Chang’e-5

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Chang’e-5

Missions­ziel Erdmond
Auftrag­geber CNSA
Träger­rakete Langer Marsch 5
Aufbau
Startmasse 8,2 t
Verlauf der Mission
Startdatum 23. November 2020
Startrampe Kosmodrom Wenchang
 
23. November 2020 Start
 
28. November 2020 Eintritt in den Mondorbit
 
Landung auf dem Mond
 
Rückstart von der Mondoberfläche
 
Kopplung mit dem Orbiter
 
Orbiter verlässt den Mondorbit
 
Landung der Rückkehrkapsel auf der Erde

Chang’e-5 (chinesisch 嫦娥五號 / 嫦娥五号, Pinyin Cháng'é Wǔhào) ist eine unbemannte chinesische Mond-Erkundungsmission, die am 23. November 2020 um 20:30 UTC gestartet ist.[1][2] Chang’e-5 ist Chinas erste Rückführungsmission; sie soll rund zwei Kilogramm Mondboden- und Gesteinsproben zur Erde bringen.[3] Bei Erfolg wäre es die erste Rückführmission für Mondproben seit der sowjetischen Mission Luna 24 im Jahr 1976. Die Sonde wurde von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gebaut und nach der chinesischen Mondgöttin Chang’e benannt.

Übersicht[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das am 24. Januar 2004 von Premierminister Wen Jiabao nach dreizehnjährigen Vorbereitungsarbeiten offiziell gestartete Mondprogramm der Volksrepublik China besteht aus den Drei Großen Schritten (大三步):

  1. Unbemannte Erkundung
  2. Bemannte Landung
  3. Stationierung einer ständigen Besatzung

Die Mission Chang’e-5 bildet den Abschluss des Ersten Großen Schritts, der wiederum in die Drei Kleinen Schritte (小三步) unterteilt ist:

  1. Beim Ersten Kleinen Schritt wurde mit Chang’e-1 im Jahr 2007 und Chang’e-2 im Jahr 2010 die Mondumlaufbahn erreicht.
  2. Beim Zweiten Kleinen Schritt erfolgte die Landung auf dem Mond und die Erkundung mit einem Rover. Diese Phase umfasst die Mission Chang’e-3 (2013) und die Mission Chang’e-4 auf der Mondrückseite im Januar 2019.
  3. Beim Dritten Kleinen Schritt sollen nun mit Chang’e-5 Proben von der erdzugewandten Mondseite gesammelt und zur Erde gebracht werden.[4] Mit Chang’e 5-T1 wurde bereits der Eintritt der Wiedereintrittskapsel in die Erdatmosphäre aus einer Mondbahn erfolgreich getestet

Mit diesen Missionen soll eine bemannte Mondlandung in den 2030er-Jahren und in weiterer Zukunft eine dauerhaft besetzte Mondbasis am südlichen Rand des Südpol-Aitken-Beckens auf der Rückseite des Mondes vorbereitet werden.[5] So denkt man zum Beispiel darüber nach, aus dem Eisen(III)-oxid im Oberflächenmaterial des Mondes Sauerstoff zu gewinnen.[6]

Ablauf der Mission[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Trägerrakete beim Start

Die gut 8 m hohe Sonde mit einem Startgewicht von insgesamt 8,25 t (davon 5,45 t diergoler Treibstoff)[7] besteht aus vier Modulen:[8]

  • dem Lander, der zirka 2 kg Gestein einsammeln soll,
  • einer angeschlossenen Aufstiegsstufe, die die Proben in die Mondumlaufbahn bringt,
  • dem Orbiter, an den die Aufstiegsstufe mit einem automatischen Rendezvousmanöver andockt,
  • der Wiedereintrittskapsel, die die Proben zur Erde zurückbringt.[9]

Als Trägerrakete wurde die Langer Marsch 5 gewählt. Nach einem Unfall dieser Rakete am 2. Juli 2017 wurde die bereits fertig getestete und startbereite Sonde in einer Halle der Entwicklungs- und Produktionsbasis für übergroße Raumflugkörper der Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie in Tianjin eingelagert. Anfang März 2020 wurde die Sonde überprüft und erneut getestet. Die Sonde war in perfektem Zustand, alle Systeme funktionierten einwandfrei.[10]

