Die Macht der Mondforschung entschlüsseln! Welche Triebwerke wurden bei der Erkundungsmission Chang'e-6 verwendet?

Am 12. Juli 2024 hielt Wu Baoyuan, ein Forscher an der China Academy of Aerospace Propulsion Technology, auf der Shaanxi-Sonderveranstaltung des China Starry Sky Science Forum „Den Sternenhimmel erkunden und die Zukunft berühren“ eine Rede mit dem Titel „Die Kraft von Chang'e 6 entschlüsseln“.

Bei der Erkundungsmission Chang'e-6 haben Menschen zum ersten Mal Proben auf der Rückseite des Mondes gesammelt. Es handelt sich um die am stärksten integrierte Mission im Raumfahrtprogramm meines Landes und um einen wichtigen Meilenstein in der weltweiten Raumfahrtindustrie. Bei dieser Mission kamen 107 Triebwerke zum Einsatz, bei denen es sich ausschließlich um Flüssigkeitsraketentriebwerke handelte.

Transportfahrzeuge verfügen im Allgemeinen über relativ wenige Motoren. Ein Auto hat beispielsweise einen Motor, während ein Flugzeug im Allgemeinen nicht mehr als vier Triebwerke hat. Warum wurden bei der Chang'e-6-Mission 107 Triebwerke eingesetzt?

Schauen wir uns zunächst das Antriebsprinzip von Raketentriebwerken an.

Wie treiben Raketentriebwerke Raketen an?

Die Antriebsprinzipien der verschiedenen Motoren sind recht unterschiedlich.

Beispielsweise bewegt sich ein Auto, indem es mit seinem Motor die Reifen antreibt, die auf den Boden einwirken und so eine Reaktionskraft erzeugen. Sein Merkmal ist, dass es auf ein drittes Objekt einwirkt; Während das Turbostrahltriebwerk eines Flugzeugs Schub erzeugt, indem es durch den Ausstoß von Gas eine Reaktionskraft erzeugt, ist seine Eigenschaft, dass es durch den Ausstoß von Gas eine Reaktionskraft erzeugt. In dieser Hinsicht ähnelt eine Rakete eher einem Flugzeug.

Aus der Perspektive von Aktion und Reaktion: Wenn wir gehen, drücken wir mit unseren Füßen vom Boden ab, um Kraft zu gewinnen. wenn wir von einem Stuhl aufstehen, stützen wir uns mit den Händen an den Armlehnen des Stuhls ab, um Druckkraft zu erzeugen; Wenn ein Flugzeug eine Kurve fliegt, erhält es die entsprechende Kraft, indem es die Querruder, Höhenruder und Seitenruder betätigt, um auf die schnelle Luft einzuwirken.

In allen diesen Beispielen gibt es ein drittes Objekt, etwa den Boden, die Armlehnen eines Stuhls oder die Luft, und der bewegte Körper erhält eine Reaktionskraft, indem er auf die Außenwelt einwirkt. Im Weltraum gibt es, genau wie bei den Astronauten in den Filmen, kein drittes Objekt und daher auch keine Kraft, auf die man Kraft ausüben könnte. Die einzige Möglichkeit besteht darin, durch Ausstrecken der Arme des Raumanzugs die Reaktion als Antrieb zu erhalten.

Im Allgemeinen können wir den Vorgang der Strahlschuberzeugung folgendermaßen verstehen: Wenn es in der Außenwelt kein Objekt gibt, erzeugen wir ein solches Objekt und wirken auf dieses ein, um Antrieb zu erhalten, und dieses ausgestoßene Objekt wird als „Arbeitsflüssigkeit“ bezeichnet. Derzeit erfolgt der gesamte Antrieb mit „Arbeitsflüssigkeit“, während Antrieb ohne „Arbeitsflüssigkeit“ schon immer ein Science-Fiction-Thema war.

Das Arbeitsmedium eines Raketentriebwerks ist das ausgestoßene Verbrennungsgas mit hoher Temperatur. Seine Energie stammt aus der chemischen Energie, die im Kraftstoff und im Oxidationsmittel enthalten ist, und Kraftstoff und Oxidationsmittel sind die Treibmittel des Motors. Die Austrittsgeschwindigkeit eines Flüssigkeitsraketentriebwerks liegt im Allgemeinen zwischen 3000 und 4500 m/s. Je schneller die Austrittsgeschwindigkeit, desto höher die Leistung.

