Lassen Sie uns zum dritten Jahrestag der Landung auf dem Mars die spannenden 9 Minuten der Landung von Tianwen-1 auf dem Mars Revue passieren lassen

Am 15. Mai 2021 um 7:18 Uhr landete die chinesische Sonde Tianwen-1 stabil auf der Utopia-Ebene in der nördlichen Hemisphäre des Mars. Zu diesem Zeitpunkt hat die erste Marserkundungsmission meines Landes die gefährlichste Phase erfolgreich hinter sich gebracht – die „aufregenden 9 Minuten“ vom Eintritt in die Marsatmosphäre bis zur Landung auf der Marsoberfläche. Die erfolgreiche Landung von „Tianwen-1“ bedeutet, dass mein Land das zweite Land der Welt ist, dem eine Raumsonde erfolgreich auf dem Mars gelandet ist.

Schematische Darstellung des ins Feuer fallenden Tianwen-1

Welche Vorbereitungen hat Tianwen-1 für die Landung getroffen?

Am 15. Mai 2021 gegen 4 Uhr morgens verabschiedeten sich die „zwei Brüder“ im Sondensystem Tianwen-1 über dem Mars endgültig voneinander – nach 295 Tagen Kameradschaft trennten sich Orbiter und Lander mit dem Marsrover Zhurong offiziell.

Simulationsdiagramm der Trennung von Lander und Orbiter Tianwen-1

Anschließend erhöhte der Orbiter seine Umlaufbahn und startete eine neue Mission: den Bau einer Kommunikationsbrücke zwischen Mars und Erde.

Zu diesem Zeitpunkt startete der Lander allein. Es korrigierte seine Fluglage, wobei sein Hitzeschild nach vorne zeigte, und glitt entlang der Flugbahn in die Marsatmosphäre, wobei es auf den schmalen „Korridor“ zum Eintritt in die Marsatmosphäre zielte. Drei Stunden später trat es in die Marsatmosphäre ein und läutete damit den aufregendsten Moment der gesamten Marserkundungsmission ein. Nach einer Prüfung auf Leben und Tod wird es China sein, das zum ersten Mal das Kunststück vollbringen wird, auf dem Mars zu landen.

Anpassung der Fluglage vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre

„Tianwen-1“ ist 320 Millionen Kilometer von seiner Heimatstadt entfernt und ist damit der am weitesten gereiste chinesische Reisende. Es startete am 23. Juli 2020 in Wenchang, Hainan, und war 295 Tage unterwegs. In diesen Tagen hat es seinen Selfie-Stick erhoben, um Bilder vom tiefen Himmel zu machen und dem Mutterland Sicherheit zu melden. Es hat auch auf seine Heimat zurückgeblickt, um Bilder von der Erde und dem Mond zu machen und so seinem Heimweh aus der Ferne Ausdruck zu verleihen. Am wichtigsten ist jedoch, dass die Sonde ihre Flugbahn mehrmals korrigiert hat und nun präziser auf den Mars zusteuert.

Am 24. Februar 2021 führte es die „schwierigste“ Weltraumbremsung der Geschichte durch – durch drei Bremsmanöver in Marsnähe gelangte es erfolgreich in die Umlaufbahn des Mars und flog reibungslos zum Mars. Wie schwierig ist es, beim Bremsen am Himmel über dem Mars die richtige Balance zu finden? Wissenschaftler sagen, es sei, als würde man einen Golfball aus Paris schlagen und ihn in einem Loch in Tokio landen lassen.

Nach der Ankunft über dem Mars landete Tianwen-1 nicht sofort, sondern flog mehrere Monate lang um den Mars herum. Das Wichtigste für Chinas erste Marserkundung ist der Erfolg, daher hat sich Tianwen-1 für den sichersten Modus entschieden: „Erst umkreisen und dann landen.“

Du Yang, stellvertretender Chefdesigner des Tianwen-1-Orbiters, erklärte, dass mein Land vor der Erkundungsmission Tianwen-1 keine Daten aus erster Hand über die Marsumgebung hatte und mit der Topographie, den Wetterbedingungen und anderen Aspekten des Mars nicht vertraut war. Bei dieser Mission wurden auf Grundlage der weltweit öffentlich verfügbaren Daten im Rahmen der Missionsplanung zunächst ein bevorzugter Landebereich und ein alternativer Landebereich vorab ausgewählt und die vorab ausgewählten Landeplätze durch eine Umlaufbahn um den Mars erkundet.

