Commerciële bedrijven en nationale ruimtevaartorganisaties haasten zich om op de maan te landen. De Japanse SLIM-maanlander, het meest recente ruimtevaartuig dat op het maanoppervlak is geland, bevindt zich nu in de slaapmodus. Maar dit markeert niet het einde van de maanmissies van dit jaar. Volgende week is Intuitive Machines in Houston, Texas van plan een lander naar de maan te sturen. En later dit jaar willen China en de particuliere bedrijven Firefly Aerospace en ispace allemaal robotachtige maanlanders lanceren.

Hoewel de maanambities over de hele wereld misschien wel zijn toegenomen, blijft het bereiken van een succesvolle touchdown met een robotlander een enorme uitdaging. Vier van de acht maanlandingspogingen van de afgelopen vijf jaar zijn mislukt – Israëls Beresheet, De Indiase Chandrayaan-2, De Japanse Hakuto-R En De Russische Luna 25. Dit benadrukt het feit dat, hoewel onderzoekers op een aantal eventualiteiten kunnen testen voordat ze een lander naar de maan sturen, er nog steeds veel onzekerheden bestaan. Natuur bekijkt enkele belangrijke checks en uitdagingen die betrokken zijn bij het voorbereiden van een maanlander op zijn missie.

De final verdragen

Zoals elk ruimtevaartuig zijn maanlanders onderhevig aan de intense, aanhoudende trillingen en het gebrul van een raketlancering. Om mechanische schade te voorkomen, wordt de lander getest in akoestische kamers, die zijn voorzien van grote stereoluidsprekerachtige geluidshoorns om lanceringsgeluiden te simuleren, en op schudtafels die lanceringsachtige trillingen produceren.

Wetenschappers testen ook maanlanders onder de soorten belasting die tijdens de touchdown kunnen worden uitgeoefend. De Indian House Analysis Group (ISRO) liet bijvoorbeeld de benen van zijn succesvolle onderneming vallen Chandrayaan-3 lander Vikram op proefbanken gemaakt van gesimuleerde maangrond om er zeker van te zijn dat ze een hoge verticale snelheid van drie meter per seconde konden verdragen.

Firefly Aerospace, gevestigd in Cedar Park, Texas, heeft meer dan 100 valtesten uitgevoerd op maanbodemsimulanten en zand om de benen van de lander te testen. Firefly wil eind 2024 tien ladingen naar de maan brengen voor NASA als onderdeel van het Business Lunar Payload Providers (CLPS)-programma van het ruimteagentschap. “We hebben zelfs beendruppels op beton getest, omdat dit moeilijker is dan waar we ook op landen”, zegt William Coogan, hoofdingenieur van de maanlander van Firefly.

Voorbereiden op ruimte

In de ruimte zijn landers onderworpen aan bijna-vacuümomstandigheden, snel bewegende banen en fel zonlicht dat niet wordt gefilterd door de atmosfeer van de aarde. Deze kunnen ertoe leiden dat landers snelle en enorme temperatuurveranderingen ervaren en stralingsschade aan de elektronica kunnen veroorzaken.

Om hun structurele integriteit te garanderen, brengt elke lander dagen – of zelfs weken of maanden – door in ‘thermovac’-kamers. Deze bereiken een vacuüm dat vergelijkbaar is met dat in de ruimte en op de maan, simuleren de mogelijke temperatuurschommelingen en repliceren zelfs ongefilterd zonlicht met behulp van krachtige xenonlampen en spiegels. Landers hosten vaak computer systems en elektronische elektronische systemen die zijn gemaakt van ‘door straling geharde’ componenten, die allemaal zijn getest om niet alleen de hoge mechanische spanningen van ruimtevluchten te doorstaan, maar ook te werken ondanks dat ze worden bestraald met de doseringsniveaus die bij elke missie worden verwacht.

Het beschermen van maanlanders tegen de barre ruimteomgeving is echter slechts een deel van het verhaal. Ingenieurs moeten er ook voor zorgen dat de {hardware} en software program samen functioneren zoals verwacht. De ongeveer drie seconden vertraging in de tweerichtingscommunicatie tussen de aarde en de maan maakt het voor ingenieurs op aarde onmogelijk om maanlandingen betrouwbaar te begeleiden. Dit betekent dat robotlanders autonoom moeten functioneren tijdens hun afdaling naar de maan.

De ingenieur die India hielp de maan te bereiken

Kalpana Kalahasti, affiliate undertaking director van Chandrayaan-3, zegt dat haar group het grootste deel van de ontwikkelingstijd van de missie heeft besteed aan het bedenken en begeleiden van checks van de programma’s van de lander. Deze omvatten onder meer het uitrusten van een helikopter met de sensoren van de lander, zodat het group verschillende afdalingsfasen kon nabootsen. De sensoren die voor de eerdere, mislukte Chandrayaan-2-lander werden gebruikt, werden getest met vliegtuigen. “Aangezien het testen van sensoren in vliegtuigen geen zweef- of lage hoogtefasen van een maanlanding simuleert, zijn we voor Chandrayaan-3 overgestapt op het gebruik van helikopters om variërende hoogten en snelheden beter na te bootsen”, zegt Kalahasti.

Het Chandrayaan-3-team onderzocht ook of de motoren tijdens de afdaling de vereiste dynamische throttling bereikten, en beoordeelde het vermogen van het navigatiesysteem om te zweven en gevaren te vermijden vóór de touchdown met behulp van kraangebaseerde opstellingen op maanachtig terrein.

