Mars Rover und ihre Räder

Wotan

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Opportunity & Spirit
Die beiden Rover Spirit und Opportunity sind baugleich, 1,6 m lang, bis 1,5 m hoch und 185 kg schwer.
Besitzen sechs unabhängig voneinander angetriebene Aluminium Räder von jeweils 26 cm Durchmesser.
Zur Lenkung des Rovers können die vorderen und hinteren Räder einzeln auch noch um eine senkrechte Achse gedreht werden.
Der Rover erreicht Geschwindigkeit 5cm/s (0,18km/h) und bleibt alle 10 Sekunden stehen und überprüft die Umgebung auf Gefahren bevor er weitere 10 s fährt.

Fertigung:
Die Räder bestehen aus Hochfesten Aluminium 7075 und wurden aus dem vollen gefertigt.
Der Rohling war ein Stangenmaterial mit 11-inch Durchmesser und 25 kg Gewicht nach 25 Stunden Maschinenbearbeitungszeit war das nun 1 kg schwere Rad fertig.

Andere Fertigungsverfahren für Alu-Räder sind:
Guß-Räder, es wird eine Gußform (Kokille) mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung befüllt und nach dem abkühlen wird die Gußform entfernt und das Rad fertig bearbeitet.
Geschmiedete Räder, eine hochfeste Aluminiumlegierung wird unter hohem Druck zwischen zwei Werkzeugen in mehreren Schritten, durch spanlose Umformen, in die gewünschte Form gebracht.

Grüße
Wotan
 

Wotan

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Konstruktionsanalyse der Räder von den Rovern Spirit und Opportunity.

Die Radlauffläche ist zweifach gewölbt, neben der normalen Rundung durch den Raddurchmesser ist diese Lauffläche nochmals quer zur Drehrichtung gewölbt das ergibt eine besondere Stabilität der Fläche, Annäherung an die Kugelform. Die eigentliche Lauffläche ist weniger als 1mm dick. Die beiden verstärkten Kreisringe an der Innen- und Außenseite, verbunden durch die Profilrippen und der Radlauffläche, geben dem Rad seine Stabilität. Wobei das Drehmont über die Spiralspeichen in die Radaußenseite eingeleitet wird. Der freie Raum zwischen den 8 Spiralspeichen wurde mit Schaumstoff gefüllt damit sich keine Steine verklemmen können. 12 kleine Schrauben verbinden das Rad mit der Antriebseinheit.

Das Bild zeigt das Rad und die Draufsicht auf die Radaußenseite mit
Spiralspeichen und Befestigungsflansch.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Schnitt A-A,
zeigt einen Schnitt durch die Lauffläche längs zur Fahrtrichtung und schneidet somit die Profilrippen. Maßstab: Das abgebildete Quadrat hat die Kathetenlänge von 1cm entspricht also der Fläche von 1cm2, der Kreis hat den Durchmesser von 1 Euro.
Die Lauffläche zwischen den Profilrippen ist relative klein.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Grüße
Wotan

Fortsetzung folgt.
 
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SFF-TWRiker

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Hallo Wotan,
vielen Dank für die Mühe.
Ich würde nur gerne Wissen, was die Quelle dafür ist, dass es sich um Aluminium 7075 handelt und wie die Fertigung erfolgte.
Das meiste kann man ja sonst bei wiki oder in der NASA HP finden.
 

Wotan

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Haben die Spiralspeichen Federungsfunktion?

ja die Spiralspeichen haben eine Federfunktion deshalb sind sie auch mit Schaumstoff ausgeschäumt damit sich keine Steine dazwischen verklemmen können. Gerade Speichen, wie wir sie von Aluminiumfelgen kennen haben keine Federfunktion, da federt der Reifen. Die Spiralfedern können überwiegend radial auftretende Kräfte verarbeiten. Die Speichen von Curiosity, eine Weiterentwicklung, geben den Rädern nicht nur die Möglichkeit der radialen Verformung sondern auch Neigungen zur Achse werden gefedert und gedämpft.
Dazu später mehr.

Grüße
Wotan
 

Wotan

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Hallo Wotan,
vielen Dank für die Mühe.
Ich würde nur gerne Wissen, was die Quelle dafür ist, dass es sich um Aluminium 7075 handelt und wie die Fertigung erfolgte.
Das meiste kann man ja sonst bei wiki oder in der NASA HP finden.

Hallo SFF-TWRiker,
Danke für dein Interesse.