Start und Einschwenken in eine Mondumlaufbahn[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Am 23. November 2020 um 20:30:12 UTC, oder 04:30 Ortszeit, startete die Sonde vom Kosmodrom Wenchang. Neben den Vorgaben, die aus der relativen Position von Erde und Mond resultieren, und dem Schutz vor dem Sonnenwind, den die Masse des Erdballs der Rakete bei Nacht bietet, war einer der Gründe für die Wahl des Startfensters weit nach Mitternacht das Wetter auf Hainan. Zu dieser Zeit weht relativ wenig Wind und es gibt kaum Wetterumschwünge. Vor Sonnenaufgang ist die Wolkendecke am dünnsten, was weniger Dämpfung für die Übertragung der Telemetriedaten auf dem Mikrowellenband bedeutet. Durch die dünne Wolkendecke ist die Bahnverfolgung mit Teleskopen einfacher, ebenso ist die Überwachung der Form der Triebwerksflammen für Fehleranalysen bei eventuellen Unfällen in der Nacht einfacher, als mit einem hellen Himmel im Hintergrund.[11]

Nach der Abtrennung der ersten Stufe zündete die zweite Stufe und brachte die Sonde in einen Parkorbit, wo sie für eine kurze Zeit antriebslos verblieb. Dann zündete die zweite Stufe erneut und brachte die Sonde auf den Transferorbit zum Mond.[12] Nach zwei planmäßigen Bahnkorrekturmanövern am 24. und 25. November[13][14] kam die Sonde am 28. November 2020 nach 112 Stunden Flugzeit beim Mond an. Um 12:58 UTC wurde in einer Entfernung von 400 km von der Mondoberfläche das 3-kN-Triebwerk des Orbiters für 17 Minuten gezündet. Dadurch bremste die Sonde auf weniger als die Fluchtgeschwindigkeit (2,3 km/s) des Erdtrabanten ab,[15] sie wurde vom Mond in sein Schwerefeld gezogen und schwenkte wie geplant in einen langgestreckten Orbit mit einer Umlaufzeit von acht Stunden ein. Nach drei Mondumkreisungen, am 29. November um 12:23 UTC, fand ein weiteres Bremsmanöver statt und die Sonde wurde in einen runden Orbit von 200 km Höhe abgesenkt. Hierbei wurde auch die Bahnneigung zum Äquator des Mondes leicht geändert.[16][17] Am 29. November 2020 um 20:40 UTC koppelte der Lander mit der darauf montierten Aufstiegsstufe vom Orbiter ab und leitete den Landeanflug ein.[18]

Mondlandung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Oceanus Procellarum in der nordwestlichen Mondregion wurde für die Probenentnahme bestimmt. Es ist vorgesehen, in der Ebene auf der Westseite des Vulkanberg-Massivs Mons Rümker zu landen.[3][4] Von dieser Landestelle erhofft man sich einen besseren Einblick in die vulkanische Aktivität auf dem Mond. Nach Auswertung von Bodenproben, die von sowjetischen Sonden und Apollo-Astronauten aus Gebieten weiter im Osten zurückgebracht wurden, nahm man an, dass das Maximum der vulkanischen Aktivität vor 3,5 Milliarden Jahren erreicht wurde, dann aber ab dem Beginn des Eratosthenischen Zeitalters vor 3,15 Milliarden Jahren langsam schwächer wurde. Neuere Beobachtungen aus dem Orbit legen aber den Verdacht nahe, dass es noch vor ein oder zwei Milliarden Jahren aktive Vulkane gegeben haben könnte.[5] Falls sich in den von Chang’e-5 zurückgebrachten Bodenproben größere Mengen der Hitze erzeugenden radioaktiven Elemente Uran und Thorium finden sollten, würde dies das Verständnis jener Prozesse und des inneren Aufbaus des Mondes verbessern.[12][6]