Wie wird diese Energie allmählich freigesetzt und treibt die Erledigung der Aufgabe voran?

Aus Sicht des Triebwerkenergieverbrauchs besteht die Chang'e-6-Mission aus sechs Hauptphasen:

Die erste Stufe: Die Trägerrakete wird in die Erde-Mond-Transferbahn gebracht. Die Flugzeit beträgt 2210 Sekunden und etwa 99 % der Energie werden freigesetzt.

Die zweite Phase: Erde-Mond-Transfer und Abbremsen in Mondnähe, 5-tägiger Flug, Freisetzung von etwa 30 % des verbleibenden 1 %;

Die dritte Phase: Landung auf dem Mond, 900 Sekunden Flugzeit, Ablassen von etwa 40 % der verbleibenden Sekunden;

Die vierte Phase: Von der Mondoberfläche aufsteigen, 360 Sekunden fliegen und etwa 10 % der verbleibenden Zeit freigeben;

Die fünfte Phase: Transfer vom Mond zur Erde, 5 Tage Flug, etwa 20 % der verbleibenden Tage werden freigesetzt;

Die sechste Phase: Wiedereintritt und Wasserrückgewinnung (Returner), der Energieverbrauch ist vernachlässigbar.

Aus der Perspektive des Energieverbrauchs ist das Überraschendste an der Chang'e-6-Mission, dass 99 % der Energie dafür verwendet wurden, die Sonde in die Erde-Mond-Transferbahn zu bringen. Aus dieser Perspektive ist es äußerst schwierig, der Schwerkraft der Erde zu entkommen und in den Weltraum vorzudringen. Darüber hinaus werden 99 % der Energie innerhalb von 37 Minuten freigesetzt, was die enorme Leistungsdichte von Flüssigkeitsraketentriebwerken deutlich macht.

Die Leistungsdichte ist die pro Masseneinheit (oder Volumen) pro Zeiteinheit freigesetzte Energie. Schätzungen zufolge entspricht die Leistung der Langer Marsch 5 beim Start der von drei Drei-Schluchten-Staudämmen bei voller Kapazität. Und die Leistung eines einzelnen 120-Tonnen-Flüssigsauerstoff-Kerosin-Motors ist höher als die des Wasserkraftwerks Gezhouba und des Kernkraftwerks Taishan.

Die drei markantesten Triebwerke der Chang'e-6-Mission

Hier sind die drei markantesten Motoren, die bei dieser Mission verwendet wurden.

Unter ihnen ist der 120 Tonnen schwere Flüssigsauerstoff-Kerosin-Motor der Motor mit der größten Schubkraft, der in China im Einsatz ist. Es verwendet flüssigen Sauerstoff und Kerosin als Treibmittel und bietet die Vorteile eines hohen spezifischen Impulses, einer guten Speicherleistung und eines umweltfreundlichen Betriebs. Es ist das Rückgrat der neuen Generation von Trägerraketen meines Landes. Die Treibstoffdurchflussrate des einzelnen Motors übersteigt 400 kg/s, was einem Kraftstoffverbrauch von 140 Litern pro Sekunde entspricht und ausreicht, um ein gewöhnliches Familienauto dreimal zu betanken. Die Trägerstufe der Rakete „Langer Marsch 5“ verwendet acht dieser Triebwerke und erzeugt damit 960 Tonnen Schub. Außerdem fühle ich mich geehrt, während des gesamten Prozesses an der Entwicklung dieses Motors beteiligt gewesen zu sein.

