Sensoren verzamelen cruciale gegevens over Mars-landingen met komst van volharding

“Tango-delta. Aanraking bevestigd. Volharding veilig op het oppervlak van Mars, klaar om te beginnen met het zoeken naar de tekenen van vorig leven.” Meer dan zes jaar wachtte het team van Mars Entry, Descent and Landing Instrumentation 2 (MEDLI2) op het horen van deze woorden.

NASA's Perseverance-rover landde op 18 februari 2021 met succes en begon zijn robotverkenning van de Rode Planeet. MEDLI2 was een van de cruciale technologieën op de beschermende aeroshell van de rover die hielp bij het documenteren van het binnenkomen, dalen en landen (EDL) van het ruimtevaartuig. Alle MEDLI2-gegevens zijn opgeslagen op Perseverance voor verzending naar de aarde na een succesvolle landing.

De rol van MEDLI2 was het verzamelen van kritische gegevens over de barre omgeving tijdens de intrede van Perseverance door de atmosfeer van de planeet. Het omvatte drie soorten sensoren - thermokoppels, warmtefluxsensoren en druktransducers - die extreme hitte en druk meten tijdens het binnenkomen. Het bevatte ook elektronica en hardware voor het registreren van de thermische en drukbelastingen die werden ervaren tijdens het binnenkomen en door de parachute-inzet.

MEDLI2 gebruikte zijn metingen om de verwarming en atmosferische krachten te bepalen die op het hitteschild en de rugschaal plaatsvonden. Samen vormen deze twee componenten de aeroshell, die de Perseverance-rover huisvestte en beschermde tijdens de cruise naar Mars en EDL.

MEDLI2 werd vijf uur voor de "Seven Minutes of Terror" ingeschakeld - de laatste zeven minuten durende afdaling naar Mars. Dit gaf de elektronica van MEDLI2 de tijd om de temperatuur te stabiliseren en de beginomstandigheden te meten voordat ze binnenkwamen. Nadat het team de indicatie had gekregen dat MEDLI2 succesvol was geactiveerd, bleven ze de binnenkomende gegevens gedurende de vijf uur durende kustfase voorafgaand aan binnenkomst monitoren.

De meeste MEDLI2-sensoren en de primaire elektronica waren op het hitteschild van Mars 2020 gemonteerd. Ongeveer 10 seconden nadat de supersonische parachute was ingezet, werd MEDLI2 voor de laatste keer uitgeschakeld, omdat het zijn taak had volbracht. Omdat het van cruciaal belang is dat het hitteschild wordt gescheiden om de Perseverance-rover uit het instapvoertuig te kunnen halen, moest MEDLI2 een paar seconden voor de scheiding worden uitgeschakeld om problemen met de elektrische stroom te voorkomen. Het harnas dat het hitteschild en de rugleuning verbond, werd vervolgens doorgesneden door het afvuren van een pyrocutter en het hitteschild viel.

Perseverance heeft tijdens de EDL in realtime "kritieke gebeurtenisgegevens" geretourneerd. Het bevatte een subset van de MEDLI2-gegevens, waardoor observaties mogelijk waren van wat het instapvoertuig ervoer terwijl het binnenkwam. Drie dagen na de succesvolle landing van Perseverance werden de resterende MEDLI2-gegevens teruggestuurd naar de aarde en begon de volgende fase van het project:gegevensanalyse en prestatiereconstructie.

“De geretourneerde gegevens zijn fascinerend. Het is alsof je vanuit vogelperspectief kunt zien wat er met de aeroshell gebeurt terwijl deze door de lucht van Mars vliegt. De signalen van de MEDLI2-sensor zijn zo duidelijk dat we meteen interessante fenomenen en cruciale gebeurtenissen kunnen onderscheiden", zegt Todd White, hoofdonderzoeker van MEDLI2 bij het Ames Research Center van NASA in Silicon Valley in Californië.