Da die Temperatur auf der Mondoberfläche zwischen 127 °C bei direkter Sonneneinstrahlung und −183 °C während der Mondnacht schwankt, machten sich die Ingenieure um Projektleiter Lai Xiaoming (赖小明) Sorgen, dass die Schaufel- und Bohrgeräte mit ihren mechanischen Armen durch Ausdehnung und Kontraktion des Metalls Schaden nehmen könnten. Deswegen versucht man, die gesamte Mission innerhalb eines Mondtages durchzuführen.[19] Am 27. November 2020 ging am Mons Rümker die Sonne auf.[12] Nach der Trennung vom Orbiter in einer Höhe von 200 km muss der Lander mit der darauf montierten Aufstiegsstufe seine Umlaufbahn noch in zwei Stufen absenken.[20] Die eigentliche Landung ist für den 3. Dezember geplant.[21]

Wie bei den beiden Vorgängersonden Chang’e-3 und Chang’e-4 – Chang’e-5 verwendet denselben Bus – hält der autonom agierende Lander etwa 100 m über dem Boden kurz inne, um sich mittels seines dreidimensional abbildenden Laserscanners einen Überblick zu verschaffen. Der Lander sucht sich selbstständig einen ebenen und von Felsbrocken freien Platz, auf den er sich dann langsam absenkt, möglichst jegliche Staubentwicklung vermeidend. Der gesamte Landevorgang dauert etwa 15 Minuten.[20]

Rückkehr[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach dem Einsammeln der Bodenproben, wofür zunächst 48 Stunden angesetzt sind, soll die Aufstiegsstufe in die Mondumlaufbahn starten, wo sie nach vier Bahnkorrekturmanövern in einer Höhe von 200 km am Orbiter ankoppelt.[16] Für das das Koppelmanöver steht ein Zeitfenster von 3,5 Stunden zur Verfügung. Der obere Teil des torusförmigen Orbiters, in dessen zentraler Vertiefung die Wiedereintrittskapsel sitzt, ist für den Start von der Erde und die Zeit im Mondorbit von einer in der Darstellung gelb markierten Druckübertragungs- und Schutzhülle umgeben. Diese Schutzhülle wird kurz vor dem Rendezvous mit der Aufstiegsstufe abgeworfen.[4][22] Nach dem Ankoppeln werden die Behälter mit den Bodenproben mittels eines am Orbiter montierten Greifmechanismus in die Wiedereintrittskapsel transferiert[20] und diese versiegelt, um bei der Landung eine Kontamination mit irdischem Material zu vermeiden.[23] Die Landung auf dem Gebiet des Dörbed-Banners in der Inneren Mongolei ist nach einer Missionsdauer von rund 23 Tagen für etwa 15. Dezember geplant.[24][25] Hierbei wird die Wiedereintrittskapsel in einer Höhe von 5000 km über der Erde vom Orbiter abgetrennt und absolviert dann einen zweiteiligen Abstieg mit Atmosphärenbremsung. In einer Höhe von 10 km über dem Boden löst der Stabilisierungs-, kurz darauf der Bremsfallschirm aus.[20]

Der Missionsablauf ist wesentlich komplizierter als bei den sowjetischen Luna-Rückkehrsonden. Dort musste die Aufstiegsstufe zwar zunächst eine Höhe von 54.500 km erreichen. Danach kehrte sie einfach im freien Fall direkt zur Erde zurück.[26][6] Hier dagegen muss der Treibstoff in der Aufstiegsstufe nur bis zum Orbiter in der Mondumlaufbahn reichen. Dadurch kann man mehr Probenmaterial vom Mond mit hinaufnehmen. Es kann auch deshalb mehr Probenmaterial mitgenommen werden, weil die robust gebaute und mit 300 kg relativ schwere Wiedereintrittskapsel nicht mit auf dem Mond landet, sondern im Orbiter verbleibt.

