MIRIAM2 Weltraumtest

Von MIRIAM 1 zu MIRIAM 2

Das MIRIAM 2 Programm baut auf den Erfahrungen mit der nur teilweise erfolgreichen MIRIAM 1 Mission auf, bei der wesentliche Funktionen des Entwurfs sowie das Verhalten des Ballons beim Eintritt in die Atmosphäre nicht nachgewiesen werden konnten.

MIRIAM 2 soll  2018-2019 in den Weltraum starten. Wiederum stellt die DLR-MoRaBa einen passenden Träger und die gesamte Startkampagne in Kiruna in Nordschweden zur Verfügung.

Eine Reihe von Änderungen von MIRIAM-2 gegenüber MIRIAM 1 sollen diesmal einen vollen Missionserfolg garantieren. Das sind:

  • der leistungsfähigere Träger, der eine Ausdehnung der Dauer der MIRIAM-2 Mission gegenüber der Miriam 1 Mission erlaubt. Das erleichtert die Missionsablaufplanung und erlaubt zum Beispiel, einen größeren zeitlichen Sicherheitsabstand zwischen der Trennung von MIRIAM-2 von der Rakete und für das Entfalten des Ballons vorzusehen
  • MIRIAM-2 ist diesmal der einzige „Passagier“ der Rakete. Das erlaubt eine flexiblere Missionsplanung als wenn, wie bei MIRIAM-1, noch weitere Passagiere an Bord wären
  • DLR-Moraba stellt für MIRIAM-2 eine Raketennase zur Verfügung. Das gestattet eine feste Verbindung zwischen MIRIAM-2 und der Raketennase, sodass eine Integration von Miriam 2 mit der Raketennase erst am Startort, wie sie bei Miriam 1 erforderlich war, vermieden wird, und ein Trennvorgang weniger stattfindet. Damit wird das Risiko eines Missions-Misserfolgs verringert. Das erfordert umfangreiche konstruktive Änderungen von MIRIAM-2 gegenüber MIRIAM-1, was auch den relativ langen Entwicklungszeitraum zwischen den Starts von Miriam 1 (2008) und Miriam 2 (2018) erklärt
  • Die Trennung von MIRIAM-2 von der Rakete erfolgt diesmal mit einem bewährten Trennsystem der DLR-Moraba. Das erhöht ebenfalls die Wahrscheinlichkeit eines Missionserfolgs, da bei MIRIAM-1 der dabei verwendete und zuvor nicht in einer Mission erprobte Trennmechanismus aufgrund einer verspäteten Trennung zu dem teilweisen Mißerfolg der Mission führte
  • Der Ballon von Miriam 2 wird konstruktiv näher an den Anforderungen für eine Marsmission sein aufgrund der für die Verbindung der einzelnen Ballonsegmente entwickelten Schweißtechnik, einer weniger störanfälligen Ballon-Aufblastechnik und umfangreicher Entwicklungs- und Funktionstests
  • Der in den Ballon integrierte Geräteträger wurde signifikant weiterentwickelt und wird unter Schwerelosigkeit während Parabelflügen qualifiziert.
  • Miriam 2 ist so konstruiert, dass eventuell noch am Startplatz die Battereien ausgetauscht werden können -zum Beispiel nach einem Startabbruch oder längeren Startverzögerungen-, oder dass noch am Startplatz Reparaturen oder Abgleicharbeiten vorgenommen werden können. Das war bei MIRIAM-1 nicht möglich, da es hierzu erforderlich gewesen wäre, den Ballon aus seinem Behälter auszupacken, den Geräteträger aus dem Ballon auszubauen, und nach dem Eingriff alles wieder zusamenzubauen und den Ballon neu zu verstauen. Das wäre aber am Startplatz nicht möglich gewesen, hätte also zu einem Abbruch der Startkampagne geführt
  • für das Aufblassystem sollen für MIRIAM-2 bereits erprobte und verfügbare Ventile verwendet werden. Das führt zu einer robusteren Konstruktion des Aufblassystems
  • Der Zusammenbau von Rakete und MIRIAM-2 am Startplatz ist einfacher aufgrund des einfacheren und erprobten Trennsystems. Eventuell kann MIRIAM-2 sogar schon in Deutschland vor dem Transport nach Kiruna zum Startplatz mit der Rakete zusammengabaut und ausgetestet werden, sodass am Startplatz nur der Gesamtsystemtest wiederholt werden muss
  • Der zur Verfügung stehende Entwicklungszeitraum für MIRIAM-2 ist mit etwa 10 Jahren mehr als doppelt so lang wie für MIRIAM-1 und erlaubt deshalb ausführlichere Tests und damit eine höhere Funktionswahrscheinlichkeit während der Mission, als das bei MIRIAM-1 aufgrund des Zeitdrucks möglich war. Die Erfahrung hatte gezeigt, dass bei einem auf freiwilliger Mitarbeit beruhenden Projekt, in dem fast alle Mitarbeiter beruflich tätig sind, längere Entwicklungszeiten erforderlich sind als vorher angenommen worden war. Außerdem muss darauf Rücksicht genommen werden, dass kostenlose Testmöglichkeiten bei der IABG sich natürlich danach richten müssen, ob gerade kein kommerzielles Programm die Testeinrichtungen beansprucht
  • Aufgrund des längeren zur Verfügung stehenden Entwicklungszeitraums können mehr Analysen, Entwicklungs- und Qualifikationstests durchgeführt werden als das bei Miriam 1 aufgrund des Termindrucks möglich war. Das erhöht die Funktionssicherheit von Miriam 2 gegenüber Miriam 1

