Schiaparelli (Marslander)

Modell des Landers in Originalgröße im Kontroll­zentrum (ESOC) in Darmstadt, geplanter Zustand nach Abwurf des unteren und oberen Schutzschilds
Stark vereinfachtes Modell des Landers auf der Pariser Luftfahrtschau 2013, ohne Hitze­schutz­schild, rückseitiger Abdeckkappe und Wärme­isolierfolien, schräg von oben sichtbar: 3 Kugeltanks für Hydrazin, 1 für Helium, 2 von 3 Triebwerksdüsentripel, am Plateau links der hohe Micro-ARES-Mast, daneben der kleinere Met(eorologie)-Mast mit 3 Instrumenten, mehrfach aufgeständert der Laserreflektor[1]

Schiaparelli war ein Mars-Lander der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und von Roskosmos, der als Demonstrationsmodul für den [Atmosphären-]Eintritt, Abstieg und die Landung (englisch Entry, descent and landing Demonstrator Module, kurz EDM) entworfen wurde. Er wurde nach dem italienischen Astronomen Giovanni Schiaparelli benannt.[2]

Aufgrund technischer Probleme misslang am 19. Oktober 2016 die Landung. Gemäß offiziellem Untersuchungsbericht führte ein Fehler bei einem Messgerät zur Überlastung des Bordcomputers. In der Folge stürzte die Marssonde aus fast 4 km Höhe ungebremst auf die Oberfläche des Roten Planeten und schlug dort mit einer Geschwindigkeit von 540 km/h auf.[3][4]

Missionsablauf

Mit Hilfe des Gerätes, das mit dem ExoMars Trace Gas Orbiter zu seinem Zielplaneten befördert wurde, sollten alle Technologien für künftige Landungen auf dem Mars erprobt werden.[5] Dazu gehören besondere Materialien für den Hitzeschutz, die Fallschirme, das Doppler-Radar zur Höhenbestimmung und die mit flüssigem Treibstoff betriebenen Bremsraketen. Nach der Landung sollte Schiaparelli zwei bis vier Marstage lang auf der Oberfläche arbeiten. Da Schiaparelli keine Solarzellen besaß, sondern nur Batterien zur Energieversorgung, war die Funktionstüchtigkeit auf wenige Tage begrenzt.

Der Start erfolgte am 14. März 2016 mit einer russischen Proton-Rakete vom Kosmodrom Baikonur. Während der Reise zum Mars war Schiaparelli mit dem Orbiter fest verbunden und wurde in einen „Tiefschlaf“ versetzt. Die geplante Mission war im Einzelnen wie folgt gegliedert:

  • Am 16. Oktober, drei Tage vor dem Erreichen der Marsatmosphäre, trennte sich Schiaparelli vom Orbiter.[6] Mit den Hitzeschutzschilden hat er eine flachkegelige Scheibenform.
  • Während der weiteren Reise zum Mars blieb der Lander vorerst im Tiefschlaf, um so Energie zu sparen.
  • Kurz vor dem Erreichen der Atmosphäre wurden in 122,5 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von etwa 21.000 km/h die Systeme aktiviert.
  • Ein Hitzeschild sollte Schiaparelli in der ersten Phase des Eintritts schützen und abbremsen, sodass in einer Höhe von ungefähr 11 km bei einer Geschwindigkeit von etwa 1650 km/h der Fallschirm ausgelöst werden konnte.
  • Anschließend sollte erst der vordere und dann der hintere Hitzeschutz abgeworfen werden.
  • Mit einem Doppler-Höhen- und -Geschwindigkeitsmesser sollte dann die Position in Bezug zur Marsoberfläche bestimmt werden.
  • Schließlich sollte das Flüssigkeitstriebwerk aktiviert und die Geschwindigkeit auf 15 km/h bis zu einer Höhe von 2 m reduziert werden. Sodann sollte das Triebwerk abgeschaltet werden, der Lander sollte auf den Grund fallen. Der Aufprall sollte von der plastisch komprimierbaren Struktur gedämpft werden.
  • Mit einer Datenverbindung zum Orbiter sollten die wichtigsten Daten in Echtzeit zum Orbiter übertragen werden. Zudem sollten die Daten innerhalb von 8 Marstagen nach der Landung vollständig übermittelt und die Mission von Schiaparelli danach beendet werden.