In den vier Modulen von Chang’e-5 befinden sich insgesamt 77 von der Akademie für Flüssigkeitsraketentriebwerkstechnik hergestellte hypergole Triebwerke, von kleinen Lageregelungstriebwerken mit 10 N und 150 N Schubkraft bis zum Haupttriebwerk des Landers, dessen Schubkraft von 1,5 kN bis 7,5 kN geregelt werden kann.[27][7] Anders als bei den Sonden Chang’e-3 und Chang’e-4, deren Triebwerke nur bis zur Landung zu arbeiten brauchten, sind die Triebwerke der Aufstiegsstufe zehn Tage lang dem von den Probensammelgeräten aufgewirbelten, elektrostatisch aufgeladenen Mondstaub ausgesetzt.[28] An diesen Triebwerken wurden spezielle Staubschutzmaßnahmen getroffen, um eine sichere Rückkehr der Aufstiegsstufe in die Mondumlaufbahn zu gewährleisten.[29]

Chang’e 5-T1[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Chang’e 5-T1 war eine experimentelle Mondroboter-Mission, die am 23. Oktober 2014 gestartet wurde, um Tests zum atmosphärischen Wiedereintritt der Kapsel durchzuführen, die für die Chang’e-5-Mission vorgesehen war.[30][31] Nach der Trennung von der Rückkehrkapsel kehrte das auf dem DFH-3A-Bus basierende Servicemodul am 1. November 2014 aus dem Erdorbit zum Mond zurück,[32] wo es über den Lagrange-Punkt L2 in einen Mondorbit übergeführt wurde. Dort werden die verbleibenden 800 kg Kraftstoff für die Prüfung von Manövern für zukünftige Mondmissionen verwendet.[33]

Nutzlast des Landers[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der auf dem Chang’e-3-Bus basierende Lander besitzt einen Laser-Entfernungsmesser, einen dreidimensional abbildenden Laserscanner und eine Landekamera für den selbstständig Hindernisse vermeidenden Landevorgang, dazu noch eine Panoramakamera, ein Spektrometer und ein Bodenradar,[3] mit dem unter der Oberfläche im Regolith eingebettete Felsbrocken, die dem Bohrer gefährlich werden könnten, aufgespürt und gegebenenfalls vermieden werden können.[34]

Für die Entnahme der Bodenproben befinden sich auf dem Lander zwei Geräte:

  • Ein an der Polytechnischen Universität Harbin entwickelter und in der Fabrik 529 der Akademie für Weltraumtechnologie (航天五院529厂) in Peking gebauter Kernlochbohrer mit Wolframcarbid -Bohrkopf,[35][19] der bis in 2 m Tiefe vordringen und mindestens einen Bohrkern erbohren soll. Durch das Innere des Hohlbohrers führt ein dünnwandiger Schlauch aus Aramid,[36] der einerseits das Material des Bohrkerns zusammenhält, eine Vermischung verhindert und so die Abfolge der verschiedenen Bodenschichten konserviert.[37] Andererseits erlaubt es der Aramidschlauch, den Bohrkern so zu biegen bzw. aufzurollen, dass er in die Aufstiegsstufe passt.[38][39]
  • Für den Fall dass der Bohrer beschädigt wird und um eine alternative Probeentnahmemöglichkeit zu haben, hat der Lander einen mechanischen Arm mit einer kleinen Baggerschaufel am Ende.[37] Der Arm wurde in Harbin für Regolith-Proben von der Mondoberfläche entwickelt.[40] Jede Schaufel voll Regolith wird am vorderen Ende des Arms zunächst mit einem Rüttel- und Trennmechanismus einzeln verpackt und dann in einem Probenaufnahmebehälter direkt dahinter untergebracht. So wird sichergestellt, dass die Proben von verschiedenen Stellen im Umkreis des Landers nicht miteinander in Kontakt kommen. Wenn der Probenaufnahmebehälter voll ist, wird der gesamte Mechanismus in die Aufstiegsstufe gehoben und am Schaufelgelenk vom Arm abgetrennt.

