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Inpartik - the art of simulating matters
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LUFT- UND RAUMFAHRTTECHNIK

Partikelsimulation – Wichtiges Hilfsmittel der simulationsgestützten Optimierung von Marsfahrzeugen

 

Der Mars befindet sich seit jeher im Zentrum der Aufmerksamkeit astronomischer Forschung - kein Wunder, ist er doch Kandidat Nr. 1 für eine mögliche zukünftige Besiedlung fremder Planeten. Mit Teleskopen, Sonden und seit einiger Zeit auch mit unbemannten Erkundungsfahrzeugen, sog. Rovern, rücken die Wissenschaftler dem roten Planeten auf den Leib. Diese mobilen Messplattformen zeichnen sich durch eine große Flexibilität und eine beeindruckende Mobilität aus. Basierend auf Mess-und Kameradaten die ständig zurück zur Erde gefunkt werden, kann ihr Kurs spontan verändert werden, wenn Interessantes in Reichweite ist, oder wenn das Fahrzeug einmal auf ein Hindernis stößt.

Um auch an abgelegene Orte zu gelangen, müssen extraterrestrische Erkundungsfahrzeuge generell äußerst geländegängig sein. Ähnlich wie ein Ralleyfahrzeug im Wüstensand muss ein Marsrover bei Bedarf große Steigungen überwinden können. Dabei darf er sich auf keinen Fall im sandigen Untergrund eingraben, denn in einem solchen Fall ist keine Rettung möglich und eine aufwändige und von langer Hand geplante Mission ist unmittelbar vom Scheitern bedroht. Leider erging es so dem NASA Rover Spirit1, der sich im Marssand festgefahren hat.

Um es gar nicht erst so weit kommen zu lassen, werden die Räder der Rover bereits bei der Entwicklung optimiert. Ziel dieser Optimierung ist es, auf einer größtmöglichen Bandbreite von Bodenbeschaffenheiten eine sichere Fahrt zu ermöglichen. Das Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) ist in Zusammenarbeit mit verschiedenen Raumfahrtagenturen und -instituten (e.g. Arbeiten am ExoMars BB2 für ESA, Kooperationsprojekt mit JPL) seit langem an der Entwicklung von Explorationsfahrzeugen beteiligt. Computergestützte Werkzeuge sind hierbei äußerst wichtig. Sie ermöglichen es nicht nur, durch die Einsparung von Prototypen Kosten zu senken, sondern bieten oft den einzigen Weg, die physikalischen Bedingungen fremder Welten in virtuellen Experimenten abzubilden. Allein die von den irdischen Gegebenheiten abweichende Schwerkraft fremder Himmelskörper in konventionellen Experimenten zu berücksichtigen, kann kompliziert, teuer oder manchmal sogar unmöglich sein.

Quelle: DLR-SR
Quelle: DLR-SR
Quelle: DLR-SR
 

Um während der Entwicklungsphase verlässliche Aussagen über die Fahrdynamik des Rovers zu erhalten wird auf eine gekoppelte Modellierung des Fahrzeugs und des befahrenen Bodens gesetzt. Im Gegensatz zur Simulation des Fahrzeugs, bei der auf eine konventionelle Mehrkörpermodellierung zurückgegriffen wird, ist die virtuelle Abbildung des Kontakts zwischen Rädern und Boden noch weitestgehend unverstanden. Schwierigkeiten bereiten hierbei neben der feinen Körnung des zu befahrenden Untergrunds besonders dessen unbekannte Materialeigenschaften. Letztere können oft allenfalls geschätzt werden, da bisher nur wenig verlässliche, d.h. auf Messungen basierende Informationen über den Marsboden zu Verfügung stehen. Für Simulationen wird deshalb häufig auf Worst Case Szenarien zurückgegriffen.


Wissenschaftler des DLR-Instituts für Systemdynamik und Regelungstechnik haben nun ein spezielles partikelbasiertes Bodenmodell entwickelt2, um die beschriebene komplexe Aufgabe zu meistern. Dieses besonders auf die Simulation der Fahrdynamik des Rovers abgestimmte Modell wurde u.a. anhand von Bevameter-Tests validiert und, unterstützt von Inpartik, von Mitarbeitern des DLR-Instituts für Systemdynamik und Regelungstechnik in Pasimodo® implementiert. Erfolgreich wurde es bereits zur Untersuchung und Optimierung von Radgeometrien eingesetzt. Mit Hilfe dieses innovativen Simulationswerkzeugs soll in Zukunft sicher gestellt werden, dass neu entwickelte Rover ihre Aufgabe zuverlässig und mit geeigneten Sicherheitsreserven erfüllen, um so ungestört faszinierende Erkenntnisse über unseren roten Nachbarn liefern zu können. Ziel ist es, darüber hinaus, die Traktion künftiger Marsrover zu steigern, um auch an bisher unerreichbare Orte zu gelangen.


1) NASA/JPL: MER Rover Homepage (Opportunity); http://mars.nasa.gov/mer

2) R. Lichtenheldt, B. Schäfer: Planetary rover locomotion on soft granular soils - efficient adaption of the rolling behaviour of nonspherical grains for discrete element simulations, Particle-based methods III : fundamentals and applications ; proceedings of the III International Conference on Particle-Based Methods, Fundamentals and Applications (Particles 2013), Stuttgart, 18 - 20 September 2013. -Barcelona : CIMNE. - 2013, S. 807-818


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