Als primäre Landestelle war Meridiani Planum festgelegt worden. Der NASA-Rover Opportunity erforschte ebenfalls diese Region. Die Ebene ist von besonderem Interesse für Wissenschaftler, da sie Hämatite enthält – ein Eisenoxid, das auf der Erde fast ausschließlich in Umgebungen mit flüssigem Wasser entsteht.

Vorher-Nachher-Aufnahme der Marsoberfläche durch den Mars Reconnaissance Orbiter der NASA: Die am 20. Oktober 2016 nachgewiesenen Flecke stehen für den Absturzort von Lander (schwarz, oben) und Fallschirm (weiß, unten). Rechts am Rand eine vergrößerte Darstellung des gerahmten Bereichs.
Hoch auflösende MRO-Aufnahme: Vom Absturzort ausgehende, dunkle Strahlen werden als Hinweis ge­deutet, dass der Lander beim Aufprall einen Krater ver­ursacht hat (oben). Nah unterhalb des Fall­schirms ist der obere Hitzeschutzschild zu erkennen (unten).[7]

Schon kurz nach dem erwarteten Zeitpunkt der Landung war allerdings von der ESA bekanntgegeben worden, dass der Funkkontakt des Landers zu dem im indischen Pune befindlichen Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) während der Landephase abgebrochen war. Zugleich war der Funkkontakt von Schiaparelli zur Raumsonde Mars Express abgebrochen. Die von beiden Quellen sowie vom Mutterschiff registrierten und zur Erde gesendeten Daten ergaben laut ESA, „dass die Phasen des Eintritts und des Abstiegs in die Atmosphäre wie erwartet verlaufen sind, die Ereignisse nach dem Abwurf des hinteren Hitzeschilds und des Fallschirms jedoch auf einen nicht planmäßigen Verlauf hindeuten. So scheint der Abwurf früher als geplant erfolgt zu sein.“[8] Zugleich teilte die ESA in einer ersten Analyse am 20. Oktober 2016 mit: „Was die Triebwerke anbetrifft, kann zwar mit Sicherheit gesagt werden, dass sie für eine kurze Zeit gezündet wurden, es aber danach aussieht, dass sie ihren Betrieb früher als erwartet eingestellt haben.“ Das Fehlverhalten habe zur Folge gehabt, dass „keine sanfte Landung erfolgte.“[8]

Der Aufprallort des Landers und des abgeworfenen Fallschirms wurde am 20. Oktober 2016 anhand von Fotografien der Marsoberfläche durch MRO-Aufnahmen nachgewiesen;[9] zugleich berichtete die ESA am 21. Oktober 2016: „Es wird geschätzt, dass Schiaparelli aus einer Höhe zwischen 2 und 4 km gefallen ist und somit mit einer Geschwindigkeit von mehr als 300 km/h aufgeschlagen ist.“ Es sei möglich, „dass das Landegerät beim Aufprall explodiert ist, da die Treibstofftanks wahrscheinlich noch gefüllt waren.“[10][11] Der im Mai 2017 von der ESA vorgelegte abschließende Untersuchungsbericht führte das Scheitern der weichen Landung schließlich auf eine Abfolge von Fehlfunktionen zurück. Auslösend war demnach die Fehlfunktion der Inertial Measurement Unit (IMU), einem Messgerät, das die Eigenbewegung der Sonde überwachen sollte. Offenbar bewegte sich Schiaparelli beim Eintritt in die Marsatmosphäre stärker als erwartet hin und her, so dass IMU überlastet wurde und – wesentlich länger als für einen solchen Fall vorgesehen – nicht betriebsbereit war. Während dieser Ausfallzeit wurden falsche Höhenangaben berechnet, die – obwohl völlig unplausibel eine Position bereits unterhalb der Marsoberfläche ausweisend – dazu führten, dass die Fallschirme abgeworfen und die Bremsraketen kurz gezündet wurden. Daraufhin fiel Schiaparelli ungebremst mit einer Geschwindigkeit von 540 km/h zu Boden.[4]

