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DER KONSTRUKTEUR 11/2020

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DER KONSTRUKTEUR 11/2020

PRODUKTE UND ANWENDUNGEN

PRODUKTE UND ANWENDUNGEN ANTRIEBSTECHNIK HUBSCHRAUBER AUF DEM MARS Ein Helikopter, der auf dem Mars abhebt? Das könnte im Februar 2021 Realität werden. Kleine bürstenbehaftete Gleichstromantriebe steuern die Neigung seiner Rotorblätter und damit seinen Flug. Am 18. Februar 2021 wird der Perseverance Rover auf dem Mars landen. Und er wird nicht alleine sein. Erstmals in der Geschichte der Raumfahrt wird bei der Mission Mars 2020 ein Fluggerät mitgeführt: die Helikopter-Drohne Ingenuity. Der solarbetriebene Mini-Hubschrauber wiegt lediglich 1,8 kg. Die Spannweite seiner Rotorblätter beträgt 120 cm, sie werden mit 2 400 min -1 rotieren. Er wurde entwickelt, um sich bis zu 5 m über die Landestelle der Perseverance zu erheben und von dort aus Luftaufnahmen zu machen. Insgesamt sind fünf solcher Erkundungsflüge geplant. Das Ingenuity-Experiment soll Basis für weitere Drohnen-Einsätze dieser Art sein. FAKTEN ZUM INGENUITY-EXPERIMENT n Der Hubschrauber wird autonom gesteuert. Es gibt keine Möglichkeit, ihn ferngesteuert zu lenken. Die Zeitverzögerung, mit der sich die Funksignale zwischen Erde und Mars bewegen, macht dies unmöglich. n Für jeden einzelnen Flug gibt es einen individuellen Flugplan, der von der Erde aus programmiert und vor dem Start in den Hubschrauber geladen wird. Am Tag des Flugs wird der Hubschrauber zur vorher festgelegten Zeit starten und dann seine eigenen Entscheidungen für die präzisen, schnell berechneten Flugsteue- rungsbefehle treffen, um so den Gesamtflugplan auszuführen und sicher zu landen. n Abheben, 3 m aufsteigen, seitlich gieren (rotieren), um sich umzusehen, und dann langsam absinken, um sicher zu landen. Ein fortschrittlicherer Flugplan würde das seitliche Übersetzen von bis zu 150 m über das Marsterrain und die Rückkehr zum Ausgangspunkt vor der Landung beinhalten. n Geplant ist, dass nach einem Flug die folgenden zwei Tage genutzt werden, um die gesammelten Daten inklusive der aufgenommenen Farbfotos weiterzugeben und den nächsten Flug zu planen. Dabei werden die Flugrouten von Flug zu Flug komplexer. Insgesamt gibt es 30 solcher Experimentierfenster, in denen die Flüge durchgeführt werden können. MOTOREN BESTIMMEN FLUGRICHTUNG DIE ANTRIEBE SIND LEICHT, DYNAMISCH UND EFFIZIENT – DIESE EIGENSCHAFTEN SIND BEIM EINSATZ IM MARS- HELIKOPTER GEFRAGT Der Antriebsspezialist Maxon verfügt über langjährige Erfahrung im Weltall und ist auch bei dieser Marsmission dabei. Im Rover Perseverance sind zehn Antriebe von Maxon verbaut. Und auch in der Helikopter-Drohne Ingenuity stecken die Kleinstantriebe des Schweizer Unternehmens. Sechs bürstenbehaftete DCX-Motoren mit 10 mm Durchmesser steuern die Neigung der Rotorblätter, die die Flugrichtung bestimmt. Und zwar sind die Rotorblätter paarweise an einer Taumelscheibe befestigt, die die Winkel der Rotorblätter einstellt. Jede Taumelscheibe wird von drei Motoren bewegt, die jeweils im 120 °-Winkel zueinander stehen. Die Antriebe sind leicht, dynamisch und energieeffizient. Diese Eigenschaften sind entscheidend, da beim Mars-Helikopter jedes Gramm zählt, schließlich ist Fliegen auf dem Mars nicht einfach. 12 DER KONSTRUKTEUR 2020/11 www.derkonstrukteur.de

Die Atmosphäre ist extrem dünn, in etwa vergleichbar mit den Bedingungen, die hier auf 30 km Höhe herrschen. In einer simulierten Testumgebung im Labor ist die Helikopter- Drohne bereits geflogen. Wenn der Helikopter vom Mars abhebt, wird Maxon erneut Teil eines großen ingenieurtechnischen Erfolgs auf dem Mars sein – 24 Jahre nach Sojourner, dem Rover der Mars-Pathfinder-Mission. Wie das aussehen könnte, zeigt ein Video der NASA unter http://bit.ly/NASA_Ingenuity. Entwickelt für höchste Ansprüche in der Servotechnik ZAE SERVO-DRIVE FÜNF FRAGEN AN MATT KEENNON, Raumfahrtingenieur und Project Manager bei der US-amerikanischen Firma AeroVironment Inc., die den Helicopter Ingenuity entwickelt und gebaut hat. Welche Erkenntnisse erhofft sich die Wissenschaft von den Flügen und den Flugbildern? Obwohl die einzelnen Flüge jeweils weniger als zwei Minuten dauern, werden sie unglaublich wertvolle Daten liefern, die uns helfen, die Umwelt auf dem Mars auf neue Art und Weise besser zu verstehen. Was war die größte Herausforderung für die Ingenieure bei diesem bahnbrechenden Projekt? Wenn Sie die Elektroingenieure fragen, werden sie sagen, dass das Elektronikdesign der schwierigste Part war. Die Maschinenbauingenieure werden sagen, dass das mechanische Design am schwierigsten war. Die Softwareingenieure die Software und so weiter, bis wir alle Ingenieurdisziplinen durchlaufen haben. Jedes Mitglied unseres Entwicklungsteams – sei es bei JPL, Maxon oder Aero- Vironment – hat hart gearbeitet, um dieses geschichtsträchtige Unterfangen in die Realität umzusetzen. Am Schluss geht nichts über gutes Teamwork. Warum Maxon? Maxon verfügt über äußerst wertvolle Erfahrung im Space-Bereich und war auch schon maßgeblich am Erfolg des „Nano Hummingbird“-Flugzeugs von Aero- Vironment Anfang der Nullerjahre beteiligt. Das war der erste Kolibri-Roboter, der einen 8-mm-Gleichstrom-Bürstenmotor von Maxon für den Antrieb verwendet. Welche Anforderungen müssen die Gleichstrommotoren erfüllen? Aspekte wie Gewicht, Länge, Betriebsspannung, Wirkungsgrad bei einem bestimmten Drehmoment und einer bestimmten Drehzahl, Lebensdauer unter einer bestimmten Last, Lagertemperatur, Betriebstemperatur, Widerstand gegen das Eindringen von Staub sind nur einige Punkte. Wie würden Sie die Zusammenarbeit mit Maxon beschreiben? Die Zusammenarbeit mit Maxon war und ist in jeder Hinsicht großartig. Dank der intensiven Zusammenarbeit konnte gemeinsam eine riesige Wissensbasis geschaffen werden. Die kleinen Gleichstrommotoren sind die schwierigste Komponente in diesem Projekt. kurzfristig lieferbar Bilder: NASA/JPL-Caltech/AeroVironment Inc., dottedyeti - stock.adobe.com, maxon www.maxongroup.de

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