Fast drei Monate lang flog Tianwen-1 in seiner Parkumlaufbahn um den Mars im Kreis und behielt dabei ständig seinen Landeplatz, Utopia Planitia, aus der Vogelperspektive im Blick. Mithilfe der mitgeführten Kamera und des Spektrometers kann es die Topographie des Mars erkennen, die saisonalen Trends der Marsstaubstürme überwachen und die Hänge und Gruben des Landegebiets erkennen.

Basierend auf den neuesten Beobachtungen verbesserten die Forscher den Marslandeplan kontinuierlich, vermieden das raue Marswetter und wählten einen „sonnigen“ Tag für die Umsetzung des Marslandeplans.

Wie konnte Tianwen-1 während des Landevorgangs gefährliche Hindernisse selbstständig überwinden ?

Mit der Trennung der beiden Brüder von „Tianwen-1“ im Beijing Aerospace Flight Control Center begann auch für die wissenschaftlichen Forscher die letzte arbeitsreiche Zeit. Bald steht der Lander vor der Herausforderung, auf dem Mars zu landen. Während dieser Zeit wird das Signal durch die Plasmahülle unterbrochen und Tianwen-1 verliert für kurze Zeit den Kontakt. Alle Schwierigkeiten können nur von Lander und Rover unabhängig voneinander bewältigt werden.

In diesem Moment sind die Mitarbeiter der Luft- und Raumfahrtwissenschaft und -technologie wie ein Ehemann, dessen Frau gerade in den Kreißsaal kommt und der vor der Tür wartet. Er kann nicht viel tun, aber seine Aufregung und Nervosität kann er nicht unterdrücken.

Die Marslandung ist als „schwarze 7 Minuten“ bekannt und geht auf die US-amerikanische Marserkundungsmission zurück. Es zeigt sich, dass der Landevorgang voller Gefahren ist, die genaue Dauer jedoch variiert. Geng Yan, Direktor der Abteilung für Weltraumerkundung des Zentrums für Monderkundung und Weltraumtechnik der Nationalen Raumfahrtbehörde, erklärte, dass bei Chinas Tianwen-1-Mission der gesamte Prozess vom Eintritt der Sonde in die Atmosphäre bis zur Landung auf dem Mars voraussichtlich neun Minuten dauern werde.

Die dünne Atmosphärenbarriere des Mars hat den Tod mehrerer menschlicher Sonden verursacht. Das Eintauchen in eine unbekannte atmosphärische Umgebung ist der Hauptgrund für das Scheitern der Landung von mehr als der Hälfte aller Marssonden weltweit. Bevor Tianwen-1 diese Ehre erhielt, musste es sich einem grausamen Test unterziehen, wie man ihn weltweit nur selten erlebt.

Obwohl mein Land nicht auf dem Mars gelandet ist, verfügt es tatsächlich über eine ähnliche technische Grundlage. Die Raumfahrzeuge der Shenzhou-Serie meines Landes sind schon viele Male erfolgreich aus dem Weltraum zur Erde zurückgekehrt und auch die Sonden der Chang'e-Serie sind mehrere Male sanft auf dem Mond gelandet. Dies bedeutet, dass mein Land Technologien wie die Fallschirmverzögerung und die motorisierte Schubumkehrverzögerung beherrscht.

Aber können diese Technologien auf die Landung auf dem Mars übertragen werden? Die Antwort ist nein.

