MIRIAM B - ein High Tech Produkt

Auslegung des Ballons

Die Entwicklung des Ballons für ARCHIMEDES stellt die zentrale Entwicklungsaufgabe im ARCHIMEDES Programm dar, denn noch nie ist ein Ballon im Weltraum aufgeblasen worden, noch dazu nach einer langen Reise von bis zu 18 Monaten im Weltraum unter Vakuumbedingungen in einem eng verpackten Zustand.

Das Entwicklungsprogramm des Ballons hatte von Anfang an die Anforderungen der Marsmission im Blick. Das heißt, dass auch die Ballons für die Flugversuche MIRIAM-1 und MIRIAM-2 möglichst weitgehend den Anforderungen der Marsmission entsprechen sollten, obwohl die Anforderungen für die MIRIAM Missionen alleine weniger anspruchsvoll sind, da die Missionsdauer nur wenige Minuten beträgt und der Zeitraum, währenddessen der Ballon verstaut ist, nur einige Tage.

Der Ballon für MIRIAM-2 wird mit Ausnahme seines kleineren Durchmessers schon weitgehend dem Marsballon entsprechen.

Aus diesem Grund werden die Ergebnisse der Ballonentwicklung für MIRIAM auch hier in dem Abschnitt zu ARCHIMEDES angeführt.

Als erster Schritt wurden die Anforderungen ermittelt, denen der Ballon während der Marsmission genügen muss:

  • Aufenthalt in möglichst eng verpacktem Zustand bis zu 18 Monaten im Weltraum unter den Bedingungen von Vakuum und Strahlung, ohne dass sich die Eigenschaften des Ballons ändern
  • die Art der Verpackung muss gewährleisten, dass der Ballon danach wieder voll funktionsfähig entfaltet und aufgeblasen werden kann
  • Aushalten eines Überdrucks von 20-30 mbar
  • Beibehaltung der aerodynamisch glatte Oberfläche und der spärischen Form nach dem Aufblasen am Mars
  • Aushalten von Temperaturen bis zu 250 °C beim Eintritt in die Marsatmosphäre ohne Verformung des Ballons. Hierzu wurden aufwendige wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt (Details sind hier nachzulesen)
  • Aushalten von Sonneneinstrahlung und Temperaturänderungen aushalten, der Ballon in der Mars-Umlaufbahn ausgesetzt ist
  • Aushalten der mechanischen Belastungen beim mehrmaligen Durchqueren und Eintritt in die Marsatmosphäre entsprechend dem Missionsablauf (siehe hier)

Das Technologieprogramm für den ARCHIMEDES Ballon besteht aus einer Reihe von Entwicklungsschritten, die zum Teil parallel ausgeführt wurden, um die Entwicklungszeit zu begrenzen:

  1. Test-Ballons wurden zunächst vom Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtstrukturen der TU Stuttgart (Prof. Kröplin) hergestellt, das auch eine erste von der ESA finanzierte Studie zu Ballonmaterialien der ARCHIMEDES Mission durchgeführt hat.
  2. Danach wurde die Technologie der Ballonherstellung nach München verlagert, da diese Technik auch maßgeblich von den Ergebnissen anderer in München durchgeführter Untersuchungen beeinflusst wurde.
  3. Aufblas- und Entfaltungsversuche wurden zwischen 2003 und 2005 im Raumfahrttestzentrum der IABG sowie in der Olympiahalle München durchgeführt. Diese Hallen konnten vom ARCHIMEDES Team unentgeltlich genutzt werden. Aufblasversuche mit verschiedenen Paketformen wurden mit PE-Ballonen in 2004 und 2005 durchgeführt. Die Versuche wurden mit verschieden großen Ballonen und verschiedenen Ballonmaterialien durchgeführt, wobei die Materialauswahl zuerst noch nicht auf der Basis der erst später durchgeführten Materialtests erfolgte, da hier erst einmal nur das Aufblasverhalten sowie verschiedene Fertigungs- und Faltmethoden von Ballons ausprobiert wurden. Hierfür wurden zum Teil große Räume benötigt, so fand einer der Aufblastests in der Münchner Olympiahalle statt. Faltversuche wurden unter Reinraumbedingungen bei der IABG durchgeführt.
  4. In Schleppversuchen wurde festgestellt, dass Ballons sich grundsätzlich unter Strömungseinfluss chaotisch verhalten, da schon kleinste Unterschiede in der Oberfläche eines Ballons und geringe Unterschiede im Strömungsverlauf ausreichen, um den Ballon unkontrolliert zu bewegen. Das kann auch auf den Aufblasvorgang unter Schwerelosigkeit übertragen werden, da ein vollkommen symmetrisches Aufblasen eines großen Ballons unmöglich ist. Es ist also zu erwarten, dass der Ballon beim Aufblasen unter Schwerelosigkeit nicht vorhersagbare Ausweichbewegungen machen wird. Das muss bei der Auslegung des Aufblassystems und bei Methodik und Entwurf des Systems für die Freisetzung des aufgeblasenen Ballons berücksichtigt werden.
  5. Weitere Ballontests wurden oder werden im Rahmen der Flugversuche durchgeführt, die hier beschrieben sind.
  6. Materialtests zur Bestimmung des am besten geeigneten Ballonmaterials wurden bereits für die Auswahl des Ballonmaterials für den MIRIAM-1 Flugversuch durchgeführt. Dabei spielte auch die Verfügbarkeit von Materialien auf dem freien Markt eine Rolle. Diese Tests und ihre Ergebnisse sind hier dargestellt. Ausgewählt wurde das Material UPILEX 25RN.
  7. Verschiedene Fertigungs-Methodiken und Techniken wurden analysiert, um der gewünschten spärischen Form möglichst nahe zu kommen und um den Geräteträger und den Aufblasschlauch (Windsock) möglichst störungsfrei, das heißt ohneVerwerfungen der sphärischen Ballonoberfläche, in die Ballonoberfläche einzufügen. Eine möglichst sphärische Form ist mit einem flächigen Material wie UPILEX 25 RN nur durch das Aneinanderfügen von möglichst vielen einzelnen Segmenten zu erreichen. Begrenzt wird die Anzahl der möglichen Segmente durch die erforderlichen Verbindungen der einzelnen Segmente untereinander. Schliesslich wurde eine Fertigumgsmethodik ausgewählt, bei der jeweils eine Halbkugel aus jeweils 32 einzelnen Segmentem zusammengefügt wird. Anschliessend werden die beiden Hälften zusammengefügt und Geräteträger und Aufblasschlauch eingefügt.
  8. Die Verbindung der einzelnen Segmente untereinander muss hohen Anforderungen an Dichtigkeit, Zugfestigkeit unter Überdruck, Formhaltigkeit, Dauerhaltbarkeit und Masshaltigkeit genügen. Am Besten erfüllt eine doppelseitige Naht dieseAnforderungen. Dabei ist eine Schweissverbindung aufgrund ihrer guten Dauerhaltbarkeit einer Klebeverbindung vorzuziehen, bei der ein gewisses „Fließen“ bei Dauerbelastung auftreten kann. Für den MIRIAM-1 Ballon wurden noch Klebeverbindungen angewendet, die für die kurze Missionsdauer sicherlich ausgereicht hätten. Für die Fertigung des MIRIAM-2 Ballons wurde aber bereits die eigens für das ARCHIMEDES Projekt entwickelte Schweisstechnik angewendet und hierfür eine speziell für ARCHIMEDES entwickelte Schweissvorrichtung verwendet. Ebenfalls für MIRIAM-2 wurden Fertigungsvorrichtungen entwickelt, die eine hohe Masshaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Fertigung und Faltung des Ballons erlauben. Damit wird der MIRIAM-2 Ballon dem Marsballon auch bezüglich des Herstellungsverfahrens schon sehr ähnlich sein und damit schon die Grundlage für die Entwicklung des Marsballons bilden.
  9. Für das Einfügen von Temperatursensoren und der Antennen in die Ballonhaut wurden ebenfalls für MIRIAM-2 neue Techniken entwickelt, die erwarten lassen, dass die Sensoren und deren Zu- und Ableitungen unbeschädigt das Aufblasen sowie die Faltung und Verstauung des Ballons in seinem Transportbehälter überstehen. Zu diesem Zweck werden die Leitungen sinusförmig verlegt.
  10. Anzahl und Art der in den MIRIAM-2 Ballon integrierten Sensoren sind daran orientiert, möglichst viel relevante Daten über das Verhalten des Ballons vom Beginn des Aufblasvorgangs bis hin zum Ende der Mission zu erhalten, bevor der Ballon höchstwahrscheinlich in der dichten Erdatmosphäre zusammengedrückt wird und vom Geräteträger infolge der Luftströmung aufgrund der hohen Fallgeschwindigkeit abreisst.
  11. Da geplant ist, das Verhalten des Ballons mit einer in den Ballon blickenden Kamera zu dokumentieren, werden Markierungen innerhalb des Ballons auf die Ballonhaut aufgebracht, deren Bewegungen gegeneinander registriert werden und so einen Rückschluss auf die dynamischen Verformungen des Ballons unter Atmosphäreneinfluss erlauben. Die Abbildungen zeigen den Marker und einen Ausschnitt der Orte, an denen insgesamt 28 Marker aufgebracht werden.

