Ingenieurs van NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) hebben een innovatieve, flexibele radarantenne op basis van textiel ontwikkeld voor de toekomstige SkyFall-helikopters. Het hoofddoel van deze hardware is het opsporen van ondiep bevroren water in de bovenste meters van de Marsbodem, wat essentieel is voor toekomstige bemande missies.
Vanwege de beperkte bodemvrijheid van de helikopters is gekozen voor een geminiaturiseerde Vivaldi-antenne. Deze is vervaardigd uit gemetalliseerde stoffen, polyester en Vectran, waardoor de antenne kan buigen tijdens de landing zonder te breken en vervolgens weer in de juiste positie springt voor gegevensverzameling tijdens de vlucht.
Uit uitgebreide tests in het Environmental Test Laboratory blijkt dat de antenne bestand is tegen extreme temperatuurschommelingen en tot 200 gesimuleerde landingen kan doorstaan zonder verlies van prestaties. De SkyFall-missie, bestaande uit drie toestellen, staat gepland voor lancering aan het eind van 2028.
NASA test lichtgewicht radarantenne voor SkyFall-helikopters op Mars
De hardware stelt het trio van planetaire rotorcrafts van de SkyFall-missie in staat om gebruik te maken van bodemradar om de ondergrond van Mars te bestuderen.
Wanneer de drie SkyFall-helikopters de lucht in gaan op Mars, zal een van hun taken zijn om te zoeken naar bevroren water — een cruciale hulpbron voor toekomstige astronauten — met behulp van bodemradar. Om deze radar te laten werken, draagt elk toestel een flexibele antenne op basis van textiel. Deze moet onder het toestel kunnen uitsteken zonder de landingen te hinderen of bij impact te breken. Het betreft een gespecialiseerd ontwerp voor de missie, dat onlangs een testronde heeft doorstaan bij het Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië.
Hoewel ruimtevaartuigen in een baan om de planeet dikke ijsafzettingen tot tientallen meters onder het oppervlak in kaart kunnen brengen, zijn ze effectief blind voor de bovenste meters van de regoliet (gebroken gesteente en stof). Juist deze ondiepe zone is het meest van belang voor toekomstige astronauten, die ijs gemakkelijk moeten kunnen bereiken en verwerken voor water, zuurstof en brandstof.
"De enige manier om ondiep ondergronds ijs op afstand te detecteren, is door dicht bij de grond te vliegen," aldus Adrian Tang, lead instrument scientist voor de bodemradar van SkyFall bij JPL. "Door laag en langzaam te vliegen, kan een SkyFall-helikopter radarbeelden maken die de fijne gelaagdheid vastleggen waar droge grond overgaat in ijs, waardoor de aanwezigheid ervan kan worden vastgesteld en de omvang in kaart kan worden gebracht."
Ontworpen voor Mars
Om onder het oppervlak van Mars te kunnen kijken, maakt de bodemradar van SkyFall gebruik van een ultrabreed frequentiebereik — van 500 tot 2.500 megahertz — wat overeenkomt met golflengten van ongeveer 60 tot 12 centimeter (24 tot 5 inch). De langste golflengten kunnen enkele meters onder het oppervlak doordringen, terwijl de kortere golflengten fijnere details bieden over de bovenste lagen en de textuur van het oppervlak.
Hier komt het unieke antenneontwerp om de hoek kijken. Een traditionele antenne die in dat deel van het elektromagnetische spectrum werkt, zou 48,3 centimeter (19 inch) lang moeten zijn en een vrij zicht op de grond moeten hebben. Echter, de minimale ruimte tussen het oppervlak van Mars en de basis van de romp van de helikopter is slechts ongeveer 15,2 centimeter (6 inch). Het team had een antenne nodig die de landing niet zou hinderen en er niet door beschadigd zou raken.
Na een uitgebreide zoektocht richtte het SkyFall-team zich op de Vivaldi-antenne, omdat deze signalen kan verzenden en ontvangen over een groot, continu bereik van radiofrequenties, en omdat het platte, lichtgewicht profiel gemakkelijk kan worden uitgesneden in flexibele, gemetalliseerde stoffen. De curvilineaire antenne is vernoemd naar de uitvinder, Peter Gibson, die vond dat de vloeiende lijnen leken op een viool, een instrument dat geassocieerd wordt met componist Antonio Vivaldi.