Konstruktion von MIRIAM-2

Die Konfiguration von MIRIAM-2 spiegelt die Änderungen wider, die sich gegenüber MIRIAM-1 aufgrund der oben beschriebenen Unterschiede ergeben. Miriam 2 wird diesmal direkt in die Nutzlastverkleidung der Rakete fest integriert. Dadurch kann die Funktion von Miriam 2 vollständig noch vor dem Transport soweit ausgetestet werden, dass Fehlermöglichkeiten nicht erst am Startort gefunden werden, wie es bei Miriam 1 für die Trennvorrichtung der Fall war. 

Insgesamt verspricht die Konstruktion von MIRIAM-2 eine zuverlässige Funktion aufgrund eines gegenüber MIRIAM-1 wegfallenden Trennvorgangs -die Nutzlastverkleidung bleibt mit dem Service Spacecraft fest verbunden- und der Verwendung erprobter Trennvorrichtungen.

Wesentliche weitere Konstruktionsmerkmale sind:

  1. Für den Ballonbehälter mit den Mechanismen für das Entfalten, Aufblasen und Freisetzen des Ballons wurde das grundlegende Konstruktionsprinzip von MIRIAM 1 beibehalten mit der „Blüte“ als eigentlichem Ballonbehälter. Jedoch wurden die Mechanismen für das erste Entfalten des Ballons und die Freisetzung nach vollendetem Aufblasen grundlegend anders ausgelegt. Jetzt kommen bereits vielfach in Raumfahrtprojekten bewährte sogenannnte „wire cutter“ zum Einsatz mit pyrotechnischen Auslösern, die jeweils redundant ausgelegt sind. Dadurch ergibt sich eine hohe Funktionssicherheit
  2. Für das Aufblassystem wird nicht mehr ein einzelnes gepulstes Ventil benutzt -das sich als Schwachstelle bei MIRIAM 1 herausgestellt hatte aufgrund seiner nicht ausreichend nachgewiesenen Funktionssicherheit-, sondern zwei handelsübliche Ventile. Dabei wird die erforderliche Änderung der Durchflussmenge während des Aufblasvorgangs durch Einzel- bzw. Parallelschaltung der Ventile erreicht. Umfangreiche Untersuchungen und Versuche haben die Gültigkeit dieses Konzepts bewiesen

Weiterentwicklung des Ballons

Die für MIRIAM 2 zur Verfügung stehende Entwicklungszeit erlaubt aber insbesonders die Weiterentwicklung des Ballons hin zu mehr Gemeinsamkeiten mit dem für ARCHIMEDES geplanten Marsballon, der einen Durchmesser von 10 bis 16 m haben wird (Miriam 2-Ballon: 4 m), abhängig von der gewünschten Abstiegsgeschwindigkeit des Ballon zur Marsoberfläche und der möglichen Masse des ARCHIMEDES Systems *). Dazu gehören