Das Scheitern der Landung hatte jedoch keine grundlegenden Folgen für das im Jahr 2020 geplante Absetzen des europäischen ExoMars Rovers. Am 2. Dezember 2016 gab die ESA die benötigten Gelder frei.[12]

Aufbau

Wie auch TGO leitete sich das Design von Schiaparelli von früheren Studien im Rahmen des ExoMars-Projektes ab. Eine Reihe von Sensoren sollten die wesentlichen Parameter der zu testenden Schlüsseltechnologien aufzeichnen. Dazu gehörten insbesondere der Hitzeschutz, der Fallschirm, das Doppler-Radar und die mit flüssigem Treibstoff betriebenen Bremstriebwerke. Die Daten sollten anschließend zur Erde übermittelt werden und künftigen europäischen Missionen zugutekommen. Der Aufbau im Detail:

  • Durchmesser: 2,4 m mit Hitzeschild, 1,65 m ohne
  • Masse: 600 kg
  • Material des Hitzeschildes: Kohlenstofffaser-Sandwichstruktur mit 90 Norcoat-Liege-Isolierkacheln (eine Isolation auf Kork-Basis)[13]
  • Struktur: Aluminium-Sandwich mit Deckschichten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
  • Fallschirm: Disk-Gap-Band-Kappe, 12 m Durchmesser
  • Antrieb: dreimal je drei Hydrazin-Triebwerke (jedes 400 N), betrieben im Pulse-Mode
  • Elektrische Energie: Akkus
  • Kommunikation: UHF-Link mit zwei Antennen zum Orbiter

Die europäischen Industrie unter Leitung von Thales Alenia Space entwickelte die Sonde für die ESA.

Wissenschaftliche Instrumente

Die Messinstrumente wurden 2011 noch gemeinsam von NASA und ESA ausgewählt. Diese waren in zwei Aufgabengebiete aufgeteilt: DREAMS umfasste alle oberflächengebundenen Experimente und AMELIA diejenigen, die während des Abstiegs Informationen über das Verhalten des Landers liefern sollten. Darüber hinaus sollte mit COMARS+ der Wärmefluss im Hitzeschild aufgezeichnet und mit der Abstiegskamera DECA (descent camera) die Landestelle fotografiert sowie die Transparenz der Atmosphäre bestimmt werden. Die Kamera kam aus dem Bestand des Herschel-Weltraumteleskop-Programms. Die Oberseite von Schiaparelli enthielt ein Array von Laserreflektoren für Ortungen aus dem Orbit.[14]

DREAMS
Der Name steht für Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface (englisch für Staubbestimmung, Risikobewertung und Umweltmessgerät auf der Marsoberfläche). Die Bestandteile waren: MetWind (Windgeschwindigkeit und -richtung), DREAMS-H (Feuchtigkeit, englisch humidity), DREAMS-P (Druck, englisch pressure), MarsTem (Temperatur nahe der Oberfläche), Solar Irradiance Sensor, SIS (Sonneneinstrahlung, Transparenz der Atmosphäre) und Atmospheric Radiation and Electricity Sensor, MicroARES (Strahlung und elektrische Aufladung in der Atmosphäre). Es sollten genauere Erkenntnisse über den Einfluss von elektrischen Kräften, auch in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit, auf den Staub gewonnen werden. Mit diesem Mechanismus werden Staubstürme ausgelöst.
AMELIA
Dieser Name steht für Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis (englisch für Atmosphärische Marseintritts- und Marslandeuntersuchung und -Analyse). Bestimmt werden sollten atmosphärische Bedingungen wie Dichte und Wind von großer Höhe bis hin zur Oberfläche.
DECA
Die Landekamera wiegt etwa 600 g bei Abmessungen von etwa 9 cm × 9 cm × 9 cm. Sie sollte hochauflösende Fotos von der Landestelle liefern und die Grundlage für ein dreidimensionales topographisches Modell der Region bilden. Nachdem der vordere Hitzeschutz abgeworfen war, sollten die Aufnahmen beginnen. Es sollten 15 Bilder in einem Intervall von 1,5 Sekunden aufgenommen und gespeichert werden. Um elektrostatische Entladungen während des Fluges durch die Atmosphäre zu vermeiden, sollten sie erst nach einer mehrere Minuten dauernden Verzögerung zum Orbiter gesendet werden.

