Fahrwerkstechnik für Raumfahrzeuge
Entdecken Sie, wie John Evans' Sons, Teil unseres Lesjöfors-Netzwerks spezialisierter Hersteller, Rollfedern für das Landesystem des Mars-Rovers Perseverance der Mission Mars 2020 entwickelt hat.
Zuverlässiges Ausfahren des Landesystems
Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, eine Einrichtung des California Institute of Technology, wandte sich an das Lesjöfors-Netzwerk, um hochpräzise Federkomponenten für den Mars-Rover Perseverance Mars 2020 Perseverance Rover der Mission Mars 2020 zu entwickeln.
Die Federn mussten den Raketenstart, den Flug durch den Weltraum und den Einsatz auf der Oberfläche eines anderen Planeten zuverlässig überstehen. Bereits 2012 lieferte John Evans' Sons, ein auf Spezialfedern spezialisiertes Schwesterunternehmen von Lesjöfors, Rollfedern (auch Konstantkraftfedern genannt) für das Federungssystem des NASA-Rovers Curiosity. Nachdem sich diese auf der Marsoberfläche exakt wie vorgesehen bewährt hatten, entschied sich das JPL bei der Planung der Mission Mars 2020 erneut für ein Lieferantennetzwerk, dem es voll vertraute.
Ingenieurskompetenz für anspruchsvolle Luft- und Raumfahrtanwendungen aus dem Lesjöfors-Netzwerk
Lesjöfors ist ein globales Netzwork spezialisierter Hersteller von Federn sowie Stanz- und Biegeteilen. Jedes Unternehmen bringt umfassendes Know-how in seinem jeweiligen Fachgebiet ein. Dies ist ein entscheidender Vorteil für Kunden mit anspruchsvollen technischen Anforderungen.
Für die Mission Perseverance war John Evans' Sons der Spezialist innerhalb des Lesjöfors-Netzwerks. Das Unternehmen mit Sitz in Pennsylvania ist auf Flachfedern spezialisiert und verfügt über eine der weltweit modernsten Fertigungen für Rollfedern.
Aus dem Projekt entstand eine 22-monatige Entwicklungspartnerschaft – eine enge Zusammenarbeit, durch die unsere Komponenten ihren Weg bis auf die Oberfläche des Mars fanden.
Die technischen Herausforderungen von Landesystemen für Raumfahrzeuge
Die Entwicklung von Federn für den Mars-Rover Perseverance der NASA im Rahmen der Mission Mars 2020 unterscheidet sich grundlegend selbst von den anspruchsvollsten Luft- und Raumfahrtanwendungen auf der Erde. Die Komponenten müssen über ihren gesamten Einsatzzyklus hinweg absolut zuverlässig funktionieren: vom Raketenstart über den Flug durch den Weltraum bis hin zu einem Einsatz, der auf der Marsoberfläche Jahrzehnte andauern kann.
Thermisch: Extreme Temperaturschwankungen
Die Temperaturen auf der Marsoberfläche reichen von bis zu −140 °C an den Polen bis zu etwa +20 °C in Äquatornähe. Die Komponenten des Landesystems müssen über einen Temperaturbereich von rund 160 °C ihre Maßhaltigkeit und ihre mechanischen Eigenschaften zuverlässig beibehalten – ohne Möglichkeit zur Nachschmierung oder Justierung. Deshalb sind die richtige Werkstoffauswahl und eine präzise Wärmebehandlung von entscheidender Bedeutung.
Vibrationen: Belastungen beim Raketenstart und Stoßdämpfung
Beim Start der Atlas V ist der Rover anhaltenden Vibrationsbelastungen über ein breites Frequenzspektrum ausgesetzt. Die Federn müssen diese Kräfte aufnehmen und übertragen, ohne durch Materialermüdung auszufallen oder sich dauerhaft zu verformen. Das erfordert eine präzise Auslegung der Federgeometrie sowie ein fundiertes Verständnis des Werkstoffverhaltens unter zyklischer Belastung.
Vakuum: Einsatz unter nahezu luftleeren Bedingungen
Während der rund siebenmonatigen Reise zum Mars ist der Rover den Bedingungen des Weltraumvakuums ausgesetzt. Dabei zählen Materialausgasung, die Wanderung von Schmierstoffen sowie unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zu den entscheidenden konstruktiven Herausforderungen. Deshalb muss jedes Material der Baugruppe sorgfältig auf seine Eignung für den Einsatz im Vakuum geprüft werden.
Gelände: Unvorhersehbare Bedingungen am Landeort
Der Jezero-Krater auf dem Mars ist geprägt von zerklüftetem Fels, feinem Regolith und erheblichen Höhenunterschieden. Das Rocker-Bogie-Fahrwerk des Perseverance-Rovers muss unter allen Bedingungen einen kontinuierlichen Bodenkontakt der Räder gewährleisten. Dafür ist eine Federkennlinie erforderlich, die über den gesamten Bewegungsbereich des Rovers hinweg vorhersehbar und linear bleibt.
Diese Herausforderungen beeinflussen sich gegenseitig. Ein Werkstoff, der unter extremen Temperaturen optimale Eigenschaften aufweist, kann sich im Vakuum anders verhalten. Eine Federgeometrie, die für die Belastungen beim Raketenstart optimiert wurde, kann wiederum zu einer nichtlinearen Kraftentfaltung führen und damit die Geländegängigkeit beeinträchtigen. Genau diese vier Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, ohne jede Möglichkeit einer späteren Anpassung, war die Herausforderung, für die das Lesjöfors-Netzwerk hinzugezogen wurde.