  • eine Weiterentwicklung der Nahttechnik gegenüber MIRIAM 1 hin zu größerer Masshaltigkeit, Robustheit und Dichtigkeit des Ballons
  • die Einführung der Schweisstechnik für die Nähte anstelle der zuvor verwendeten Klebetechnik
  • die Anwendung verfeinerter und genau definierter Fertigungstechniken und -Einrichtungen zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Fertigung vom Ingenieurmodell zum Flugmodell

*) abhängig von Masse und Volumen, die vom Trägersatelliten zur Verfügung gestellt werden

Außerdem werden in den Geräteträger des Ballons weitere Sensoren eingebaut, die -im Vergleich mit MIRIAM 1- weitere wertvolle Erkenntnisse zum Verhalten des Ballons während des Aufblasvorgangs, der Trennung vom Aufblassystem und während des Eintritts in die Atmosphäre und beim Abstieg liefern sollen:

  • eine in den Ballon blickende Videokamera, die die Verformung des Ballons registrieren soll. Hierzu werden im Ballon besonders ausgeformte Mess-Markierungen angebracht, deren räumliche Bewegungen aufgenommen und nach der Mission ausgewertet werden
  • ein GPS zur Unterstützung der Bahnvermessung
  • Vibrationssensoren, die die niederfrequenten Schwingungen des Ballons messen sollen.
  • verbesserte Baken, um nach der Mission den durch den Atmosphärendruck zusammengedrückten und deshalb abgestürzten Ballon mit seinem Geräteträger orten und bergen zu können. Das ist erforderlich, um die gespeicherten Videoaufnahmen des Balloninneren auswerten zu können, da die Videodaten aufgrund der hohen Bitrate nicht direkt zum Boden übertragen werden können

Nicht zuletzt stehen für MIRIAM 2 auch aktuellere Bauteile zur Verfügung, die die Entwicklung erleichtern.

Weiterentwicklung des Geräteträgers

Der MIRIAM 2 Geräteträger unterscheidet sich wesentlich gegenüber MIRIAM 1

  • Der Geräteträger ist im eingebauten Zustand von außen zugänglich
  • zusätzlich zu Miriam 1 wird in den Ballon eine nach innen gerichtete Videokamera eingebaut, deren hochauflösende Aufnahmen nach der Mission geborgen werden
  • umfangreichere Avionik aufgrund der zahlreicheren Sensoren und weiteren Experimente

Dadurch wird die Aussagekraft der MIRIAM 2 Mission erhöht und ein Zugang zum Geräteträger auch noch am Startplatz möglich, falls erforderlich. Die durch die Änderungen bewirkte Erhöhung des Gewichts des Geräteträgers wird bei der Auswertung der aero-thermodynamischen Daten der Mission berücksichtigt

MIRIAM-2 Missionsablauf

Diesmal wird MIRIAM 2 der einzige Passagier der Rakete sein, die diesmal ein gegenüber der MIRIAM 1 Mission leistungsfähigeres zweistufiges Modell sein wird. Bei der MIRIAM 1 Mission musste sich MIRIAM 1 die Rakete mit weiteren Experimentatoren teilen, was eine Reihe von Entwurfs-Einschränkungen für MIRIAM 1 zur Folge hatte. Daher kann MIRIAM 2 optimal an die Rakete angepasst werden.

Aufgrund der Erfahrungen mit MIRIAM 1 wird diesmal für die Trennung von MIRIAM 2 von der Rakete eine erprobte Trennvorrichtung der DLR-MoRaBa verwendet. Außerdem stellt die DLR-MoRaBa eine Nutzlastverkleidung (nosecone) zur Verfügung, in die MIRIAM 2 fest installiert werden kann. Dadurch wird ein kritischer Trennvorgang eingespart.

