenerator erstellt danach eine Menge an verschiedenen Umgebungen, auf denen dann der gleiche Test stattfindet. Damit kann abgeschätzt werden, wie gut der Rover im Durchschnitt seine Ziele erreicht.
Animation: DEM-Simulationen zur Optimierung der Räder des MMX-Rovers
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Anwendungen
Aufrichten
Bevor der Rover auf Phobos fahren kann, muss er die Landung überstehen und sich aufrichten, denn auf der Reise von der Erde zu Phobos sind die Beine und Solarpaneele zusammengeklappt.
Während der Rover die Landung durch die Bauweise des Chassis und der Räder relativ sicher überstehen wird, ist die Aufrichtphase besonders kritisch. Der Rover muss sich auf den „Bauch“ drehen, auf seinen Beinen „aufstehen“ und die Solarpaneele öffnen. Das alles muss voll autonom passieren, denn zum einen dauert die Signallaufzeit zwischen Phobos und Erde mehrere Minuten, und es besteht nicht dauernd Sicht- und Funkkontakt. Zum anderen liegt die Antenne unter den zusammengeklappten Solarpanelen, sodass erst nach der Aufrichtphase guter Kontakt hergestellt werden kann. Die Simulation war zudem ein entscheidendes Werkzeug, um die beste Reihenfolge der Aktionen der Beine zu entwickeln, damit das Aufrichten in den meisten Fällen gelingt.
Die Forschenden hatten auch die Idee, den Rover mit einem Mechanismus auszustatten, der ihm im Falle einer ungünstigen Startposition beim Umkippen hilft. Simulationsreihen haben jedoch gezeigt, dass dieses Vorgehen mehr schaden als nutzen würde: Der Mechanismus könnte bei einem Defekt die Solarpaneele blockieren. Um zu diesem Ergebnis zu kommen, haben die Forschenden viele ähnliche Simulationen parallel durchgeführt, mit jeweils leicht anderer Umgebung oder anderen Anfangsbedingungen, sodass schließlich eine statistisch fundierte Aussage über Erfolg oder Misserfolg des Aufrichtens gegeben werden konnte. Dem Simulationsergebnis folgend, wurde der zusätzliche Mechanismus letzten Endes nicht in den Rover integriert.
Fahren
Die wichtigste Aufgabe des MMX-Rovers wird es sein, auf Phobos zu fahren. Auf dem Marsmond wird der Rover den allerersten Versuch für eine radgetriebene Fortbewegung in Milligravitation wagen. Die Simulation ist dabei das einzige Mittel, um vorab gut abzuschätzen, wie schnell der Rover sicher fahren kann, ohne dabei Bodenkontakt zu verlieren.
Ebenso wichtig sind Untersuchungen über die maximale Beschleunigung und den Schlupf, beispielsweise bei Drehmanövern. Denn der Rover verfügt über keine Aktuatoren, um die Räder nach rechts oder links zu drehen. Der Rover fährt Kurven, indem sich die Räder auf einer Seite schneller drehen als auf der anderen – im Extremfall auch in entgegengesetzte Richtungen, dann soll der Rover sich auf der Stelle drehen. Für den sandigen Boden, der auf Phobos zu erwarten ist, hat sich bei der Simulation herausgestellt, dass ein Kommando an die Räder, das bei null Schlupf – also ohne Durchdrehen der Räder – einer Drehung um 90 Grad entspräche, lediglich eine Drehung von 35 bis 55 Grad erzeugt.
Diese und andere Ergebnisse der Simulation sind jetzt schon wichtige Informationen für die Hard- und Softwareentwicklung und werden später auch in der Operationsphase nützlich sein. Mit den Telemetriedaten aus der Operationsphase werden die Forschenden auch den Weg in die andere Richtung gehen und die Simulationsmodelle für die tatsächlichen Verhältnisse auf Phobos validieren. Die Messungen vor Ort und die validierten Simulationsmodelle werden wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse über Phobos liefern.
MMX – Martian Moons eXploration
MMX ist eine Mission der japanischen Weltraumorganisation JAXA mit Beiträgen von NASA, ESA, der französischen Raumfahrtagentur CNES und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). CNES und DLR steuern zusammen einen 25 Kilogramm schweren Rover bei. Der deutsch-französische MMX-Rover wird unter gemeinsamer Leitung der beiden Partner entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung des Rover-Fahrwerks samt Carbonstruktur sowie des gesamten Aufricht- und Fortbewegungssystems. Zudem steuert das DLR das Verbindungs- und Separationssysten zur Muttersonde bei und stellt ein Raman-Spektrometer sowie ein Radiometer als wissenschaftliche Experimente. Diese werden die Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit auf Phobos messen. Die CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie zur Untersuchung der mechanischen Bodeneigenschaften. Darüber hinaus entwickelt die CNES das zentrale Service-Modul des Rovers inklusive des Onboard-Computers sowie des Energie- und Kommunikationssystems. Nach dem Start der MMX-Mission wird der Rover von Kontrollzentren der CNES in Toulouse (Frankreich) und des DLR in Köln betrieben.
Seitens des DLR sind unter der Leitung des Instituts für Robotik und Mechatronik zudem die Institute für Systemdynamik und Regelungstechnik, für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, für Raumfahrtsysteme, für Optische Sensorsysteme, für Planetenforschung, für Softwaretechnologie sowie das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) beteiligt.
Die Mission MMX steht in der Tradition einer bereits langjährigen erfolgreichen Kooperation der Partner JAXA, CNES und DLR. Sie knüpft an die Vorgängermission Hayabusa2 an, bei der die JAXA eine Raumsonde zum Asteroiden Ryugu schickte mit dem deutsch-französischen Lander MASCOT an Bord. Am 3. Oktober 2018 landete MASCOT auf Ryugu und sendete spektakuläre Bilder einer faszinierenden zerklüfteten Landschaft aus Geröll und Steinen. Hayabusa2 nahm Proben von Ryugu und brachte diese am 6. Dezember 2020 zurück zur Erde.