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MARSMISSIONEN
Forscher simulieren Marsatmosphäre
Redaktion / Pressemitteilung des DLR
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20. Januar 2011

Im Vorfeld der europäischen ExoMars-Mission startete heute ein internationales Projekt zur Simulation des Eintritts von Raumfahrzeugen in die Marsatmosphäre. Unter anderem bilden die Wissenschaftler dazu in einem Windkanal des DLR in Köln die Atmosphäre des roten Planeten nach, um detaillierte Daten über den Eintritt von Raumsonden zu gewinnen. 

SACOMAR

In Köln steht den Forschern ein lichtbogenbeheizter Windkanal zur Verfügung, in denen Modelle den realen Hitzelasten ausgesetzt werden können. Durch optische und elektronische Messtechnik kann das Strömungsverhalten der heißen Gase und die punktuelle Hitzebelastung einzelner Partien des Modells untersucht werden. Die Raumkapseln treten mit ihrer stumpfen Unterseite voran in die Atmosphäre ein, was dort zu einer Art Stoßwelle mit hohen Temperaturen führt, während die an der Rückseite vorbeiströmenden Gase deutlich kühler sind. Foto: DLR

Die Erforschung des Mars hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht. Raumfahrtmissionen wie Mars Express haben das Wissen über den roten Planeten deutlich erweitert. Dennoch sind viele Fragen zur Beschaffenheit, Entstehung und Entwicklung unseres Nachbarplaneten offen. Antworten auf diese Fragen sind nur auf der Oberfläche des Mars zu finden. Um dort sicher landen zu können, muss zunächst die Hürde der Marsatmosphäre genommen werden. Und genau hier beginnt die Arbeit der Forschergruppe unter Leitung von Dr. Ali Gülhan von der Abteilung Überschall- und Hyperschalltechnologie des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).  

Ähnlich wie bei dem Wiedereintritt von Raumfahrzeugen in die Erdatmosphäre muss ein Raumfahrzeug beim Eintritt in die Marsatmosphäre enormen Temperaturbelastungen standhalten. Aus diesem Grund sind sowohl Landekapseln als auch Spaceshuttles durch eine Hitze absorbierende Schicht geschützt. Diese kann unter anderem aus organischem Material - das während des Eintritts verbrennt - oder auch keramischen Strukturen bestehen.

Vergangenen Marsmissionen standen nur begrenzte Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten zur Verfügung. Präzise Vorhersagen der zu erwartenden Temperaturen beim Eintritt in die Marsatmosphäre waren daher nur schwer möglich. Deshalb wurde aus Sicherheitsgründen der Hitzeschutz mit großen Toleranzen konzipiert. Dieser überdimensionierte Hitzeschutz wirkte sich allerdings negativ auf die wissenschaftliche Nutzlast des Raumfahrzeugs aus. Die aktuellen Forschungen sollen dies verbessern.

Eine genaue Vorhersage der Verteilung des Hitzeflusses auf der Oberfläche der Raumkapsel, die mit Hyperschall in die Atmosphäre eintritt, ist für eine grundlegende Verbesserung der Eintrittstechnologie unerlässlich. Zur Modellierung der Hochtemperaturströmung werden vielfach Computersimulationen eingesetzt. Dafür wird auch das vom DLR entwickelte TAU-Rechenverfahren genutzt. Die Daten für diese Computermodelle stammen aus Windkanalversuchen, bei denen die wesentlichen physikalischen Eigenschaften des Mars nachgebildet werden. In der Marsatmosphäre befinden sich beispielsweise im Vergleich zur Erdatmosphäre mehr Partikel, die die Erosion des Hitzeschutzes deutlich verstärken.

In Köln steht den Forschern ein lichtbogenbeheizter Windkanal zur Verfügung, in dem Modelle den realen Hitzelasten ausgesetzt werden können. Diese Anlage erlaubt das Strömungsfeld des Marseintritts mit Staubpartikeln nachzubilden und das Verhalten des Hitzeschutzmaterials mit Hilfe optischer und konventioneller Messtechniken zu untersuchen. Während die Frontseite der Raumkapsel höheren thermischen Lasten ausgesetzt ist, bestimmt die relativ kühle und dünne Strömung auf der Rückseite die dynamische Flugstabilität des Fahrzeuges. Zusätzlich werden beim DLR in Göttingen Experimente zur Bestimmung des Einflusses der Gaszusammensetzung auf den Wärmefluss durchgeführt.

Die durch numerische Simulation und im Windkanal gewonnenen Daten fließen in die Entwicklung von neuartigen Hitzeschutzkonzepten sowie Materialien ein und haben Einfluss auf das aerodynamische Design der Raumfahrzeuge. Neben der Strömungs- und Materialforschung beschäftigt sich das interdisziplinäre Forschungsprojekt SACOMAR (Safe and Controlled Martian Entry) auch mit dem Problem des sogenannten Blackouts, dem Abriss der Funkverbindung während der Eintrittsphase.

"Das Projekt bietet uns die Chance, durch die Kooperation von Wissenschaftlern verschiedener Fachgebiete technologische Grundlagen des Marseintritts im Detail zu untersuchen. Die Forschungsergebnisse können einen Beitrag zum ExoMars-Projekt der ESA leisten," hofft SACOMAR-Projektleiter Gülhan. Das von der europäischen Union finanzierte Projekt vereint die Arbeit der deutschen, russischen und italienischen Forscher mit Projektpartnern aus der Industrie.

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