Ballonherstellung und Verpackung

Der MIRIAM-2 Ballon

Modell-Ballons wurden zunächst vom Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtstrukturen der TU Stuttgart (Prof. Kröplin) hergestellt, welches auch eine von der ESA finanzierte Studie zu Ballonmaterialien der ARCHIMEDES Mission durchgeführt hat. Danach wurde die Technologie der Ballonherstellung nach München verlagert, da diese Technik auch maßgeblich von den Ergebnissen anderer in München durchgeführter Untersuchungen beeinflusst wird. Danach wurde in mehreren Entwicklungsschritten zuerst der Ballon für MIRIAM-1 und dann, ab 2009, der Ballon für MIRIAM-2 hergestellt.

Das ARCHIMEDES Team im Reinraumlabor der IABG mit dem MIRIAM-2 Ballon

Die Fertigung des Ballons stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ballonfertigung:

  • der Ballon muss möglichst ideal sphärisch sein, damit beim Eintritt in die Atmosphäre die Ballonoberfläche gleichmäßig aerodynamisch belastet wird. Die Anzahl der Segmente der Ballonhülle muss also hoch genug sein, um eine möglichst sphärische Form zu erhalten
  • Die Klebverbindungen müssen mechanisch robust, maßhaltig und dauerfest sein
  • Die Klebflächen müssen absolut schmutzfrei und auf Molekülebene aufgerauht werden mithilfe eines speziellen Koronierungsverfahrens
  • Dabei müssen die Übergänge zwischen den einzelnen Bahnen, zum Geräteträger und dem Aufblasschlauch möglichst ohne jede Kante und Verformung verlaufen, um aerodynamische Verwirbelungen und Erwärmung zu vermeiden.
  • Die zahlreichen Temperatursensoren und Antennen und ihre Messverbindungsleitungen müssen so in die Ballonnähte integriert werden, dass sie bei Verpackung und Entfaltung des Ballons weder selbst beschädigt werden noch den Ballon beeinträchtigen

Die für die Fertigung der Ballone gefundenen Lösungen erfüllen diese Anforderungen:

  • Die Ballone werden im Reinraum der IABG hergestellt und getestet
  • Die für die MIRIAM Ballone gewählte Anzahl von 2×32 Segmenten ergibt den besten Kompromiss zwischen einer möglichst sphärischen Form des Ballons und den fertigungsbedingten Einschränkungen. Dafür werden 2×32 einzelne Bahnen miteinander verbunden und anschließend über eine Äquatornaht miteinander verbunden
  • Die einzelnen Segmente wurden für MIRIAM-1 mitttels eines  speziell für ARCHIMEDES entwickeltem Klebebands miteinander verbunden,für den MIRIAM-2 Ballon wurde bereits die ebenfalls speziell für ARCHIMEDES entwickelte Schweisstechnik mit beidseitiger und damit voll symmetrischer Schweissung angewendet
  • Mit speziellen Fertigungsvorrichtungen und genau definierten Vorschriften und Prozeduren wird sichgestellt, dass die sphärische Form sowie eine hohe Fertigungsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ballonfertigung erreicht werden
  • Geräteträgers und Aufblasschlauch (Windsock) werden in den Ballon eigefügt mittels Klebeverbindungen, bevor die beiden Ballonhälften zusammengefügt werden
  • Die fertiggestellten Ballons werden in einer Thermal-Vakuumkammer unter den Atmospärendruckbedingungen des Mars aufgeblassen mithilfe des für den Flug vorgesehenen Aufblassystems

MIRIAM-2 Ballonbehälter. Unten: die „Blüte“, der eigentliche Ballonbehälter

  • Für die Ballons wurden in Versuchen Falt- und Verpackungsmethodiken entwickelt, die bei enger Packungsdichte ein problemloses Entfalten des Ballons gewährleistet, ohne dass die in die Schweissnähte integrierten Sensoren und Antennen beschädigt oder beeinträchtigt werden

Der Geräteträger

Die Geräteträger von ARCHIMEDES und MIRIAM-2 unterscheiden sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Missionen. Der ARCHIMEDES Geräteträger muss eine längere Eintrittsphase aushalten als das bei den MIRIAM Missionen der Fall ist, und ist deshalb mit einer abwerfbaren Nasenkappe ausgerüstet, die dahinter liegende Sensoren freigibt. Um Gewicht während des Absinkens des Ballons zum Boden zu sparen und damit die Absinkzeit zu verlängern, ist vorgesehen, in der Nasenkappe zusätzliche Batterien unterzubringen sowie eventuell auch diejenigen wissenschaftlichen Experimente, die nur während der Eintrittsphase Daten liefern sollen.

Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Konzeptentwurf, der benutzt wurde, um die Unterbringung der geplanten Experimente und Ausrüstung zu festzulegen.

Der tatsächliche Geräteträger für den ARCHIMEDES Ballon wird wohl eher dem von MIRIAM-2 ähneln. Hier der von MIRIAM-1 (noch ohne Elektronik). Er wird größer sein und eine zusätzliche abwerfbare Nasenkappe haben, aber die Integration in den Ballon wird so bewerkstelligt werden, wie sie für MIRIAM-2 entwickelt und implementiert wurde.

Ansicht des MIRIAM-2 Geräteträgers von innen mit wissenschaftlichen Experimenten

 Der Geräteträger enthält alle wissenschaftlichen Experimente und die gesamte Avionik einschliesslich Stromversorgung, die für die Acquisition und Übertragung der Daten der Experimente und der Sensorik über einen Snder zum Boden erforderlich sind.

Entwurf des MIRIAM-2 Geräteträgers mit abschraubbarer Nasenkappe, die einen Zugang zur Avionik nach Eibau des Geräteträgers in den Ballon erlaubt. Die spärische Form der Nasenkappe entspricht der Rundung des Ballons

Die in den Geräteträger von MIRIAM-2 integrierten wissenschaftlichen Experimente sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Aus der Abbildung ist auch zu entnehmen, welche der MIRIAM-2 Experimente ebenfalls für die ARCHIMEDES Marsmission vorgesehen sind