Andere checks kunnen het testen van antennes voor communicatieapparatuur en optische checks voor digicam’s omvatten. Voor NASA’s komende VIPER rover-missie, die bedoeld is om rotsachtig terrein aan de zuidpool van de maan te doorkruisen op zoek naar waterijs, bestuurde het bureau een mannequin van zijn rover in gesimuleerd terrein met variërende hellingen en rotsverdelingen om wielslip, verzakkingen en tractie te testen. en om te bepalen hoe het presteerde en wat er verbeterd moest worden.

Gesimuleerde maanlandingen

Wanneer {hardware} niet kan worden getest, vullen simulaties de leemte op. Om een ​​beter idee te krijgen van hoe een lander zich op de maan zou kunnen gedragen, karakteriseren ingenieurs hardwaresensoren en plaatsen ze in simulaties, zegt Coogan.

Missieteams simuleren belangrijke mijlpalen, zoals het bereiken van een baan om de maan, om te identificeren welke soorten problemen een lander zelf aankan, en wat moet worden aangepakt door de missiecontrole op aarde. “Sommige realtime gegevens van een lopende missie worden opgenomen in simulaties om cruciale commando’s te testen voordat ze naar een lander worden gestuurd”, zegt Laura Crabtree, medeoprichter van Epsilon3, een webgebaseerd test- en operatieplatform voor ruimtevaartuigen dat door verschillende bedrijven wordt gebruikt. maanlanders bouwen. Dit helpt ingenieurs een betrouwbaarder beeld te geven van hoe de lander zich zal gedragen en reageren in reële situaties.

Simulaties zijn ook een geweldige manier om te ontdekken op welke manieren een landingssysteem kan falen. “We hebben een speciale simulatiegroep gevormd om het vermogen van de (Chandrayaan-3) lander om tijdens de afdaling te herstellen van afwijkende trajecten te karakteriseren”, zegt Kalahasti. De leden van de groep simuleerden ook alternatieve routes die de lander kon volgen als iets niet werkte zoals verwacht. En ze testten verschillende excessive landingsscenario’s totdat het systeem faalde. Toen ze eenmaal de grenzen van de lander kenden, konden ze deze indien nodig aanpassen.

Bekende onbekenden

Sommige aspecten van de ruimtevaart – zoals de prestaties van het voortstuwingssysteem van een lander – kunnen echter niet op aarde worden getest. “Je kunt gewichtloosheid niet simuleren”, zegt Crabtree. “Totdat je een boegschroef afvuurt, zul je niet definitief weten welke kracht hij precies uitoefent.” Ze zegt dat de oplossing bestaat uit het maken van een systeem dat de verwachte stuwkracht vergelijkt met de werkelijke stuwkracht om te begrijpen in hoeverre de prestaties van de lander zijn afgeweken. Er worden reserves aan drijfgas ingebouwd om dergelijke verschillen te compenseren.

Russische maanlander crasht: wat is er gebeurd en wat nu?

Zo stortte de Russische Luna 25-lander op de maan neer toen deze op 19 augustus 2023 probeerde zijn baanomvang te verkleinen. Uit onderzoek van de Russische ruimtevaartorganisatie bleek dat dit te wijten was aan het feit dat een motor 50% langer brandde dan nodig was. De fout kwam waarschijnlijk voort uit het feit dat de software program niet was ontworpen om prioriteit te geven aan gegevens van de versnellingsmeter, die zou hebben geregistreerd dat Luna 25 de gewenste snelheidsverandering had bereikt.

Het is ook moeilijk om vooraf te bepalen wat de veiligste plek is waar een lander kan landen. “Tijdens de laatste landingsfase zal een lander nieuwe kenmerken zien die niet aanwezig zijn in de orbitale beelden aan boord, inclusief eventuele gevaren”, zegt Coogan. Checks op aarde van de kenmerken die een lander kan identificeren, vertegenwoordigen slechts enkele aspecten van maanachtig terrein. Dit is de reden waarom ingenieurs het vermogen van SLIM hebben getest om kenmerken uit de baan van de maan te identificeren voordat hij aan zijn afdaling begon.

Privé-moonshot-uitdagingen

Particuliere bedrijven zoals het Japanse ispace en bedrijven die betrokken zijn bij het CLPS-programma van NASA worden met additional uitdagingen geconfronteerd. Ze kunnen doorgaans niet zoveel geld of tijd investeren in het testen van landers als een ruimtevaartorganisatie van de overheid. Dit werd op 25 april 2023 benadrukt met de crash van de eerste maanlander van ispace. Tijdens een mediabriefing zei Ryo Ujiie, hoofd technologie van ispace, dat het bedrijf de landingsplaats kort voor de lancering had gewijzigd en dat de simulaties die eerder werden gebruikt om de afdaling van de lander te testen geen gebruik maakten van terrein dat representatief was voor de omstandigheden waarmee de lander uiteindelijk te maken kreeg.

Deze uitdagingen zullen waarschijnlijk toenemen, omdat bedrijven in 2024 zullen strijden om de eerste particuliere onderneming te zijn die met succes op de maan zal landen. Voor deze organisaties is er een afweging tussen ontwikkelingskosten en klantopbrengsten, maar het mislukken van een missie zou nog erger zijn. “Mislukte missies kunnen voor een bedrijf erg duur zijn”, zegt Coogan.