Der Laserreflektor (INRRI – INstrument for Landing – Roving Laser Retroreflector Investigations) bestand aus einer kuppelförmigen Anordnung von acht Würfeleckenreflektoren (CCR) aus Quarzglas Suprasil 1. Er wäre der erste Vermessungsreflektor gewesen, der auf dem Mars platziert worden wäre und sollte als rein passives Element länger funktionieren. Er sollte daneben auch zum Messen des Niederschlags von Staub und seines Wieder-Weggeblasen-Werdens durch den Wind dienen.[14]

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ ExoMars Trace Gas Orbiter and Schiaparelli Mission (2016). Bei: Exploration.ESA.int. 16. Oktober 2016, u. a. mit Detailbildern von Schiaparelli.
  2. ↑ Ticker zur Mars-Landung: Die letzte Hoffnung ist ein Reset. Bei: HNA.de. 20. Oktober 2016, mit dem Abschnitt Mars-Landung: Woher die Landekapsel Schiaparelli ihren Namen hat.
  3. ↑ Mars-Sonde. Computer war schuld an „Schiaparelli“-Crash. Bei: Spiegel.de. 24. Mai 2017.
  4. ↑ a b ExoMars 2016 – Schiaparelli Anomaly Inquiry. Bei: Exploration.ESA.int. 18. Mai 2017.
  5. ↑ Schiaparelli: The ExoMars Entry, Descent and Landing Demonstrator Module. Bei: Exploration.ESA.int. 16. Oktober 2016.
  6. ↑ ESA Operations: Flight Director Michel Denis: confirmed separation! Bei: Twitter.com. 16. Oktober 2016.
  7. ↑ Detailbilder von Schiaparelli und seiner Hardware nach der Landung auf dem Mars. Bei: esa.int. 27. Oktober 2016.
  8. ↑ a b Analyse der Abstiegsdaten von Schiaparelli ist im Gang. Bei: ESA.int. 20. Oktober 2016.
  9. ↑ Mars Reconnaissance Orbiter sieht Schiaparelli Landestelle. Bei: ESA.int. 21. Oktober 2016.
  10. ↑ Esa-Mission „ExoMars“. Softwarefehler ließ „Schiaparelli“ abstürzen. Bei: Spiegel.de. 26. Oktober 2016.
  11. ↑ Computing glitch may have doomed Mars lander. Bei: Nature.com. 25. Oktober 2016.
  12. ↑ Europe moves ahead with Mars mission, kills asteroid lander. Bei: sciencemag.org. 2. Dezember 2016.
  13. ↑ Hitzeschilde für ExoMars sind fertig. Bei: Aerosieger.de. 8. Juli 2014.
  14. ↑ a b Schiaparelli science package and science investigations. Bei: Exploration.ESA.int. 19. Oktober 2016.

Auf dieser Seite verwendete Medien

PIA21130 Signs of Schiaparelli Test Lander Seen From Orbit.gif
This comparison of before-and-after images shows two spots that likely appeared in connection with the Oct. 19, 2016, Mars arrival of the European Space Agency's Schiaparelli test lander.

The images were taken by the Context Camera (CTX) on NASA's Mars Reconnaissance Orbiter on May 29, 2016, and Oct. 20, 2016.

The area indicated with a black outline is enlarged at right. The bright spot near the lower edge of the enlargement is interpreted as likely to be the lander's parachute, which was deployed and then released during the descent through the Martian atmosphere. The larger dark spot near the upper edge of the enlargement was likely formed by the Schiaparelli lander. The spot is elliptical, about 50 by 130 feet (15 by 40 meters) in size, and is probably too large to have been made by the impact of the heat shield. The location information confirmed by this image will aid imaging the site with the High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) camera, providing more details to use in interpretation.

The main image covers an area about 2.5 miles (4 kilometers) wide, at about 2 degrees south latitude, 354 degrees east longitude, in the Meridiani Planum region of Mars. The scale bars are in meters. North is up. The before and after images are available separately as Figure 1 (from CTX observation J03_046129_1800) and Figure 2 (from CTX observation J08_047975_1779).

