Von MIRIAM 1 zu MIRIAM 2

Das MIRIAM 2 Programm baut auf den Erfahrungen mit der nur teilweise erfolgreichen MIRIAM 1 Mision auf, bei der wesentliche Funktionen des Entwurfs nicht nachgewiesen werden konnten. Der Start von MIRIAM 2 ist für Oktober 2015 geplant. Wiederunm stellt die DLR-MoRaBa einen passenden Träger und die gesamte Startkampagne in Kiruna in Nordschweden zur Verfügung, diesmal eine Rakete des Typs Taurus/Improved Orion

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

  • der leistungsfähigere Träger Taurus/Improved Orion, der eine Ausdehnung der Dauer der MIRIAM-2 Mission um mehr als 25%  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 eigene Raketennase zur Verfügung, was eine feste Verbindung zwischen MIRIAM-2 und der Raketennase gestattet. Das erfordert zwar konstruktive Änderungen von MIRIAM-2 gegenüber MIRIAM-1, eliminiert aber einen Trennvorgang und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit eines Missionserfolgs
  • 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 einem teilweisen Mißerfolg der Mission führte verursachte
  • Pod_neuder in den Ballon integrierte Geräteträger ist diesmal 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 vorgenommer 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 ist aber am Startplatz nicht möglich.
  • für das Aufblassystem sollen für MIRIAM-2 bereits erprobte und verfügbare Ventile verwendet werden. Das führt zu einem neuen Entwurf 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 6 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
  • Zusätzlich zu MIRIAM-1 durchgeführte Untersuchungen und Analysen an der Universität der Bundeswehr zum Verhalten des Ballons und des Service Spacecraft während des Aufblasen des Ballons und nach seiner Trennung vom Service Spacecraft führten zu weiteren konstruktiven Änderungen, die die Funktionssicherheit erhöhen (diese Funktionen konnten bei MIRIAM-1 weitgehend aufgrund des FMissionsfehlers nicht verifiziert werden)
Konstruktion von MIRIAM-2

Miriam2 KonfigurationDie Konfiguration von MIRIAM-2 spiegelt die Änderungen wider, die sich gegenüber MIRIAM-1 aufgrund der oben beschriebenen Unterschiede ergeben, insbesonders die Möglichkeit der festen Verbindung von Service S/C und Nutzlastverkleidung und die neue Trennvorrichtung. Das erfordert aber eine andere Lösung für die ausklappbaren Kameraarme, die sich jetzt unterhalb des der Nutzlastverkleidung befinden und so konstruiert sind, dass sie während des Starts nicht den aerodynamischen Kräften ausgesetzt sind.

Service Spacecraft Konstruktion

 

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

 

Wesentliche weitere Konstruktionsmerkmale sind:

  1. Ballonbehälter cpl.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. Service Spacecraft KonstruktionJetzt 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 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

SchweiistechnikDie für MIRIAM-2 zur Verfügung stehende Entwicklungszeit erlaubt aber insbesonders die Weiterentwicklung des Ballons hin zu mehr Gemeinsamkeiten mit dem für  ARCHIMEDES geplanten 10-m Marsballon. 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

Außerdem werden in MIRIAM-B, das eigentliche „Testobjekt“ bestehend aus dem Ballon und dem in ihn integrierten Geräteträger, 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:

  • Ballonmarkierungeneine 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

  • Geräteträger eingebautDer Geräteträger ist im eingebauten Zustand von außen zugänglich
  • zusätzlich in den Ballon gerichtete Videokamera
  • umfangreichere Avionik aufgrund der zahlreicheren Sensoren und weiteren Experimente

Pod_neuDadurch 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 Mission

Diesmal wird MIRIAM-2 der einzige Passagier der Rakete sein, die diesmal das gegenüber der MIRIAM-1 Mission leistungsfähigere zweistufige Modell „Taurus/Improved Orion“ sein wird. Bei der MIRIAM-1 Mission musste sich MIRIAM-1 die Rakete mit weiteren Experimentatoren teilen, was eine Reihe von 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 (Beschreibung siehe hier). Dadurch wird ein kritischer Trennvorgang eingespart.

Missionsszenario MIR2Der Start von MIRIAM2 ist für November 2016 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.

Zeitplan

Der Zeitplan illustriert die längere zu Verfügung stehende Entwicklungszeit von etwa 7 Jahren für MIRIAM-2, die ausreichend Zeit für Entwicklungstests bietet. Die Entwicklung von MIRIAM-2 hat  Mitte 2009 begonnen mit der Fertigung und dem Test von Ballonelementen, der Weiterentwicklung des Elektronikbehälters des Ballons und seiner Elektronik und Software, Untersuchungen zur Gesamtkonfiguration von MIRIAM-2 und dem Ballon-Aufblassystem, und einer 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 (siehe auch hier). Die Fertigung des Flugballons begann parallel hierzu.Miriam2 Terminplan

Die weiteren Meilensteine im MIRIAM-2 Programm bis zum Start im November 2016 sind in der nebenstehenden Tabelle aufgeführt.