Werkstoffauswahl für extreme Einsatzbedingungen: eine Kernkompetenz von Lesjöfors
Bevor die erste Feder gefertigt werden kann, muss der geeignete Werkstoff ausgewählt werden. Bei einer Mission, bei der sich keine Komponente austauschen oder reparieren lässt, zählt die Werkstoffauswahl zu den wichtigsten ingenieurtechnischen Entscheidungen.
Für Rollfedern, die unter den Bedingungen auf dem Mars zuverlässig funktionieren müssen, muss der Werkstoff gleichzeitig mehrere anspruchsvolle Anforderungen erfüllen:
- Ausreichende Streckgrenze und hohe Ermüdungsfestigkeit, um die Belastungen beim Raketenstart sowie wiederholte Ausfahrvorgänge zuverlässig zu überstehen.
- Hohe Maßhaltigkeit über einen Temperaturbereich von rund 160 °C.
- Vakuumtauglichkeit, ohne Materialausgasung oder Schmierstoffwanderung, die empfindliche Instrumente beeinträchtigen könnten.
- Ein konstanter Elastizitätsmodul über den gesamten Einsatztemperaturbereich, damit die Federkräfte jederzeit vorhersehbar bleiben.
Für den Perseverance-Rover erfüllte ein hochwertiges Edelstahlband mit präzise spezifizierten Werkstoffeigenschaften und vollständiger Materialrückverfolgbarkeit diese anspruchsvollen Anforderungen.
Rollfedern entwickeln für den Mars-Rover Perseverance der NASA
Eine Rollfeder besteht aus einem vorgespannten Band aus Federstahl, das mit hoher Präzision zu einer engen Rolle gewickelt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Druck- oder Zugfedern, deren Federkraft sich proportional zum Federweg verändert (gemäß dem Hooke'schen Gesetz), liefert eine Rollfeder über ihren gesamten Ausfahrweg eine nahezu konstante Kraft. Genau diese Eigenschaft ist für einen sechsrädrigen Mars-Rover von entscheidender Bedeutung.
Das Rocker-Bogie-Fahrwerk des Perseverance-Rovers (dieselbe kinematische Konstruktion, die bereits beim Curiosity-Rover erfolgreich eingesetzt wurde) sorgt dafür, dass alle sechs Räder selbst beim Überfahren von Hindernissen bis zur Größe des Raddurchmessers dauerhaft Bodenkontakt behalten. Das System arbeitet vollständig passiv, ohne Aktuatoren oder aktive Regelung. Das Gleichgewicht zwischen Anpresskraft der Räder und Fahrzeuggewicht wird ausschließlich durch die mechanische Konstruktion sichergestellt.
Rollfedern leisten dazu einen entscheidenden Beitrag, indem sie die gleichmäßige und präzise vorhersehbare Kraftentfaltung bereitstellen, auf die die Kinematik des Rocker-Bogie-Fahrwerks angewiesen ist.
22 Monate gemeinsame Entwicklungsarbeit
175 Jahre Präzisionstechnik und eine Mission über unseren Planeten hinaus
JPL entschied sich für dieses Projekt bewusst für das Lesjöfors-Netzwerk, weil unsere Ingenieurinnen und Ingenieure über das erforderliche Fachwissen verfügen, um bereits auf Spezifikationsebene mitzuwirken. Hinzu kommen die Fertigungspräzision, mit der sich engste Toleranzen einhalten lassen, sowie die konsequente Dokumentation, die für diese anspruchsvollen Programme unerlässlich ist.
Aus dem Projekt entwickelte sich eine fast zweijährige Entwicklungspartnerschaft. Eine Zusammenarbeit dieser Art ist nur möglich, wenn beide Seiten ihre technische Expertise auf höchstem Niveau einbringen.
Die Mission Mars Perseverance ist der bislang am weitesten entfernte Einsatz unserer Komponenten in der Geschichte des Lesjöfors-Netzwerks. Wir sind überzeugt, dass dies nicht der letzte außergewöhnliche Einsatzort sein wird, an dem unsere Komponenten ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen.
The same standard: every industry, every application
Seit mehr als 175 Jahren entwickelt Lesjöfors Federn und Stanz- und Biegeteile für Anwendungen, bei denen es auf absolute Zuverlässigkeit ankommt. Die Ingenieurskompetenz, die in die Rollfedern für den Perseverance-Rover eingeflossen ist, prägt auch unsere Arbeit in allen anderen Branchen und Anwendungsbereichen.
Dank der lückenlosen Materialrückverfolgbarkeit ließ sich jedes Edelstahlband, das für das Fahrwerk des Perseverance-Rovers verwendet wurde, bis zu seinem Ursprung zurückverfolgen. Nach denselben hohen Standards fertigen wir Federn für implantierbare Medizinprodukte und sicherheitskritische Verteidigungssystems.
Die Dokumentation, die den Anforderungen der NASA entsprach, erfüllt ebenso die Erwartungen unserer Kunden in regulierten Industrien. Auch die Prüfverfahren, denen die Rollfedern des Perseverance-Rovers vor dem Start unterzogen wurden, kommen bei Komponenten für Offshore-Bohranlagen und hochbelastete Fahrwerke in der Automobilindustrie zum Einsatz.
Die Mission zum Mars stellte außergewöhnliche Anforderungen. Die dafür erforderlichen Kompetenzen gehörten bei John Evans' Sons als Teil des Lesjöfors-Netzwerks jedoch bereits seit vielen Jahren zum festen Bestandteil unserer Entwicklungs- und Fertigungsprozesse.
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