Mengzhou (Raumschiff)
Bemanntes Raumschiff der neuen Generation (chinesisch 新一代載人飛船 / 新一代载人飞船, Pinyin Xīn Yī Dài Zàirén Fēichuán) ist der Arbeitstitel für das Nachfolgemodell des chinesischen Shenzhou-Raumschiffs. Es handelt sich um ein teilweise wiederverwendbares Mehrzweckraumschiff, das in unterschiedlichen Konfigurationen für den Transport von Raumfahrern in eine Erd- oder Mondumlaufbahn und für deren Rückkehr auf die Erde vorgesehen ist. Langfristig könnte es auch für Missionen zur Mondoberfläche oder zum Mars eingesetzt werden, wobei die Raumfahrer im Mond- oder Erdorbit für den Weitertransport in ein anderes Raumschiff bzw. ein Zusatzmodul mit eigenem Antrieb umsteigen würden.[1] Wahlweise ist das „bemannte Raumschiff der neuen Generation“ auch als unbemanntes Frachtraumschiff oder für den gleichzeitigen Transport von Personen und Fracht einsetzbar.
Entwicklung
Am 31. März 2015 hatte Zhang Bainan, Chefingenieur der Hauptabteilung bemannte Raumfahrt der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie, zusammen mit einigen Kollegen in den Acta Aeronautica et Astronautica Sinica erstmals das Konzept eines bemannten Mehrzweckraumschiffs der neuen Generation vorgestellt.[2] Damals ging man von zwei Typen aus: einem Raumschiff mit einem Startgewicht von 14 Tonnen für Operationen in erdnahen Umlaufbahnen sowie – mit abwerfbaren Zusatzantrieben – Missionen zu Asteroiden und zum Mars, außerdem einem Raumschiff mit 20 Tonnen Startgewicht für den Einsatz bei bemannte Mondlandungen (hierfür würde zusätzlich eine Mondlandefähre benötigt). Für den Besatzungswechsel in der geplanten modularen Raumstation sollte das Raumschiff bis zu 6 Personen befördern können. Um alle geplanten Einsätze zu ermöglichen legte man als Mindestanforderung fest, dass die Lebenserhaltungssysteme des Raumschiffs 21 Tage lang unabhängig arbeiten und das Schiff, angedockt an eine Raumstation oder – bei einer Marsmission – das Wohnmodul eines zusammengesetzten Großraumschiffs, bis zu zwei Jahre lang im Weltall verbleiben kann.[3]
Im März 2018 enthüllte Zhang Bainan in mehreren Interviews, dass man bereits mit der Entwicklung eines bemannten Raumschiffs der neuen Generation begonnen hatte und dass es sich um ein wiederverwendbares Modell handeln würde.[4] Es sei gleichermaßen für Flüge zum Mond wie zum Mars geeignet. Gleichzeitig wies er darauf hin, dass die Shenzhou-Raumschiffe nun in Serie gefertigt würden und im Zusammenhang mit der zu errichtenden Raumstation noch lange in Gebrauch bleiben würden.[5] Auf der 5. Konferenz zur bemannten Raumfahrt in Xi’an am 23./24. Oktober 2018 – veranstaltet von der Polytechnischen Universität Nordwestchinas und dem Büro für bemannte Raumfahrt der Abteilung für Waffenentwicklung der Zentralen Militärkommission (CMSA) – wurde das bemannte Raumschiff der neuen Generation schließlich erstmals im Detail der Öffentlichkeit vorgestellt.[6]
Interplanetare Missionen
Für Flüge zum Mars entwarfen Zhang Bainan und Mitarbeiter ein Konzept für ein modulares Raumschiff. Zunächst würden mit Schwerlastraketen vier große Antriebseinheiten, eine Marslandefähre und ein Wohnmodul einzeln in eine Erdumlaufbahn befördert und dort zu einem Raumschiff zusammengebaut. Danach würde die Mannschaft mit dem wiederverwertbaren Mehrzweckraumschiff (damals in der 14-Tonnen-Version, seit Oktober 2018 in der großen Version) starten und an das modulare Großraumschiff ankoppeln. Die Besatzung wechselt dann für die Weiterreise in das Wohnmodul, das etwa die Größe der Raumstation Tiangong 2 hat. Die Beschleunigung für den Übergang in den Transferorbit zum Mars, die Bahnmanöver für das Einschwenken in den Marsorbit etc. würden zunächst die Antriebseinheiten übernehmen, die nacheinander abgeworfen werden wie bei einer mehrstufigen Rakete. Am Ende des Rückflugs, nach Erreichen einer erdnahen Umlaufbahn, würden die Raumfahrer wieder in das Mehrzweckraumschiff umsteigen und damit auf der Erde landen.