Die Informationen stammen von NASA Ingenieuren und von den Produktionsfirmen die Teile für die Mars-Rover hergestellt haben. Die Firmen machen natürlich kräftig Reklame damit. Bei den Firmen erfährt man was sie tolles für die NASA hergestellt haben wie sie und auf welchen Maschinen sie es hergestellt haben. Wenn man sich das fertige Produkt auf NASA-Fotos anschaut und man 2+2 zusammenzählt kann sogar sagen wie groß der Fräser war und wie er bei der Bearbeitung des Rades über das Material gelaufen ist. Was später noch von Bedeutung sein wird. Ich sende dir mal einige Details als PN.

Unter „Mars Rover und ihre Räder“ möchte ich den Unterschied der Rover Räder darstellen und anschließend den hohen Verschleiß der Curiosity-Räder erklären.

Grüße
Wotan
 

ralfkannenberg

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Unter „Mars Rover und ihre Räder“ möchte ich den Unterschied der Rover Räder darstellen und anschließend den hohen Verschleiß der Curiosity-Räder erklären.
Hallo Wotan,

super, dass sich jemand für dieser Thematik interessiert; ich hatte mich auch schon gefragt, woran das liegt; da ich aber reiner Theoretiker bin und entsprechend keine Kenntnisse vom Ingenieurwesen habe, habe ich mir das nicht näher angeschaut.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

SFF-TWRiker

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Der hohe Verschleiß bei Curiosity ist aber einkalkuliert, da man sehr viele Nutzlast haben wollte.
Einen Prototyp eines Rades hat man so starken Tests unterzogen, dass der Riss über die volle Länge von ca 50cm quer zur Fahrtrichtung hatte, was die Ingenieurin stolz wie eine Trophäe auf einem Video präsentierte. Man vertraut da aber auf die Schiene parallel zur Fahrtrichtung und die Stärke der "Morsezeichen-Profile" und dass man trotz des Ausfalls eines Rades noch lange weitermachen kann.
Curi war ja für 5 bis 20km geplant und es sind laut NASA schon 9km (laut curiosityrover.com schon rund 9,5km).
 

Wotan

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Der hohe Verschleiß bei Curiosity ist aber einkalkuliert, da man sehr viele Nutzlast haben wollte.
Einen Prototyp eines Rades hat man so starken Tests unterzogen, dass der Riss über die volle Länge von ca 50cm quer zur Fahrtrichtung hatte, was die Ingenieurin stolz wie eine Trophäe auf einem Video präsentierte...

Hallo SFF-TWRiker,
ja das Video kenne ich, da lassen sie die Räder, über verschiedene Bodenbeschaffenheiten, im dauertest kreisen. Der Riß den Du ansprichst ist fast 1,5 m lang und Längs zur Fahrtrichtung, da hat sich das Material längs zu den Befestigungsstegen der Speichen abgetrennt und zwar die Seite mit der größeren Lauffläche da diese das größte Drehmoment zu übertragen hat. Das Drehmoment und die Gewichtskraft wird ja über die Speichen und die Befestigungsstege in die Radlauffläche eingeleitet. Die Profilrippen sind mit einer 15 Grad Teilung am Radumfang verteilt außer im Morse-Code dort sind es nur 7,5 Grad also doppelt soviel Profilrippen das hat den Riß erst mal gestoppt. Schau dir einmal an wie nahe die Radflächen an den offen verlegten Kabeln, für die Antriebsmotoren, vorbei drehen. Wenn diese Kabel durch verbogene Blechteile beschädigt werden dann steht das Rad still.
(1,5m da Radumfang nicht Durchmesser U=D*Pi)

Die NASA macht sich auch sorgen um den unerwartet hohen Verschleiß das erkennt man an den vielen Fotos von den Rädern. Auf dem Mars gibt es bessere Fotomotive als die Räder. Auch das Programm mit den Rückwärtsfahrten ist eine Notlösung aufgrund der verschlissenen Räder. Wenn Rückwärtsfahrten so toll sind hätte man den Rover gleich andersherum bauen können. :rolleyes:

Das war ein kleiner vorgriff, bitte etwas Geduld, ich bin bei meiner Analyse ja noch bei Opportunity und Spirit, Details über Curiosity kommen anschließend.

Grüße
Wotan
 

Wotan

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Konstruktionsanalyse der Räder von den Rover Spirit und Opportunity.

Schnitt B-B,
zeigt einen Schnitt durch die Lauffläche quer zur Fahrtrichtung, die Wölbung der Radfläche ist gut zu erkennen. Die Profilrippe verläuft quer zur Fahrtrichtung und endet in den inneren und äußeren Kreisringen und bildet eine stabile Verbindung von der Radaußenseite zur Radinnenseite. Die Spiralfedern enden in den Kreisring auf der linken Seite, hier wird die Gewichtskraft und das Drehmoment in die Radlauffläche eingeleitet. Später im Vergleich mit den Curiosity-Rädern werde ich diese Kräfte und deren verlauf einzeichnen.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Grüße
Wotan

Fortsetzung von:

Fortsetzung folgt.
 