Das Mengenverhältnis der mit der Baggerschaufel gesammelten Oberflächenproben zum erbohrten Material soll etwa 3:1 betragen,[41] 1,5 kg Oberflächenmaterial und 0,5 kg Material aus den tieferen Schichten. Hierbei handelt es sich um Maximalmengen, die mit der gegebenen Schubkraft der Triebwerke in den Mondorbit befördert werden können. Falls sich beim Einsammeln der Bodenproben Probleme ergeben, würde man sich auch mit geringeren Mengen zufriedengeben, um die Mission nicht zu gefährden.[16]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. China startet Mondrakete zu historischer Mission. In: DER SPIEGEL. 23. November 2020, abgerufen am 24. November 2020.
  2. Stephen Clark: Live coverage: China launches lunar sample return mission – Spaceflight Now. Abgerufen am 24. November 2020 (amerikanisches Englisch).
  3. a b c David R. Williams: Future Chinese Lunar Missions. In: nssdc.gsfc.nasa.gov. 12. Dezember 2019, abgerufen am 13. März 2020 (englisch).
  4. a b c 九天揽月星河阔,十六春秋绕落回——中国探月工程三步走战略. In: clep.org.cn. 13. November 2020, abgerufen am 19. November 2020 (chinesisch).
  5. a b Smriti Mallapaty: China set to retrieve first Moon rocks in 40 years. In: nature.com. 5. November 2020, abgerufen am 22. November 2020 (englisch).
  6. a b c 嫦娥五号即将升空 “挖土”之旅或可改写月球历史. In: clep.org.cn. 19. November 2020, abgerufen am 22. November 2020 (chinesisch).
  7. a b 索阿娣、赵聪: 5.4吨推进剂如何注入中国史上最复杂航天器? In: guancha.cn. 26. November 2020, abgerufen am 26. November 2020 (chinesisch).
  8. 张佳星: 中国探月工程首任首席科学家:AI将助嫦娥五号铲取月壤. In: xinhuanet.com. 8. Juli 2019, abgerufen am 13. März 2020 (chinesisch).
  9. Chang’e 5 test mission. Spaceflight101.com. 2017. Abgerufen am 17. Dezember 2017.
  10. 航天领域一批国家重点工程稳步推进. In: spaceflightfans.cn. 12. März 2020, abgerufen am 13. März 2020 (chinesisch).
  11. 王海露: “大火箭”发射“嫦娥五号”为何选在凌晨. In: spaceflightfans.cn. 26. November 2020, abgerufen am 26. November 2020 (chinesisch).
  12. a b c Thomas Burghardt: China launches world’s first lunar sample return mission since 1976. In: nasaspaceflight.com. 23. November 2020, abgerufen am 24. November 2020 (englisch).
  13. 嫦娥五号探测器完成第一次轨道修正. In: clep.org.cn. 24. November 2020, abgerufen am 25. November 2020 (chinesisch).
  14. 嫦娥五号探测器完成第二次轨道修正. In: clep.org.cn. 25. November 2020, abgerufen am 26. November 2020 (chinesisch).
  15. 嫦娥五号探测器成功实施“刹车”制动 顺利进入环月轨道飞行. In: cnsa.gov.cn. 28. November 2020, abgerufen am 28. November 2020 (chinesisch).
  16. a b c 崔霞 et al.: 嫦娥五号,重大进展! In: spaceflightfans.cn. 28. November 2020, abgerufen am 29. November 2020 (chinesisch).
  17. 嫦娥五号探测器再次实施制动 进入近圆形环月轨道飞行. In: cnsa.gov.cn. 29. November 2020, abgerufen am 29. November 2020 (chinesisch).
  18. 嫦娥五号探测器组合体成功分离 将择机实施月面软着陆. In: clep.org.cn. 30. November 2020, abgerufen am 30. November 2020 (chinesisch).
  19. a b Qian Yuqi, James W. Head et al.: The regolith properties of the Chang’e-5 landing region and the ground drilling experiments using lunar regolith simulants. (PDF; 3,6 MB) In: spaceflightfans.cn. 30. Oktober 2019, abgerufen am 1. November 2020 (englisch).