Der Start von MIRIAM 2 ist für November 2018 geplant. Der Missionsablauf ist weitgehend identisch mit dem von MIRIAM 1. Der Abschusswinkel der Rakete und die erreichte Höhe bestimmen die Flugzeit, die Eintrittsgeschwindigkeit und den Eintrittswinkel des aufgeblasenen Ballons. Die für die Entfaltung des Ballons zur Verfügung stehende Zeit von weniger als 6 Minuten erfordert eine optimale Auslegung der Aufblas- und Trennsysteme von MIRIAM 2. Die genaue Registrierung dieser Funktionsabläufe ist deshalb, neben dem eigentlichen Ballon-Eintritt, ein sehr wichtiges Missionsziel. Dafür sind neben der Übertragung aller Messdaten in Echtzeit mehrere Kamerasysteme vorgesehen:

  • mehrere Kameras, die auf dem mit der Rakete fest verbunden bleibendem Kameramodul angebracht sind und den Trennvorgang von MIRIAM 2 und den Beginn des Aufblasvorgangs festhalten sollen. Deren Daten werden über die Sender der Rakete zum Boden übertragen
  • zwei Videokameras am Service S/C, die an zwei ausklappbaren Kameraarmen besfestigt sind und den gesamten Aufblas- und Trennvorgang festhalten sollen. Deren Daten werden in Echtzeit mit einem eigenen Sender zum Boden übertragen
  • Die oben erwähnte in den Ballon schauende Videokamera wird während der ganzen Mission Aufnahmen auf einen integrierten Datenträger vornehmen. Diese Daten können aufgrund der hohen Datenrate nicht in Echtzeit zum Boden übertragen werden. Deshalb muss die Kamera bzw. der Datenträger nach Ende der Mission geborgen werden, was trotz des zu erwartenden harten Aufschlags des Geräteträgers auf den Boden möglich ist, wie die Ergebnisse der MIRIAM 1 Mission gezeigt haben. Dafür wird der Geräteträger mit Funkbaken ausgerüstet, die dessen Ortung gestatten. Außerdem wird der Bahnverlauf des Ballons aufgrund der Austattung mit GPS und Beschleunigungsmessern recht genau rekonstruierbar sein. Diese Daten werden zusammen mit anderen Sensordaten wie Temperaturen, Spannungen, Ströme in Echtzeit zum Boden übertragen. Da der Ballon bis etwa 70 km vom Startort entfernt herunter kommt und die Sendeleistung begrenzt ist, sind die zu empfangenden Datenraten begrenzt.

Die Funktionen des Service S/C werden werden ebenfalls genau registriert und in Echtzeit zum Boden übertragen, da das Service S/C ebenso wie der Ballon ungebremst in die Atmosphäre eintritt und zum Boder stürzt.

Entwicklungsplan

Der Zeitplan berücksichtigt die längere zu Verfügung stehende Entwicklungszeit von etwa 10 Jahren für MIRIAM 2, die ausreichend Zeit für Entwicklungstests bietet.

Die Entwicklung von MIRIAM 2 hat Mitte 2009 begonnen und umfasst

  • Untersuchungen zur Gesamtkonfiguration von MIRIAM-2 und dem Ballon-Aufblassystem
  • Fertigung und Test von Ballonelementen
  • Entwicklung einer robusteren und maßhaltigeren Ballonnaht-Technologie
  • Entwicklung der Schweißtechnik für die Verbindung der Ballonelemente
  • Weiterentwicklung des Geräteträgers des Ballons und seiner Elektronik und Software
  • Weiterentwicklung des Ballonbehälters hin zu einer sichereren Freisetzung, Aufblasung und Abtrennung des Ballons
  • Fortführung der Ballonentwicklung mit Material- und Fertigungstests

Im Mai 2011 wurden die Anforderungen an MIRIAM-2 über eine formelle Projektüberprüfung (PRR-Preliminary Requirements Review) überprüft und festgeschrieben.

Ende 2012 wurde der Entwurf festgelegt. Im November 2013 wurde die Fertigung des Ingenieurmodells des MIRIAM-2 Ballons fertiggestellt und der Ballon zu Testzwecken aufgeblasen. Die Fertigung des Flugballons wurde 2016 beendet.