SFF-TWRiker

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Edit wegen falscher Erinnerung!
Das Video:
Unbedingt Vollbild

Amanda Steffy, Pinup-Girl für Experimental Physiker [wie Wollowitz in TBBT (SCNR)]
Standbild bei 1:25 machen und :D dabei nicht von der Couch fallen!

http://www.youtube.com/watch?v=9Sb6VFJMk5Q#ws

Bei Curiosity läuft ein Riss zu etwa einem Drittel der Radbreite quer zur Fahrtrichtung nahe an den Morsezeichen.
 
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Wotan

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hallo SFF-TWRiker,
das schöne ist wir sprechen vom gleichen Video. Auch das Video bei 1:25 stoppen ist optimal. Hier kann man wunderbar sehen wie sich Risse verhalten.
Also der Riß der das Rad fast in zwei Hälften geteilt hat alle Profilrippen durchtrennt und stoppt an der 1. Profilrippe des Morse-Code und verläuft dann quer zur Fahrtrichtung parallel zur geraden Profilrippe des Morse-Code. Das große Loch das man an dieser stelle sieht ist auch eine folge des Risses. Warum läuft der Riß fast um das ganze Rad durchtrennt alle zikzak verlaufenden Profilrippen und biegt dann unter 90 Grad ab und läuft jetzt quer zur Fahrtrichtung?
Jetzt nochmal genau hinsehen. Genau an der Stelle wo der Riß auf die 1. Profilrippe des Morse-Code trifft, trifft von der anderen Seite der Profilrippe der Steg des Morse-Code, unter 90 Grad, auf die Profilrippe. Diese Kombination ist besonders Stabil und der Riß kann nicht in seiner ursprünglichen Richtung weiterlaufen.

Gut das Du das Video eingestellt hast, schönes Beispiel.

Grüße
Wotan
 

SFF-TWRiker

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Das Video sollte vor jedem Girls-Day vor Beginn des Ausbildungsjahres und in der 9. oder 10. Klasse im Physik-Unterricht gezeigt werden, damit mehr Mädchen auf die Idee kommen, technische Berufe zu erkennen.

Ich suche mal einen reellen Wheel-Check von Cury!

Edit:
@ Wotan
Das folgende Bild kennst Du ja ebenso wie das Video schon von "drüben"
(TWR, Du siehst den Wald vor lauter Bäumen nicht)

Teil-Selfie von Curiosity vom sol 708 bzw. 13.08.14:

http://mars.jpl.nasa.gov/msl-raw-images/msss/00708/mhli/0708MH0002620000204343E02_DXXX.jpg

Ein paar Mal draufklicken, ausdrucken und an die Wand hängen makes a lot of fun

Auf der HP gibts auch schöne 360° Panoramen. Bei max. Vergrößerung und Ausdrucken empfehle ich den Ankauf einer Turnhalle.

Wo wir bei Großbildern sind:
Afair vom LRO gibt es ein Bild der nördl. Polarregion des Mondes mit Pixel ~ 1m.
Für ein Poster bräuchte man die Fläche eines Fußball-Platzes.
 
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Wotan

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...
Teil-Selfie von Curiosity vom sol 708 bzw. 13.08.14: ...
hallo SFF-TWRiker,

ja auch ein informatives Bild. Der Morse-Code hat lange gerade Profilrippen dort können lange gerade Risse entstehen, lange Risse bedeutet es können sich große Blechteile bilden die von der Lauffläche in den Radinnenraum ragen. Große verbogene Blechfahnen an rotierenden Körpern ist immer schlecht. Im Bild, weiter oben, sieht man auch sehr schön, wie nahe der Kabelbaum für den Antriebsmotor am Rad vorbeigeführt ist. Kommen rotierende Blechfahne und Kabelbaum zusammen dann ist das Rad blockiert und Curiosity kann es hinter sich her schleifen.:(
Es ist auch eins der wenigen Bilder die die Befestigungsflansch der Speichen zeigen, aber dazu später mehr ...


Grüße
Wotan
 

Wotan

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Spirit, Probleme der Räder und des Antriebs:

Juni 2004 nach 3,5 km zurückgelegten Fahrweg, erhöhter Stromverbrauch im rechten vorderen Rad.
März 2006 das rechte Vorderrad blockiert endgültig, jetzt muß der Rover rückwärts fahren und das blockierende Rad hinter sich her schleifen.

