Engibous Design Contest 2011 Der Flug zum Mars

Redakteur: Kristin Rinortner

Spätestens seit Anfang des 20. Jahrhunderts träumen die Menschen von interstellaren Reisen. Heute fliegen Astronauten, Kosmonauten und Taiconauten ins All. Der Flug zum Mars soll dabei bis 2050 realisiert werden. Ein Projekt befasst sich mit der Avionik-Hardware.

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Flug zum Mars: Ein Elektronikmodul übernimmt die Flugsteuerung für ein vollständig autonomes Luftfahrzeug
Flug zum Mars: Ein Elektronikmodul übernimmt die Flugsteuerung für ein vollständig autonomes Luftfahrzeug
(Bild: www.kosmosjpg.ru)

Der bemannte Flug zu Mars ist ein erklärtes Ziel vieler Nationen, so der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA, der europäischen Raumfahrtbehörde ESA oder der russischen Raumfahrtagentur Roskosmos. Man ist sich einig: Ein bemannter Flug zum Mars soll in den nächsten 40 Jahren stattfinden. So bauen die USA das Raumschiff Orion, die Europäer initiierten das Aurora-Programm und die Russen haben mit der Entwicklung eines neuartigen Raumschiffantriebs auf Basis eines Megawatt-Kernreaktors begonnen. Aufsehen erregte vor kurzer Zeit der von Roskosmos und ESA durchgeführte simulierte Flug zum Mars, das Mars500-Projekt, bei dem sechs Männer 520 Tage in einer „Weltraumtonne“ ausharrten.

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Der Aufwand für eine derartige Reise ist enorm und die zu lösenden Aufgaben und technischen Herausforderungen vielfältig. Denn immerhin dauert der Flug mit den heutigen Antriebsmöglichkeiten etwa 240 Tage – und einen etwa einjährigen Aufenthalt auf dem Mars eingerechnet – insgesamt etwa 1000 Tage.

Auch die Sieger des von Texas Instruments ausgelobten Wettbewerbs „Engibous Design Contest 2011“ wählten die Reise zum Mars als Herausforderung. Selbstverständlich mit elektronischem Fokus. Die Gruppe der Rice University aus Houston/Texas mit Anthony Austin, Jeffrey Bridge, Robert Brockman II und Peter Hokanson konzipierte eine Flugsteuerung für ein autonomes Raumschiff zum Mars.

Denn bevor Menschen auf die Reise zum Mars geschickt werden, muss man sich anhand unbemannter Expeditionen einen Überblick verschaffen. Aus diesem Grund entwickelte das Team mit dem Namen Electric Owl (dt.: elektrische Eule) ein Elektronikmodul, das die Flugsteuerung für ein vollständig autonomes Luftfahrzeug übernimmt. Zu den Aspekten, die beim Design berücksichtigt wurden, gehörten die Mars-Atmosphäre, die Energiegewinnung, die Durchquerung des interplanetaren Raums, die Auswirkungen der Lichtgeschwindigkeit auf die Kommunikation und Fragen im Zusammenhang mit dem hohen Strahlenaufkommen.

Bild 1: Blockschaltbild eines für den Mars geeigneten Systems
Bild 1: Blockschaltbild eines für den Mars geeigneten Systems
(Bild: Texas Instruments)
Angesichts des enormen Umfangs dieses Projekts entschied sich das Team, zunächst eine flugfähige Hardware mit elementaren Autopilotfunktionen zu entwickeln. Als nächstes implementierte die Mannschaft redundante Sensorfunktionen, um die Fähigkeit des Systems für redundantes Arbeiten zu demonstrieren. Das Konzept ist in Bild 1 gezeigt, seine Umsetzung in Bild 2.

Wirklich interessant wurde es, als es ans Testen der Prototypen ging. Im Laufe des Projekts simulierte die Gruppe sechs reale Flugtests. Im ersten Test wurde verifiziert, dass das Servo-Board die Impulse korrekt und mit dem richtigen Timing empfing, verarbeitete und sendete. Der zweite Test, in dem drei Platinen zusammen mit der Backplane zum Einsatz kamen (Bild 2), fand ein vorzeitiges Ende, gab dem Team jedoch Gelegenheit, einen Fehler in der Telemetrie aufzudecken. Zwei weitere Flüge waren zum Testen des Autopiloten notwendig. Zur Verifikation der redundanten Sensoren führte man ebenfalls zwei Flüge durch.

Bild 2: Die Backplane wird mit vier Arten von Steckplatinen bestückt
Bild 2: Die Backplane wird mit vier Arten von Steckplatinen bestückt
(Bild: Texas Instruments)
Nach Beendigung dieser Vorarbeiten entwarf und baute die Gruppe einen kompletten Satz Avionik-Hardware für einen unbemannten Starrflügler. Das modulare Hardwaredesign gliederte die Systemfunktionen auf vier Platinen. Die Mannschaft schrieb und testete die Firmware für jede Leiterplatte. Unter anderem handelte es sich um einen elementaren Autopiloten und einen maßgeschneiderten Echtzeit-Kernel für das universelle Computer-Board.

„Insgesamt kein schlechtes Resultat für ein Jahr harter Arbeit“, erläutert Bonnie Baker, die als eine der Juroren mit der Bewertung von Forschung und Planung, des Designs und der Simulation, von Bau und Prototyping sowie der Testphase betraut war. Unter Verwendung analoger Halbleiterbausteine demonstrierte das Team die grundlegenden Funktionen des Systems, betrieben mit einem dreifach redundanten Satz Sensoren in einer realen Flugumgebung, wobei das Avionik-Paket in ein handelsübliches RC-Flugmodell eingebaut wurde. Das Flugzeug verarbeitete erfolgreich die Daten eines jeden Sensorsatzes und benutzte diese Daten zusammen mit dem Autopiloten, um einen vorgegebenen Kurs zu halten, so Baker.

Nach Informationen von Bonnie C. Baker, Texas Instruments.

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