Für die Rückkehr vom Mond oder vom Mars musste die Raumkapsel einen Wiedereintritt mit einer Geschwindigkeit von 11,2 km/s bewältigen können. Als die ersten Pläne für das neue Mehrzweckraumschiff entstanden, verfügte China noch über keine geeigneten leichten Materialien für einen ablativen Hitzeschild. Die in den 1960er Jahren entwickelten Hitzeschilde aus mit Phenolharz getränkten Geweben aus Kohlenstofffasern können zwar sehr hohen Temperaturen widerstehen, haben aber eine Massendichte von etwa 1,5 g/cm³, was bedeutet hätte, dass der Hitzeschutz für eine Wiedereintrittskapsel der geplanten Größe (etwa das Doppelte der Rückkehrkapsel des Shenzhou-Raumschiffs) einen beträchtlichen Teil des Gesamtgewichts ausgemacht hätte. Daher regten die Ingenieure um Zhang Bainan an, einen sogenannten „Phenol-imprägnierten Carbonfaser-Ablator“ (PICA) aus Kurzschnittfasern zu entwickeln, der nur eine Massendichte von 0,27 g/cm³ besitzt und zum Beispiel – in Kachelform – auch 2011 bei der Kapsel des Mars Science Laboratory der NASA verwendet wurde.[3][7][8]
Aufbau und Funktionsweise
Das Raumschiff der neuen Generation hat einen Durchmesser von 4,5 m. In der Variante für den erdnahen Raum ist es 7,23 m lang und erreicht ein maximales Startgewicht von 14 Tonnen.[6] In der Tiefraum-Variante beträgt die Länge etwa 9 m und das Maximalgewicht 23 Tonnen.[9] Beide Varianten verwenden dieselbe, von der Form her dem US-amerikanischen Dragon-Raumschiff ähnliche, konische Rückkehrkapsel, aber unterschiedliche Servicemodule. Auf ein Orbitalmodul wie bei den Shenzhou-Raumschiffen, das nach der Hauptmission noch als Experimentalplattform länger in der Erdumlaufbahn verbleiben könnte, wird aus Kostengründen verzichtet.
Während das Servicemodul, das neben den Triebwerken auch die Solarmodule für die Stromversorgung des Raumschiffs im Orbit trägt, vor dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre abgetrennt wird und dort verglüht, kann die Rückkehrkapsel nach der Landung in der Inneren Mongolei im Kern wiederverwendet werden. Hierzu wird die abnehmbare Außenhülle, die als Hitzeschutz beim Wiedereintritt in die Atmosphäre dient, entfernt und die innere Metallstruktur mit einer frischen Außenhaut versehen. Die Rückkehrkapsel ist so gebaut, dass sie auch auf einer Wasseroberfläche landen kann. Langfristig ist geplant, ein Seegebiet im Südchinesischen Meer als Landeplatz auszuweisen und das Kosmodrom Wenchang auf Hainan zu Chinas neuem Raumfahrtzentrum auszubauen.[3]
