Projekt Archimedes

Prof. Rapp mit WM Jens Birkel

 

ARCHIMEDES

Allgemein


Zur Erkundung des Planeten Mars und seiner Atmosphäre ist das technologisch/wissenschaftliche Ballon Projekt ARCHIMEDES vorgeschlagen, in dessen Rahmen erstmalig ein mit wissenschaftlichen Instrumenten bestückter Überdruckballon in der Marsatmosphäre eingesetzt werden soll. Ziel dieser Mission ist die Sammlung von Atmosphärendaten in verschiedenen Höhen durch direkte Messung, die Untersuchung des Krustenmagnetfeldes aus einer Position unterhalb der Marsionosphäre, sowie die Aufnahme vertikaler Oberflächenstrukturen aus einer schrägen Perspektive. Weiterhin können durch Verfolgung des Ballons Einblicke in die Strömungen innerhalb der Marsatmosphäre erlangt werden.

Nach derzeitigen Planungen wird die Raumsonde Archimedes als Nutzlast der Marssonde AMSAT P5-A mit einer Flugoption für 2009 fungieren. Nach Erreichen einer Marsumlaufbahn wird die Raumsonde ARCHIMEDES von AMSAT P5-A abgetrennt und führt ein selbständiges De-Orbitmanöver durch, wobei eine wesentliche Neuerung darin besteht, dass der Ballon bereits im Weltall entfaltet und aufgeblasen wird und die Raumsonde ARCHIMEDES mit aufgeblasenem Ballon in die Atmosphäre eintritt.

Die Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik der Universität der Bundeswehr München ist mit dem » Institut für Raumfahrttechnik, dem » Institut für Thermodynamik und dem » Institut für Leichtbau am Projekt ARCHIMEDES beteiligt.

 


Beitrag des Instituts für Leichtbau


Das Institut für Leichtbau ist für die konstruktive Auslegung und den Bau des Transport- und Ausstoßbehälters der Raumsonde ARCHIMEDES verantwortlich. Aufgrund der durch den geplanten Einbau in AMSAT P5-A vorgegebenen geometrischen Abmessungen liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung eines zuverlässigen Ausstoßmechanismus, welcher den gefalteten Ballon nach seiner Ankunft in der Marsumlaufbahn aus dem in AMSAT P5-A integrierten Transportvolumen katapultiert und eine zum Aufblasen ausreichende Vorentfaltung sicherstellt. Die Erprobung des Mechanismus unter Mikroschwerkraftbedingungen erfolgt im Rahmen einer Parabelflugkampagne der ESA vom 19.06.-01.07.2005 in Bordeaux/Frankreich.

Zur Realisierung obiger Forderungen wurde eine teflongelagerte Blütenkonstruktion, die den Ballon über einen Federmechanismus am eine Geschwindigkeit von ca. 1 m/s beschleunigt, gewählt und für die Parabelflüge in einem A300 Zero-G im Maßstab 1:2 in der institutseigenen Werkstatt gefertigt:
(s. Bilder Model 1 bis 3)


Während des Fluges zum Mars werden der gefaltete Ballon einschließlich der Nutzlast und die Blüte durch einen Klemmring im sechseckigen Transportbereich des AMSAT P5-A gehalten. Nach Erreichen der Umlaufbahn wird der Klemmring durch Sprengbolzen vom Rest der Struktur abgesprengt. Die am Blütenboden befestigten Spiralfedern beschleunigen sodann die Blüte mit Ballon und Nutzlast aus dem Transportbereich von AMSAT P5-A heraus, wobei sich die Blütenblätter mit ansteigendem Ausfahrweg durch integrierte Blattfedern selbständig öffnen und das Ballonpaket freigeben. Sobald der Blütenboden den Rand des Transportbereichs erreicht hat, wird er durch ein Stahlseil abrupt gestoppt, während das Ballonpaket und die Nutzlast ihre Bewegung bedingt durch ihren bisherigen Impuls fortsetzen, was zu einer partiellen Entfaltung des Ballons führt.