Hoewel de standaard Vivaldi-voetafdruk efficiënt en robuust was, was deze nog steeds te groot voor de bodemvrijheid van SkyFall. Gelukkig kan de bodemradar van SkyFall verder worden geminiaturiseerd, omdat deze specifiek is ontworpen voor ondiepe survey's (onder de 5 meter, of 16 voet) in de droge Martian regoliet, die radiogolven veel minder blokkeert dan de bodem op aarde. Het team ontwikkelde technieken om de grootte van de antenne verder te verminderen zonder in te leveren op gevoeligheid.
"Hoewel we de antenne behoorlijk hebben kunnen verkleinen, is hij nog steeds ongeveer anderhalf keer zo lang als de poten van de helikopter," zegt Christine Gebara, mechanisch lead voor de bodemradar van SkyFall bij JPL. "Dat betekent dat de Vivaldi tijdens de landing moet buigen om uit de weg te gaan — en als hij op een rots landt, buigt hij zelfs nog verder. Maar wanneer de helikopter opnieuw opstijgt, moet de antenne terugspringen in zijn oorspronkelijke positie voor de gegevensverzameling. Omdat verwacht wordt dat SkyFall tientallen vluchten zal maken om Mars te verkennen, hadden we een antenne nodig die die druk herhaaldelijk kon weerstaan zonder zijn vorm tijdens de vlucht te verliezen."
Om ervoor te zorgen dat de verkleinde Vivaldi bestand is tegen vliegoperaties, heeft het team deze bekleed met polyester en vervolgens lagen Vectran — hetzelfde flexibele, supersterke materiaal dat werd gebruikt voor de landings-airbags van de Spirit- en Opportunity-rovers van NASA. Om de antenne te helpen zijn vorm in de lucht te behouden, voegden ingenieurs flexibele glasvezel-tapeveren en een lichtgewicht magnesium montagestructuur toe. De gehele installatie weegt ongeveer 150 gram (5 ounces), iets meer dan twee vioolstrikken.
Testen van de Vivaldi-antenne
Het testen van concepten voor hardware in de ruimte met papieren ontwerpen en wiskundige modellen kan een missie slechts tot op zekere hoogte brengen. Het team moest bewijzen dat hun prototype van de antenne bestand was tegen een volledige missie aan intense temperatuurschommelingen en straling in de ruimte.
In het Environmental Test Laboratory van JPL bogen ingenieurs de antenne om een mogelijke oriëntatie na een SkyFall-vlucht op Mars te simuleren. Vervolgens lieten ze het toestel door dramatische thermische verschuivingen gaan om de dag-nachtcyclus op Mars te simuleren, waarbij de temperatuur tot 94 graden Celsius (170 graden Fahrenheit) kan schommelen. Daarna bogen ze de antenne herhaaldelijk, alsof deze tientallen landingen had ondergaan. Tijdens dit proces werd de hardware zes keer naar een elektromagnetische testkamer gebracht om te verifiëren of het vermogen om radarsignalen uit te zenden en te ontvangen niet was afgenomen.
Tijdens de radiofrequentietests keerden de onderzoekers de antenne om, zodat de onderkant naar boven wees — een opstelling die de structuur meer belast dan de zwaartekracht op Mars (een derde van die op aarde) ooit zou doen — en testten ze de signaalprestaties. Aan het einde van de testcampagne had de antenne 200 Mars-landingen doorstaan, meer dan het dubbele van wat vereist zou zijn voor een succesvolle hoofdmissie, zonder verlies van prestaties.
"Deze test voldeed aan alle eisen en beantwoordde onze grootste technische vragen," zei Tang. "Hoewel we nog werk voor ons hebben voordat de antenne volledig is goedgekeurd voor vluchten, was dit een belangrijke mijlpaal en de hardware presteerde precies zoals verwacht."
Nu de eerste grote testcampagne is afgerond, bouwt het team van de bodemradar een technisch model dat trillingstesten, inzet in een gesimuleerde Mars-omgeving, signaaltesten en buitentests in de 'Mars Yard' van JPL zal ondergaan.