In seiner Konfiguration als Personentransporter kann das Raumschiff bis zu sechs Raumfahrer in einen Erdorbit oder zum Mond bringen;[10] wenn nur drei Raumfahrer an Bord sind, können zusätzlich 500 kg Fracht mitgenommen werden.[11] In der Konfiguration als reines Versorgungsraumschiff kann mit einer Changzheng-5- oder Changzheng-7-Trägerrakete eine Nutzlast von 4 Tonnen in den Orbit befördert werden. Das ist weniger als bei dem bereits im Dienst stehenden Tianzhou-Versorgungsraumschiff mit seiner Startkapazität von 6,5 Tonnen,[12] dafür ist das Raumschiff der neuen Generation, anders als Tianzhou, wiederverwendbar und kann zum Beispiel Mikroorganismen aus auf der Raumstation durchgeführten Experimenten oder dort hergestellte Materialien im Gesamtgewicht von bis zu 2,5 Tonnen für nähere Untersuchungen mit zur Erde zurücknehmen.[6][13] Um bis zu zehn Verwendungen zu ermöglichen – Berechnungen zufolge das wirtschaftliche Optimum – wurde die Kapsel unter anderem mit Airbags als Landehilfe ausgestattet. Diese verringern die Aufprallwucht auf einen Bruchteil und schonen somit das Raumschiff.[14]
Gegenüber dem derzeitigen Shenzhou-Raumschiff wurde auch das Funksystem verbessert. Bei Shenzhou reißt während des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre der Funkkontakt mit dem Missionskontrollzentrum für eine gewisse Zeit ab. Ursache ist die stark erhitzte und dadurch ionisierte Luft um die Rückkehrkapsel, welche die Funksignale abschirmt. Die verbesserten Kommunikationssysteme des Raumschiffs der neuen Generation können das isolierende Plasma durchdringen und während des gesamten Abstiegs den Kontakt mit den Bodenstationen aufrechterhalten.[3]
Tests
Testflug von 2016
Am 25. Juni 2016 wurde beim Erstflug der Trägerrakete Changzheng 7 vom Kosmodrom Wenchang auf Hainan ein auf das 0,63-fache verkleinertes Modell der neuen Rückkehrkapsel in den Orbit befördert. Das Modell hatte eine konische Form mit einem Durchmesser von 2,6 m am breiten Ende, eine Höhe von 2,3 m und ein Gewicht von 2,6 Tonnen. Die Kapsel bestand aus drei Komponenten:
- Einer halbkugelförmige Spitze mit Fallschirmkammer, Fallschirmauswurfgeräten, Navigationssatelliten-Antenne und Antenne für die Kommunikation durch das isolierende Plasma beim Wiedereintritt.
- Einer Außenwand mit dem in vier Paneele unterteilten ablativen Hitzeschild, der auf Formplatten mit einer Bienenwaben-Struktur geklebt und an den Verstärkungsstreben der eigentlichen Kabinenwand festgeschraubt war. Außen an der Wand befanden sich kleine Triebwerke für die Lagesteuerung und Sensoren für den Luftstrom.
- Einer Bodenplatte aus Metall, darunter ein Gitterträgersystem und darunter der Hitzeschild. Auf der Bodenplatte, im Inneren der Kabine, waren Datenverarbeitungsgeräte, die Stromversorgung und Messgeräte für den Luftstrom angebracht. Unten auf dem Hitzeschild befanden sich pneumatische Sensoren.