  20. a b c d 张宇、高舰: 史上最难?五妹的11个飞行阶段了解一下. In: spaceflightfans.cn. 30. November 2020, abgerufen am 30. November 2020 (chinesisch).
  21. China's Chang'e-5 probe to execute soft landing on the moon. In: news.cgtn.com. 30. November 2020, abgerufen am 30. November 2020 (englisch).
  22. 长征五号 • 嫦娥五号探测器 • Long March 5 • Chang’e 5 Lunar Exploration Mission. In: spaceflightfans.cn. 19. November 2020, abgerufen am 21. November 2020 (englisch). Enthält Video vom Missionsablauf.
  23. 王玓瑭: 嫦娥五号的“太空邮差”是怎么练成的? In: spaceflightfans.cn. 26. November 2020, abgerufen am 26. November 2020 (chinesisch). Enthält Video vom Probentransfermechanismus.
  24. ESA tracks Chang’e-5 Moon mission. In: esa.int. 18. November 2020, abgerufen am 23. November 2020 (englisch).
  25. 嫦娥五号任务看点解读系列之一. In: clep.org.cn. 24. November 2020, abgerufen am 25. November 2020 (chinesisch).
  26. CCTV纪录: 《创新中国》 第五集 空海. In: youtube.com. 26. Januar 2018, abgerufen am 14. März 2020 (chinesisch). 11:30.
  27. Chang’e 5 Spacecraft Overview. In: spaceflight101.com. Abgerufen am 14. März 2020 (englisch).
  28. Helga Rietz: Schwebender Staub auf dem Mond. In: deutschlandfunk.de. 1. August 2012, abgerufen am 14. März 2020.
  29. Zhao Lei: New rocket engines in making for moon, Mars. In: global.chinadaily.com.cn. 20. März 2019, abgerufen am 14. März 2020 (englisch).
  30. Chinese Long March Rocket successfully launches Lunar Return Demonstrator. Spaceflight101. 23. Oktober 2014.
  31. China launches test return orbiter for lunar mission. Xinhuanet. 24. Oktober 2014.
  32. 张素、蔡金曼: 中国探月再入返回飞行器服务舱飞抵地月L2点. In: chinanews.com. 29. November 2014, abgerufen am 17. Mai 2019 (chinesisch).
  33. Chang’e 5 Test Mission Updates. In: spaceflight101.net. 9. März 2015, abgerufen am 17. Mai 2019 (englisch).
  34. Xiao Yuan, Su Yan, Li Chunlai et al.: Ground experiments of Chang’e-5 lunar regolith penetrating radar. (PDF; 6,2 MB) In: spaceflightfans.cn. 1. Februar 2019, abgerufen am 1. November 2020 (englisch).
  35. 汤娅: 2019年中国航天大会宇航先进材料与制造专业论坛暨第六届航天工程和高性能材料需求与应用高端论坛会议通知. In: csaspace.org.cn. 18. April 2019, abgerufen am 14. März 2020 (chinesisch).
  36. Chen Tao et al.: Modeling and experimental investigation of drilling into lunar soils. In: amm.shu.edu.cn. 13. September 2019, abgerufen am 1. November 2020 (englisch).
  37. a b 索阿娣、郑恩红: 嫦五独家揭秘:只采样可以更简单,但为了验证未来…… In: thepaper.cn. 24. November 2020, abgerufen am 25. November 2020 (chinesisch).
  38. Jiang Shengyuan, Tang Junyue et al.: Control system for a drilling & coring device in lunar exploration. In: researchgate.net. Abgerufen am 13. März 2020 (englisch).
  39. Chang’e 5 Spacecraft Overview. In: spaceflight101.com. Abgerufen am 13. März 2020 (englisch).
  40. 科学认识君: 我国年底将发射嫦娥五号并采样返回,2030年能实现载人登月? In: xw.qq.com. 12. September 2019, abgerufen am 13. März 2020 (chinesisch).
  41. 张素: “嫦娥五号”2017年择机发射 揭秘五大看点. In: chinanews.com. 2. März 2017, abgerufen am 13. März 2020 (chinesisch).