Boden-Testprogramm

Fertigung, Verpackung, Aufblasen und Test von Ballons

Für den ARCHIMEDES Ballon wurde als bester Kompromiss zwischen Größe, Gewicht, Füllgasmenge mit dazugehörigem Aufblassystem und benötigtem Stauraum, bei Beibehaltung der wissenschaftlichen Missionsziele, ein Durchmesser von 10 m ermittelt. Damit ist auch ein Gesamt-Systemgewicht von ARCHIMEDES von etwa 80-100 kg erreichbar, was als Obergrenze für einen kostenlos auf einer Marssonde mitfliegenden „Passagier“ anzusehen ist und mit der ursprünglich geplanten AMSAT P5-A Marssonde kompatibel ist.

Ballonentwicklung: Aufblas- und Verpackungtests

Die Verpackung und Verstauung eines 10-m Ballons mit dem in ihn integrierten Geräteträger und seiner Ausrüstung mit Sensoren und Antennen stellen eine besondere Herausforderung dar, da der Ballon nach seinem Transport zum Mars in eng verpacktem Zustand ja auch wieder sicher entfaltet und aufgeblasen werden muss. Deshalb wurden von 2003-2005 eine Reihe unterschiedlicher Tests mit unterschiedlich großen Ballonen durchgeführt, um zu optimalen Lösungen für die Faltung und Verpackung des Ballons zu finden.

Erste Ballon-Falttests 2004

Erste Verpackungs- und Entfaltungstests für den ARCHIMEDES Ballon wurden 2003 begonnen. Hierbei konnten die Räumlichkeiten des Raumfahrttestzentrums der IABG in Ottobrunn kostenlos genutzt und auch die Herstellung von Ballonen in Reinräumen der IABG durchgeführt werden. Der spätere ARCHIMEDES Ballon muss sehr kompakt gefaltet werden, um eine optimale Ausnutzung des limitierten Platzes auf dem Trägersatelliten zu ermöglichen. Gleichzeitig muss jedoch auch eine reproduzierbare Faltung erreicht werden, die ein problemloses Aufblasen im Welttraum gewährleistet. Hierzu wurden verschiedene Faltmethoden getestet und diverse die Schwerkraft kompensierende Plattformen zum Aufblasen des Ballonpakets entwickelt.

Erster vollständiger Ballon-Aufblastest 2004 zum Ermitteln des Verhaltens des Ballons während des Aufblasvorgangs

Für Ballonmodelle in voller Größe wurde der MSD die Münchner Olympiahalle zur unentgeltlichen Nutzung überlassen. Ein wesentlicher erster Praxiserfolg war bereits die Integration eines Testballons in halber Größe (5 m Durchmesser) in das REGINA Modul für den REGINA Flugtest.

Material-Entwicklungstests

Die Auswahl des Ballonmaterials für ARCHIMEDES erforderte umfangreiche Tests, um ein für die Marsmission geeignetes Ballonmaterial zu finden. Bereits für den MIRIAM-1 Flugtest sollte dieses Material soweit wie möglich den Anforderungen an die Marsmission erfüllen. Getestet wurden unter anderem die Temperaturfestigkeit, die entsprechend den Analysen für die Marsmission midestens 300 °C betragen sollte (siehe auch hier).

Ergebnisse verschiedener Materialtests

Auch die Reissfestigkeit, Verformbarkeit, Verarbeitbarkeit und Faltbarkeit sowie die Lagerfähigkeit wurden getestet. Als Ergebnis dieser Tests wurde das Material Upilex 25 RN ausgesucht, das alle diese Anforderungen in ausreichendem Mass erfüllt und darüberhinaus verfügbar und für die MSD erschwinglich war.

Ballon-Vibrationstests

2012 wurde eine Reihe von Tests und Simulationen vorgenommen, um das Vibrationsverhalten von Ballonen unter dem Einfluss der atmosphärischer Einflüsse zu studieren. Die Ergebnisse sind in den Diagrammen zu sehen. Dabei sind aber die tatsächlichen Verformungen wesentlich geringer als in den Diagrammen zu sehen ist, bei denen der Verformungseffekt stark vergrößert dargestellt ist.

 2006 wurde als Teil der Entwicklung von MIRIAM-1 der erste Test eines voll funktionsfähigen Ballons durchgeführt. Hierzu wurde der für MIRIAM-1 entwickelte 4-m Ballon einem Aufblastest unter Vakuumbedingungen in der 5-m Vakuumkammer der IABG unterzogen.

Test eines kompletten Flugballons – der 4-m Ballon von MIRIAM

Für den Test des ARCHIMEDES Ballons mit 10 m Durchmesser gibt es keine dafür geeignete Vakuumkammer. Deshalb muss der 4-m Ballon von MIRIAM möglichst in allen seinen Eigenschaften dem späteren ARCHIMEDES Ballon entsprechen und auch entsprechend gefertigt und getestet werden.

Der MIRIAM-2 Ballon wurde im Februar 2014 einem kompletten Aufblastest in der 5-m Vakuumkammer der IABG unterzogen, wobei der gesamte Aufblasvorgang simuliert wurde. Das Aufblassystem wurde danach aufgrund der Testergebnisse überarbeitet und befindet sich nun (Oktober 2014) in der Fertigung für einen erneuten Aufblastest, diesmal des Flugballons, im Frühjahr 2015.

MIRIAM Ballon in der 5-m Vakuumkammer der IABG

Der 4-m Ballon für MIRIAM-1 wurde bereits nach den Vorgaben der ARCHIMEDES Marsmission gefertigt, da der Ballon ja das Flugverhalten des ARCHIMEDES Marsballons in der dünnen Erdatmosphäre nachbilden sollt, wenn auch in verkleinertem Maßstab. Außerdem wurde das für MIRIAM-1 entwickelte Aufblassystem benutzt, dass dem der Marsmission möglichst ähnlich sein sollte.

Für die Entwicklung und den Test des MIRIAM-2 Ballons wird dementsprechend ein Aufwand betrieben, wie er auch für den ARCHIMEDES Ballon erforderlich ist, obwohl der MIRIAM Ballon bei weitem nicht den gleichen Bedingungen ausgesetzt ist. So entfällt, verglichen mit der ARCHIMEDES Mission, die lange Lagerzeit, und die Missionsdauer des voll aufgeblasenen Ballons beträgt lediglich einige Minuten.

die 5-m Vakuumkammer mit dem MIRIAM Ballon und dem Aufblassystem

Test des Ballonverstau- und Auswerfsystems

Im Februar 2014 wurde mit einem Modell des Systems für die Verstauung und Auswurf des Ballons für MIRIAM-2 getestet. Dabei wurden Ballon und Geräteträger durch Gewichte simuliert, um die tatsächlichen dynamischen und Gewichtsverhältnisse zu simulieren. Der Versuch wurde gefilmt:

Ballon-Ausstosstest (anklicken für Wiedergabe)