Bei dem Test ging es zum einen darum, das Flugverhalten der konischen Rückkehrkapsel beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zu erproben (die Shenzhou-Raumschiffe verwenden eine glockenförmige Rückkehrkapsel). Für den Fall, dass die Kapsel mit der Spitze zuerst in die Atmosphäre eintauchte, gab es einen Überschall-Stabilisierungsfallschirm, der die Kapsel aufrichten würde, sodass sie mit dem hierfür vorgesehenen breiten Ende bremsen konnte. Außerdem wollte man die beim Bau des neuen Raumschiffs verwendeten Materialien testen, nicht nur den Phenol-imprägnierten Carbonfaser-Ablator für den Hitzeschild, sondern auch die neue Legierung, aus der die Kabine selbst gefertigt war. Dieses Material war sowohl fester als auch leichter als die bislang bei Raumflugkörpern verwendete Aluminium-Magnesium-Legierung. Im Inneren der Kapsel gab es keine Lebenserhaltungssysteme, und zahlreiche elektronische Komponenten für die Auslösung der Fallschirme etc. waren aus zurückgekehrten Shenzhou-Raumschiffen ausgebaut und nach Überprüfung wiederverwendet worden.[15]
Bei diesem Versuch wurde nur die Rückkehrkapsel getestet. Die Rolle des Servicemoduls übernahm die unter dem Namen „Yuanzheng 1A“ bekannte zusätzliche Oberstufe der Changzheng-7-Trägerrakete. Diese mit einer hypergolen Treibstoffmischung betriebene Stufe kann, im Gegensatz zu den regulären Raketenstufen, mehrmals gezündet werden und wird normalerweise dafür verwendet, Satelliten in höhere Bahnen zu befördern. 10 Minuten nach dem Start um 20 Uhr Ortszeit trennte sich die Yuanzheng-1A mit der darauf montierten Testkapsel von der Trägerrakete und begab sich in einen erdnahen Orbit von 200 × 394 Kilometern Höhe, wie er in etwa auch bei bemannten Flügen eingenommen wird. Nach der 13. Umkreisung, am 26. Juni 2016 um 15:04 Uhr Peking-Zeit, leitete die Yuanzheng-1A mit einer erneuten Zündung die Rückkehr zur Erde ein.
Anschließend änderte die Raketenstufe ihre Lage, sodass der Boden der Rückkehrkapsel um 50° gegen die Horizontale geneigt war. Um 15:17 Uhr trennte sich die Rückkehrkapsel in einer Höhe von 170 km von der Yuanzheng-1A, die danach in einem sicheren Orbit deponiert wurde. Das in diesem Fall vom Kosmodrom Jiuquan aus gesteuerte Netzwerk der Bodenstationen übernahm die Kontrolle über die Kapsel. In einer Höhe von 20 km löste der Stabilisierungsfallschirm aus, der die Kapsel in eine korrekte Lage brachte. Dieser wurde daraufhin abgeworfen, der Bremsfallschirm löste aus, der wiederum den Hauptfallschirm aus seiner Kammer oben an der Kapsel zog. Um 15:41 Uhr landete die Rückkehrkapsel – nach erstem Augenschein unbeschädigt – auf dem Ostwind-Landeplatz in der Badain-Jaran-Wüste unweit des Kosmodroms. Um 23 Uhr kam die geborgene Kapsel mit einem Lastwagen auf dem Kosmodrom Jiuquan an.[16]
Testflug 2020
Ein erster, unbemannter Testflug des Raumschiffs begann am 5. Mai 2020. Hierzu wurde ein 8,8 m langer und 21,6 t schwerer Prototyp der Tiefraum-Version des Raumschiffs verwendet, der um 18:00 Ortszeit (10:00 UTC) mit dem ersten Exemplar der Raketenvariante Changzheng 5B vom Kosmodrom Wenchang gestartet wurde. 488 Sekunden, also etwa 8 Minuten nach dem Start trat das Raumschiff planmäßig in die Umlaufbahn ein. Um eine möglichst große Startmasse für die Erprobung der Trägerrakete zu erhalten, wurde das Servicemodul des Raumschiffs voll betankt. Es soll diesen Treibstoff nutzen, um im weiteren Verlauf einen elliptischen Orbit mit einem Apogäum von 8000 km einzunehmen und von dort aus einen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre mit hoher Geschwindigkeit zu versuchen.[17] Ähnlich wie 2016 geht es bei diesem Testflug vor allem um die Erprobung der Landung; zu testen sind das Flugverhalten beim Wiedereintritt in die Atmosphäre, der Hitzeschild, die Steuerung beim Wiedereintritt, die Geschwindigkeitsreduzierung durch mehrere Fallschirme und Airbags und die Bergung.[18] Die Chinesische Raumstation, für deren Versorgung das neue Raumschiff zunächst gedacht ist, wird zwar nur in einer Höhe von 340–450 km um die Erde kreisen. Bei einer langfristig geplanten Rückkehr vom Mond wird das Raumschiff jedoch vom Lagrange-Punkt L1, also aus einer Höhe von 58.000 km ungebremst auf die Erde fallen und dort mit einer Geschwindigkeit von 40.320 km/h eintreffen. Ein derartiges Missionsprofil wurde zwar bereits 2014 mit der Sonde Chang’e 5-T1 erprobt, diese war jedoch wesentlich kleiner und einfacher gebaut als die Rückkehrkapsel des neuen Raumschiffs.