De drie SkyFall-toestellen, elk uitgerust met vier instrumenten, volgen in de voetsporen van NASA's Ingenuity-helikopter. Ingenuity vloog 72 keer gedurende bijna drie jaar en bewees dat aangedreven, gecontroleerde vluchten mogelijk zijn in de ijle atmosfeer van Mars. Ook toonde het aan hoe een luchtfotoperspectief waardevolle gegevens kan genereren door het Perseverance-roverteam van NASA te helpen tijdbesparende routes te plannen en locaties te kiezen voor wetenschappelijk onderzoek.
De lancering van SkyFall staat gepland voor eind 2028 aan boord van NASA's Space Reactor-1 Freedom.
NASA test lichtgewicht radarantenne voor SkyFall-helikopters op Mars
De hardware stelt het trio van planetaire rotorcrafts van de SkyFall-missie in staat om gebruik te maken van bodemradar om de ondergrond van Mars te bestuderen.
Wanneer de drie SkyFall-helikopters de lucht in gaan op Mars, zal een van hun taken zijn om te zoeken naar bevroren water — een cruciale hulpbron voor toekomstige astronauten — met behulp van bodemradar. Om deze radar te laten werken, draagt elk toestel een flexibele antenne op basis van textiel. Deze moet onder het toestel kunnen uitsteken zonder de landingen te hinderen of bij impact te breken. Het betreft een gespecialiseerd ontwerp voor de missie, dat onlangs een testronde heeft doorstaan bij het Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië.
Hoewel ruimtevaartuigen in een baan om de planeet dikke ijsafzettingen tot tientallen meters onder het oppervlak in kaart kunnen brengen, zijn ze effectief blind voor de bovenste meters van de regoliet (gebroken gesteente en stof). Juist deze ondiepe zone is het meest van belang voor toekomstige astronauten, die ijs gemakkelijk moeten kunnen bereiken en verwerken voor water, zuurstof en brandstof.
"De enige manier om ondiep ondergronds ijs op afstand te detecteren, is door dicht bij de grond te vliegen," aldus Adrian Tang, lead instrument scientist voor de bodemradar van SkyFall bij JPL. "Door laag en langzaam te vliegen, kan een SkyFall-helikopter radarbeelden maken die de fijne gelaagdheid vastleggen waar droge grond overgaat in ijs, waardoor de aanwezigheid ervan kan worden vastgesteld en de omvang in kaart kan worden gebracht."
Ontworpen voor Mars
Om onder het oppervlak van Mars te kunnen kijken, maakt de bodemradar van SkyFall gebruik van een ultrabreed frequentiebereik — van 500 tot 2.500 megahertz — wat overeenkomt met golflengten van ongeveer 60 tot 12 centimeter (24 tot 5 inch). De langste golflengten kunnen enkele meters onder het oppervlak doordringen, terwijl de kortere golflengten fijnere details bieden over de bovenste lagen en de textuur van het oppervlak.
Hier komt het unieke antenneontwerp om de hoek kijken. Een traditionele antenne die in dat deel van het elektromagnetische spectrum werkt, zou 48,3 centimeter (19 inch) lang moeten zijn en een vrij zicht op de grond moeten hebben. Echter, de minimale ruimte tussen het oppervlak van Mars en de basis van de romp van de helikopter is slechts ongeveer 15,2 centimeter (6 inch). Het team had een antenne nodig die de landing niet zou hinderen en er niet door beschadigd zou raken.
Na een uitgebreide zoektocht richtte het SkyFall-team zich op de Vivaldi-antenne, omdat deze signalen kan verzenden en ontvangen over een groot, continu bereik van radiofrequenties, en omdat het platte, lichtgewicht profiel gemakkelijk kan worden uitgesneden in flexibele, gemetalliseerde stoffen. De curvilineaire antenne is vernoemd naar de uitvinder, Peter Gibson, die vond dat de vloeiende lijnen leken op een viool, een instrument dat geassocieerd wordt met componist Antonio Vivaldi.
Hoewel de standaard Vivaldi-voetafdruk efficiënt en robuust was, was deze nog steeds te groot voor de bodemvrijheid van SkyFall. Gelukkig kan de bodemradar van SkyFall verder worden geminiaturiseerd, omdat deze specifiek is ontworpen voor ondiepe survey's (onder de 5 meter, of 16 voet) in de droge Martian regoliet, die radiogolven veel minder blokkeert dan de bodem op aarde. Het team ontwikkelde technieken om de grootte van de antenne verder te verminderen zonder in te leveren op gevoeligheid.