Elektro Radantrieb: Ein einfacher elektrischer Radantrieb besteht aus einem E-Motor, Getriebe, Kugellager und Rad, es gibt keine Kupplung, Leerlauf oder Freilauf. Bleibt der Motor oder eine andere Komponente stehen steht auch das Rad.

Mai 2009 hat sich der Rover festgefahren, 3 der lenkbaren Außenräder waren im Sand versunken nur das blockierende vordere rechte Rad stand auf festen Grund.

Am 26. Januar 2010 wurde das Ende der Befreiungsbemühungen verkündet.
Die Solarzellen konnten nicht mehr ausreichen zur Wintersonne ausgerichtet werden.
(30. März 2010)Verbindungsabbruch (Low Power Modus)
Im Mai 2011 wurde Spirit aufgegeben. :(

Insgesamt funktionierte Spirit 2210 Marstage und legte dabei fast 8 km auf der Marsoberfläche zurück.

Grüße
Wotan

Inhaltsverzeichnis
Mars Rover und ihre Räder, Spirit und Opportunity
Fertigung
Konstruktionsanalyse der Räder
Konstruktionsanalyse der Räder, Schnitt B-B

Fortsetzung folgt.
 
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ralfkannenberg

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Mai 2009 hat sich der Rover festgefahren, 3 der lenkbaren Außenräder waren im Sand versunken nur das blockierende vordere rechte Rad stand auf festen Grund.

Am 26. Januar 2010 wurde das Ende der Befreiungsbemühungen verkündet.
Die Solarzellen konnten nicht mehr ausreichen zur Wintersonne ausgerichtet werden.
(30. März 2010)Verbindungsabbruch (Low Power Modus)
Im Mai 2011 wurde Spirit aufgegeben. :(
Hallo Wotan,

das ist nicht so schlimm; wenn die Menschen auf dem Mars landen können die ja eine Mission in die Nähe vom Spirit planen, den Rover wieder flottmachen und das kaputte Rad reparieren. Dann hat der Spirit wieder freie Fahrt.

Dass sowas grundsätzlich geht, hat schon Apollo 12 mit dem Surveyor 3 eindrücklich demonstriert.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Wotan

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Hallo Wotan,
das ist nicht so schlimm; wenn die Menschen auf dem Mars landen können die ja eine Mission in die Nähe vom Spirit planen, den Rover wieder flottmachen und das kaputte Rad reparieren. Dann hat der Spirit wieder freie Fahrt....
Hallo Ralf,

also die Räder sind aus Aluminium, das ist ein Isotopengemisch überwiegend aus den Isotopen [SUP]26[/SUP]Al und [SUP]27[/SUP]Al, wobei [SUP]26[/SUP]Al eine Halbwertszeit von 720000 Jahre hat, das lässt jetzt etwas Hoffnung in mir aufkommen das noch rechtzeitig Hilfe kommt. :rolleyes:
Wenn Hilfe kommt, auf jedenfalls, Wagenheber nicht vergessen.

Grüße
Wotan
 

Dgoe

Gesperrt
Hallo Wotan,

warum eigentlich Aluminium, warum nicht Carbon (CFK), ist doch auch leicht und widerstandsfähiger. Zudem, warum nicht eine dezente 'Gummi'-Ummantelung? Gerade die kleinen Scherkräfte von Steinen/Steinchen im Zentimeter(+Millimeter)-Bereich, die zu Rissen beitragen und nicht/kaum durch die Aufhängung gedämpft werden, würden dadurch etwas abgedämpft.

Sparen am falschen Ende?

Gruß,
Dgoe
 

Wotan

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... Sparen am falschen Ende?

nein nicht am falschen Ende gespart, es sind die kryogenen Eigenschaften, es ist einfach zu kalt in der Marsnacht.
Naturkautschuk Gummi gibt bei – 60 °C auf.

Kryogene Eigenschaften von Aluminium sind im Vergleich mit anderen Metallen auch bei extremen Temperaturen gut. So ein Opportunity oder Spirit Rad kommt mit 1 kg Aluminium aus, das ist schon wenig. Bei Opportunity und Spirit halten die Räder und die Radlaufflächen ja, Probleme liegen hier im Antriebssystem.

Die guten kryogene Eigenschaften von Polyimiden (PI) sind noch interessant.
Temperaturanwendungsbereich der Materialien reicht bis -270 °C und Polyimide sind bis etwa -200°C kälteschlagzäh.

Vielleicht, für den nächsten Rover, ein Verbundmaterial Aluminium mit Polyimidbeschichtung? :confused:

Grüße
Wotan
 
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