Um eine mehrmalige Erprobung des Ausstoßmechanismus während der Parabelflugkampagne zu gewährleisten, wurden die Funktion der Sprengbolzen im 1:2 Modell durch eine servobetriebene Mechanik ersetzt, welche sowohl den Anforderungen der Erprobung (gleichzeitige Auslösung, selbständige Verriegelung) als auch den Sicherheitsanforderungen der ESA genügte. Abschließend wurde die zur Steuerung der Servos erforderliche Elektronik implementiert und das gesamte Modell mit einem Rahmen verkleidet. Dies bewirkt zum einen eine Verringerung des Verletzungsrisikos durch die Blütenblätter und abstehende Teile und schützt zum anderen die Elektronik vor unbeabsichtigen Eingriffen.
(s. Bild Modell 1)



Erprobung der Struktur


Um eine einwandfreie Funktion sämtlicher Komponenten während der Parabelflugkampagne sicherzustellen, wurde ein einfacher Erprobungsstand für das Raumsondenmodell konzipiert. Zu diesem Zweck wurden in Teilen eines ehemaligen Hangars an der Universität der Bundeswehr München Umlenkrollen an der Decke angebracht, um eine annähernde gewichtsneutrale Lagerung zu erhalten, wobei der große Abstand zur Decke die auftretenden Pendeleffekte minimierte.

Die Nutzung dieser Einrichtung, die in ihren Längs- und Seitenmaßen mit dem Versuchsraum an Bord des A300 Zero-G übereinstimmte, ermöglichte es, die Struktur diversen Tests und Optimierungsversuchen unter Bedingungen ähnlichen denen während des Parabelfluges auszusetzen. Zudem diente der Erprobungsstand als Trainingseinrichtung für die Experimentatoren, um fundamentale Handlungsabläufe einzustudieren.
(s. Bilder Vorversuche)

Parabelflugkampagne 2005


Im Zeitraum vom 19.06.05 - 01.07.05 wurde der Ausstoßmechanismus im 1:2 Modell erfolgreich an Bord eines Airbus A300-Zero G während einer Parabelflugkampagne getestet. Das Experimentatorenteam bestand aus Dipl.-Ing. Hannes Griebel (Institut für Raumfahrttechnik), OLt Dipl.-Ing. Jens Birkel (Institut für Leichtbau) und Dipl.-Ing. Klaus Bayler (IABG mbH, Ottobrunn). Schwerpunkt der Tests war die Überprüfung der Zuverlässigkeit des Ausstoßmechanismus in der Schwerelosigkeit sowie das Ballonverhalten während der Vorentfaltung (ca. 1/3 des Gesamtballons) bei rotierendem bzw. taumelnden System. Der Mechanismus wurde sowohl im fixierten als auch im frei schwebenden Zustand über 80 mal erfolgreich ausgelöst. Es zeigte sich dabei, dass der Ballon auch bei einem rotierenden System ohne Probleme entfaltet werden kann. Da jede Auslösung ein erneutes Packen des Ballonpakets in die Blüte bedingt, wurde eine Untersuchung der Entfaltung des kompletten Ballonpakets einmalig zu Beginn der letzten fünf Parabeln durchgeführt. Auch dieser Test war erfolgreich.
(s. Bilder Aufbau und Parabelflug)



Weitere Vorhaben innerhalb des Projekts ARCHIMEDES


Nach derzeitigem Planungsstand erfolgen im Februar 2006 Versuche an Bord einer Höhenforschungsrakete, welche weitere Modifikationen der ARCHIMEDES-Struktur im Hinblick auf ihre geometrischen Abmaße bedingen. Zu diesem Zweck sind umfangreiche dynamische Untersuchungen der Struktur geplant, um ihre Tauglichkeit für eine realen Raketenstart zu validieren.

Weitere Informationen zum ARCHIMEDES-Projekt finden Sie unter:

» Institut für Raumfahrttechnik
» Mars Society



Archimeds 1

Modell 1

Archimedes 2Archimedes 2

Modell 2 und 3

Archimedes 3Archimedes 3

Vorversuch 1 und 2

Archimedes 3a

Vorversuch 3

Archimedes 4Archimedes 4

Aufbau 1 und 2

Archimedes 5Archimedes 5

Aufbau 3 und Parabelflug 1

Archimedes 6

Parabelflug 2

Archimedes 7

Parabelflug 3

Alle Fotos in diesem Abschnitt: COPYRIGHT BY ESA