CTX was built by and is operated by Malin Space Science Systems, San Diego. NASA's Jet Propulsion Laboratory, a division of Caltech in Pasadena, California, manages the Mars Reconnaissance Orbiter Project for NASA's Science Mission Directorate, Washington.
Maquette EDM salon du Bourget 2013 DSC 0192.JPG
Autor/Urheber: Pline, Lizenz: CC BY-SA 3.0
Schiaparelli EDM lander concept Paris Air Show 2013
PIA21131 - Closer Look at Schiaparelli Impact Site on Mars.jpg
This Oct. 25, 2016, image shows the area where the European Space Agency's Schiaparelli test lander reached the surface of Mars, with magnified insets of three sites where components of the spacecraft hit the ground. It is the first view of the site from the High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) camera on NASA's Mars Reconnaissance Orbiter taken after the Oct. 19, 2016, landing event.

The Schiaparelli test lander was one component of ESA's ExoMars 2016 project, which placed the Trace Gas Orbiter into orbit around Mars on the same arrival date.

This HiRISE observation adds information to what was learned from observation of the same area on Oct. 20 by the Mars Reconnaissance Orbiter's Context Camera (CTX). Of these two cameras, CTX covers more area and HiRISE shows more detail. A portion of the HiRISE field of view also provides color information. The impact scene was not within that portion for the Oct. 25 observation, but an observation with different pointing to add color and stereo information is planned.

This Oct. 25 observation shows three locations where hardware reached the ground, all within about 0.9 mile (1.5 kilometer) of each other, as expected. The annotated version includes insets with six-fold enlargement of each of those three areas. Brightness is adjusted separately for each inset to best show the details of that part of the scene. North is about 7 degrees counterclockwise from straight up. The scale bars are in meters.

At lower left is the parachute, adjacent to the back shell, which was its attachment point on the spacecraft. The parachute is much brighter than the Martian surface in this region. The smaller circular feature just south of the bright parachute is about the same size and shape as the back shell, (diameter of 7.9 feet or 2.4 meters).

At upper right are several bright features surrounded by dark radial impact patterns, located about where the heat shield was expected to impact. The bright spots may be part of the heat shield, such as insulation material, or gleaming reflections of the afternoon sunlight.

According to the ExoMars project, which received data from the spacecraft during its descent through the atmosphere, the heat shield separated as planned, the parachute deployed as planned but was released (with back shell) prematurely, and the lander hit the ground at a velocity of more than 180 miles per hour (more than 300 kilometers per hour).

At mid-upper left are markings left by the lander's impact. The dark, approximately circular feature is about 7.9 feet (2.4 meters) in diameter, about the size of a shallow crater expected from impact into dry soil of an object with the lander's mass -- about 660 pounds (300 kilograms) -- and calculated velocity. The resulting crater is estimated to be about a foot and a half (half a meter) deep. This first HiRISE observation does not show topography indicating the presence of a crater. Stereo information from combining this observation with a future one may provide a way to check. Surrounding the dark spot are dark radial patterns expected from an impact event. The dark curving line to the northeast of the dark spot is unusual for a typical impact event and not yet explained. Surrounding the dark spot are several relatively bright pixels or clusters of pixels. They could be image noise or real features, perhaps fragments of the lander. A later image is expected to confirm whether these spots are image noise or actual surface features.

Figure 1 is an unannotated version of the full scene, which covers an area about 0.9 mile (1.5 kilometers) wide. It is a portion of HiRISE observation ESP_048041_1780.

The University of Arizona, Tucson, operates HiRISE, which was built by Ball Aerospace & Technologies Corp., Boulder, Colo. NASA's Jet Propulsion Laboratory, a division of Caltech in Pasadena, California, manages the Mars Reconnaissance Orbiter Project for NASA's Science Mission Directorate, Washington.
Ulysses preparations.jpg
Technicians in Hangar AO on Cape Canaveral Air Force Station continue preflight checkout and testing of the Ulysses spacecraft. Ulysses is a NASA/European Space Agency project scheduled for launch on Space Shuttle Mission STS-41 this fall.
Schiaparelli Lander Model at ESOC.JPG
Autor/Urheber: Gerbil, Lizenz: CC BY-SA 4.0
Modell des Landers Schiaparelli, Teil des Projektes ExoMars Trace Gas Orbiter 2016, ausgestellt im ESOC in Darmstadt