Der zweite Typ, der 7500N-Motor mit variablem Schub, kann als der verdienstvolle Motor des Chang'e-Projekts bezeichnet werden. Es kann eine kontinuierliche Schubänderung von 7500N bis 1500N erreicht werden. Diese Fähigkeit ist für die Durchführung komplexer Weltraummissionen von entscheidender Bedeutung und auch der Schlüssel zur Landung der Sonde auf der Mondoberfläche. Dieses Triebwerk stellt Chinas unabhängige Innovationsfähigkeit im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnologie dar, füllt die Lücke im inländischen Bereich der Triebwerke mit variablem Schub und hat mit seiner Gesamtleistung das weltweit führende Niveau erreicht. Damit bietet es eine solide technische Garantie für die Erkundungsmissionen meines Landes in den Tiefen des Weltraums. Bei der Erkundungsmission Chang'e-6 wurde am Lander ein 7500N-Triebwerk mit variablem Schub installiert, um der Lander-/Aufstiegsmodul-Kombination eine sanfte Landung auf der Mondoberfläche zu ermöglichen. Die Laufzeit betrug insgesamt 900 Sekunden und der Verbrauch betrug fast zwei Tonnen Treibstoff.

Der dritte Typ, der 3000N-Motor, zeichnet sich durch hohe Leistung, hohe Zuverlässigkeit, geringes Gewicht und Kompaktheit aus. Es ist in der Lage, in komplexen Weltraumumgebungen mehrere Male zu starten und kann groß angelegte Transfers zwischen Erde und Mond sowie zwischen Mond und Erde sowie Starts und Abflüge von der Mondoberfläche begleiten. Während der Erkundungsmission Chang'e-6 wurde im Orbiter ein 3000N-Triebwerk installiert. Es wurde während des gesamten Missionszyklus für Bahnänderungen und zum Abbremsen in Mond- und Erdnähe verwendet. Es wurde mehrmals gestartet und verbrauchte fast 2 Tonnen Treibstoff. Der andere Motor wurde am Aufstiegsgerät für den Start von der Mondoberfläche installiert. Die Betriebsdauer betrug insgesamt 360 Sekunden und der Verbrauch betrug knapp 400 Kilogramm Treibstoff.

Darüber hinaus wurden bei der Chang'e-6-Mission auch relativ viele Lageregelungstriebwerke eingebaut und eingesetzt. Zusätzlich zur Zweitstufenrakete von „Langer Marsch 5“, die über vier 300N-, vier 150N- und zwei 60N-Triebwerke verfügt, sind die vier Abschnitte der Chang'e-6-Sonde (Orbiter, Rückkehrer, Lander und Aufsteiger) auch mit einer Reihe von Lageregelungstriebwerken mit Schubkräften von 150N, 120N, 25N und 10N ausgestattet.

Warum werden bei der Erkundungsmission Chang'e-6 Hunderte von Triebwerken eingesetzt?

Jetzt können wir die ursprüngliche Frage beantworten: Warum werden bei der Erkundungsmission Chang'e-6 Hunderte von Triebwerken eingesetzt?

Dies lässt sich aus zwei Aspekten verstehen:

Einerseits ist die Rakete in drei Stufen unterteilt, und die Chang'e-Baugruppe ist in vier Teile unterteilt. Das Gewicht, das der Motor heben muss, variiert fast tausendmal. Jedes Teil erfordert ein unabhängiges Motorsystem und die Schubanforderungen und Verwendungsmethoden variieren stark, sodass es viele Arten von Motoren gibt.

Andererseits erfordert die Lageregelung in verschiedenen Flugsegmenten Triebwerke in unterschiedlichen Richtungen, um dies zu gewährleisten. Dies lässt sich anhand der Lageregelung eines Flugzeugs während des Fluges verstehen: Die Schwankungsbreite von Gewicht und Geschwindigkeit des Flugzeugs ist gering. Zur Steuerung der Fluglage wird neben dem Triebwerk eine Kombination verschiedener aerodynamischer Bauteile wie Querruder, Landeklappen, Vorflügel, Spoiler etc. eingesetzt. Zusätzlich zum Haupttriebwerk zur Geschwindigkeitsregelung benötigt das Raumfahrzeug auch eine Kombination von Triebwerken zur Fluglagenregelung. Beispielsweise verfügt der Orbiter über 8 50N-, 18 25N- und 12 10N-Triebwerke, insgesamt also 38 Triebwerke; Der Ascender verfügt über 8 120N- und 12 10N-Motoren, insgesamt also 20 Motoren.

Man kann sagen, dass Luft- und Raumfahrtmotoren vielfältig und wandelbar sein werden.

Autor: Wu Baoyuan, Forscher am Institut für Luft- und Raumfahrtantriebstechnik