Der Wiedereintritt in die Erdatmosphäre und die Landung auf dem Ostwind-Landeplatz ist zunächst für den 8. Mai 2020 geplant.[19][veraltet]
Einzelnachweise
- ↑ Zur zeitlichen Einordnung: die unbemannte Rückkehrmission zum Mars, die aus technisch-bahnmechanischen Gründen frühestens im April 2029 starten kann, soll als Vorstudie für eine bemannte Landefähre dienen (Stand 2016).
- ↑ 杨雷、张柏楠 et al.: 新一代多用途载人飞船概念研究. In: hkxb.buaa.edu.cn. 31. März 2015, abgerufen am 5. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ a b c d 了不起的中国制造: 为了登陆月球和火星，中国新一代载人飞船做了这些改变. In: zhuanlan.zhihu.com. 6. September 2018, abgerufen am 6. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ 神舟天舟具备执行空间站任务能力. In: m.news.cctv.com. 4. März 2018, abgerufen am 6. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ 张柏楠代表：下一代载人飞船可登月探火. In: sciencenet.cn. 19. März 2018, abgerufen am 5. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ a b c 兴趣的微博先生: 中国新载人飞船露面，新世纪登月竞赛力敌美国！ In: t.cj.sina.com.cn. 27. Oktober 2018, abgerufen am 5. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ Sylvia M. Johnson: Thermal Protection Materials: Development, Characterization and Evaluation. In: ntrs.nasa.gov. Abgerufen am 7. Oktober 2019 (englisch).
- ↑ PICA Questions. In: forum.nasaspaceflight.com. 15. Dezember 2010, abgerufen am 7. Oktober 2019 (englisch).
- ↑ 李浩: 新一代载人运载火箭载人飞船研制已取得阶段性成果. In: xinhuanet.com. 7. November 2018, abgerufen am 6. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ Andrew Jones: This Is China's New Spacecraft to Take Astronauts to the Moon. In: space.com. 2. Oktober 2019, abgerufen am 5. Oktober 2019 (englisch).
- ↑ 华辉美食人: 中国新飞船将可重复用、带6人，空间站核心舱合练3个月. In: k.sina.com.cn. 22. Januar 2020, abgerufen am 22. Januar 2020 (chinesisch).
- ↑ Rui C. Barbosa: Tianzhou-1 – China launches and docks debut cargo resupply. In: nasaspaceflight.com. 19. April 2017, abgerufen am 5. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ 梦寻yousa_喵: 中国新一代载人飞船的相关技术参数整理. In: bilibili.com. Abgerufen am 5. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ 空天松鼠: 再见，大钟！我国新一代载人飞船重磅亮相，目标直指载人登月. In: t.cj.sina.com.cn. 10. November 2018, abgerufen am 5. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ 李淑姮: 多用途飞船缩比返回舱成功着陆. In: cast.cn. 27. Juni 2016, abgerufen am 8. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ 田兆运、杨茹、祁登峰: 长征七号搭载的缩比返回舱咋从天上回到地面？ In: 81.cn. 26. Juni 2016, abgerufen am 8. Oktober 2019 (chinesisch).
- ↑ Andrew Jones: Long March 5B launch clears path for Chinese space station project. In: spacenews.com. 5. Mai 2020, abgerufen am 5. Mai 2020 (englisch).
- ↑ 华辉美食人: 中国新飞船将可重复用、带6人，空间站核心舱合练3个月. In: k.sina.com.cn. 22. Januar 2020, abgerufen am 22. Januar 2020 (chinesisch). Bei der angesengten Kapsel auf dem unteren Foto handelt es sich um das originale Modell von 2016.
- ↑ 长征五号B火箭搭载试验舱和试验船计划于5月6日和8日返回. In: bjd.com.cn. 5. Mai 2020, abgerufen am 5. Mai 2020 (chinesisch).