Gegevens verzameld van MEDLI2 bieden ook metingen die zullen worden gebruikt om de eigenschappen te bepalen van de atmosfeer waar het Mars 2020-instapvoertuig doorheen vloog. MEDLI2 biedt essentiële EDL-observatiegegevens om te begrijpen hoeveel marge er nog over is op de Perseverance-invoer, samen met gegevens die zullen worden gebruikt om voorspellingsmodellen en hulpmiddelen voor toekomstige missies te verbeteren.

De isolatietemperaturen van het hitteschild die tijdens de volledige ingangsfase werden geregistreerd, waren consistent met de ingangsvoorspellingen. De piek gemeten temperatuur in het hitteschild tijdens de invoer was 1830 ° F (1000 ° C). Dat komt overeen met een geschatte maximale buitentemperatuur van het hitteschild van ongeveer 1400 °C.

MEDLI2 gebruikte ook de ingebedde thermokoppels om te bepalen hoeveel van de beschermende isolatie van het hitteschild mogelijk is weggebrand of geablateerd. Alle thermokoppels overleefden de ingangsverwarmingspuls, wat aangeeft dat de ablatie van het hitteschild erg laag was. Deze waarneming kan worden gebruikt om de hoeveelheid isolatie die nodig is op een hitteschild opnieuw te evalueren om de totale massa van het instapvoertuig mogelijk te verminderen.

Tijdens dezelfde fase werd ook de oppervlaktedruk gemeten, waarbij de piekoppervlaktedruk van het hitteschild overeenkwam met de voorspellingen van het team. MEDLI2 koos verschillende sensoren om zich te concentreren op het nauwkeurig vastleggen van verschillende vluchtregimes. Eén sensor dekte het volledige bereik van de maximale oppervlaktedrukken. De overige zes drukmetingen van het hitteschild hadden een bereik om de omstandigheden tijdens het supersonische vluchtregime nauwkeuriger vast te leggen (van ongeveer vijf keer de geluidssnelheid op Mars tot de inzet van de supersonische parachute). Deze sensoren, gecombineerd met traagheidsmetingen aan boord, gaven extra inzicht in hoe het instapvoertuig presteerde wanneer de effecten van variaties in atmosferische dichtheid en wind meer uitgesproken waren. De MEDLI2-drukgegevens zullen worden gebruikt om de modelleringsaanpak voor toekomstige EDL-missies te verbeteren.

MEDLI2 omvatte sensoren op de achterkant van het Mars 2020-instapvoertuig, een gebied dat tot nu toe beperkte waarnemingen heeft gehad. Oppervlaktedruk, isolatietemperatuur en directe oppervlakteverwarmingsmetingen omvatten de back shell-sensorsuite. Kennis van de oppervlaktedruk op de achterkant van het instapvoertuig draagt ​​bij aan het verkleinen van de landingsvoetafdruk. De temperatuurgegevens van de isolatie van de achterkant lagen binnen de oorspronkelijke voorspellingen, wat kan worden gebruikt om de modelonzekerheid te verminderen. Net als bij de isolatie van het hitteschild, kan het begrijpen van de temperatuurprestaties van de achterkant van de schaal leiden tot een vermindering van de isolatiemassa van de achterkant. Directe oppervlakteverwarmingsmetingen van de rugleuning dragen ook bij aan het verminderen van de onzekerheid in de voorspellende modellen.

MEDLI2-gegevens omvatten ook een reeks "huishoudelijke" metingen. Deze omvatten een aantal compenserende temperatuurmetingen van kritische wetenschappelijke sensoren. Veel van deze huishoudelijke gegevens zijn ook van groot belang voor het Mars 2020-team om te helpen bij hun eigen EDL-reconstructie-inspanningen. Een deel van de huishoudelijke metingen omvatte sensoren in de MEDLI2-ondersteuningselektronica (spanningen, interne temperaturen, MEDLI2-hartslag/klok, enz.).

Het MEDLI2-team zal de komende zes maanden doorgaan met het analyseren van de gegevens, om het begrip van NASA van de Mars-atmosfeer, de extreme omstandigheden van binnenkomst en hoe goed de Mars 2020-aeroshell de rover heeft beschermd, te verfijnen. Deze lessen zullen onmiddellijk nuttig zijn voor de volgende Mars-missies, en zelfs missies die op weg zijn naar Titan.