"Hoewel we de antenne behoorlijk hebben kunnen verkleinen, is hij nog steeds ongeveer anderhalf keer zo lang als de poten van de helikopter," zegt Christine Gebara, mechanisch lead voor de bodemradar van SkyFall bij JPL. "Dat betekent dat de Vivaldi tijdens de landing moet buigen om uit de weg te gaan — en als hij op een rots landt, buigt hij zelfs nog verder. Maar wanneer de helikopter opnieuw opstijgt, moet de antenne terugspringen in zijn oorspronkelijke positie voor de gegevensverzameling. Omdat verwacht wordt dat SkyFall tientallen vluchten zal maken om Mars te verkennen, hadden we een antenne nodig die die druk herhaaldelijk kon weerstaan zonder zijn vorm tijdens de vlucht te verliezen."
Om ervoor te zorgen dat de verkleinde Vivaldi bestand is tegen vliegoperaties, heeft het team deze bekleed met polyester en vervolgens lagen Vectran — hetzelfde flexibele, supersterke materiaal dat werd gebruikt voor de landings-airbags van de Spirit- en Opportunity-rovers van NASA. Om de antenne te helpen zijn vorm in de lucht te behouden, voegden ingenieurs flexibele glasvezel-tapeveren en een lichtgewicht magnesium montagestructuur toe. De gehele installatie weegt ongeveer 150 gram (5 ounces), iets meer dan twee vioolstrikken.
Testen van de Vivaldi-antenne
Het testen van concepten voor hardware in de ruimte met papieren ontwerpen en wiskundige modellen kan een missie slechts tot op zekere hoogte brengen. Het team moest bewijzen dat hun prototype van de antenne bestand was tegen een volledige missie aan intense temperatuurschommelingen en straling in de ruimte.
In het Environmental Test Laboratory van JPL bogen ingenieurs de antenne om een mogelijke oriëntatie na een SkyFall-vlucht op Mars te simuleren. Vervolgens lieten ze het toestel door dramatische thermische verschuivingen gaan om de dag-nachtcyclus op Mars te simuleren, waarbij de temperatuur tot 94 graden Celsius (170 graden Fahrenheit) kan schommelen. Daarna bogen ze de antenne herhaaldelijk, alsof deze tientallen landingen had ondergaan. Tijdens dit proces werd de hardware zes keer naar een elektromagnetische testkamer gebracht om te verifiëren of het vermogen om radarsignalen uit te zenden en te ontvangen niet was afgenomen.
Tijdens de radiofrequentietests keerden de onderzoekers de antenne om, zodat de onderkant naar boven wees — een opstelling die de structuur meer belast dan de zwaartekracht op Mars (een derde van die op aarde) ooit zou doen — en testten ze de signaalprestaties. Aan het einde van de testcampagne had de antenne 200 Mars-landingen doorstaan, meer dan het dubbele van wat vereist zou zijn voor een succesvolle hoofdmissie, zonder verlies van prestaties.
"Deze test voldeed aan alle eisen en beantwoordde onze grootste technische vragen," zei Tang. "Hoewel we nog werk voor ons hebben voordat de antenne volledig is goedgekeurd voor vluchten, was dit een belangrijke mijlpaal en de hardware presteerde precies zoals verwacht."
Nu de eerste grote testcampagne is afgerond, bouwt het team van de bodemradar een technisch model dat trillingstesten, inzet in een gesimuleerde Mars-omgeving, signaaltesten en buitentests in de 'Mars Yard' van JPL zal ondergaan.
De drie SkyFall-toestellen, elk uitgerust met vier instrumenten, volgen in de voetsporen van NASA's Ingenuity-helikopter. Ingenuity vloog 72 keer gedurende bijna drie jaar en bewees dat aangedreven, gecontroleerde vluchten mogelijk zijn in de ijle atmosfeer van Mars. Ook toonde het aan hoe een luchtfotoperspectief waardevolle gegevens kan genereren door het Perseverance-roverteam van NASA te helpen tijdbesparende routes te plannen en locaties te kiezen voor wetenschappelijk onderzoek.
De lancering van SkyFall staat gepland voor eind 2028 aan boord van NASA's Space Reactor-1 Freedom.
Groetjes,