Dies ist hauptsächlich auf die Besonderheiten der Marsatmosphäre zurückzuführen. Der Mars hat eine dünne Atmosphäre, was bedeutet, dass man sich bei einer Landung auf dem Mars im Vergleich zu einer Landung auf dem Mond nicht allein auf die Schubumkehr verlassen kann. Darüber hinaus sind zusätzliche aerodynamische Verzögerungen und Fallschirmverzögerungen erforderlich, was die Landesteuerung komplizierter macht. Obwohl auch die Erde eine Atmosphäre hat, unterscheidet sie sich von der des Mars. Nach den derzeit verfügbaren Informationen kommt es auf der Marsoberfläche häufig zu Sand- und Staubstürmen, die eine Landung auf dem Mars fatal behindern können. Über ihre genauen Funktionsweisen ist jedoch nur sehr wenig bekannt.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Sonde beim gefährlichsten Schritt der Marserkundung, der Landung, den Kontakt zur Erde vollständig verliert. Wang Chuang, Chefdesigner des Marsrovers, erklärte, dass beim Wiedereintritt des Rovers mit hoher Geschwindigkeit zunächst der Druck der dünnen Atmosphäre eine Stoßwelle erzeugte und eine Plasmahülle bildete, die zu einer Unterbrechung der Kommunikation führte. Zweitens beträgt die Entfernung zwischen Mars und Erde 320 Millionen Kilometer, sodass das Funksignal für die Hin- und Rückübertragung 35 Minuten benötigt, der Landevorgang jedoch nur wenige Minuten dauert und der Mensch keine Zeit hat, einzugreifen.

Wie konnte Tianwen-1 in weniger als 10 Minuten von 20.000 Kilometern pro Stunde auf null abbremsen ?

Gegen 7 Uhr flogen die Landesonde und der Rover Tianwen-1 in die Marsatmosphäre und die „aufregenden 9 Minuten“ begannen. Bei den bisherigen Versuchen der Menschheit, auf dem Mars zu landen, waren nur die USA neun Mal erfolgreich. Die sowjetische Mars 3 verlor 20 Sekunden nach der Landung den Kontakt, alle weiteren Versuche schlugen fehl. Jetzt kommt das chinesische Team auf die Strecke.

Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20.000 Kilometern pro Stunde raste die Landesonde auf den Mars zu, was etwa dem 70-fachen der Geschwindigkeit der Hochgeschwindigkeitsbahn „Harmony“ entspricht. Es dauert weniger als 10 Minuten, um aus der Luft über dem Mars die Oberfläche des Mars zu erreichen. Wie kann die Geschwindigkeit in so kurzer Zeit von 20.000 Kilometern auf Null reduziert werden? Das ultimative Mittel, um auf dem Mars zu landen, ist die Verlangsamung.

Die Marslandung der Mission Tianwen-1 ist in vier Phasen unterteilt: aerodynamische Verzögerungsphase, Fallschirmverzögerungsphase, Kraftverzögerungsphase und Phase der Vermeidung schwebender Hindernisse und des langsamen Abstiegs. „Der Landevorgang auf dem Mars ist komplex und umfasst viele Aktionen, die eng miteinander verknüpft sind und bei jedem Schritt spannend sind. Wenn eine einzige Aktion schiefgeht, ist der gesamte Prozess verloren“, sagte Geng Yan.

Die erste Phase ist die aerodynamische Verzögerungsphase, in der die vorhandene dünne Atmosphäre des Mars Reibung mit der Eintrittskapsel erzeugt, um eine Verzögerung zu erreichen. Der Lander ist in der Eintrittskapsel installiert, die in eine hintere Abdeckung und einen großen Boden unterteilt ist. Der große Boden ist eine schildförmige Struktur. Beim Einflug in die Atmosphäre wird die große Unterseite nach unten geneigt, um Aufprall und Ablation zu widerstehen. Das Forschungs- und Entwicklungsteam der China Aerospace Science and Technology Corporation führte eine große Zahl von Windkanaltests durch, beginnend mit der Sammlung grundlegender Daten, und schloss schließlich die Forschung und das Design der aerodynamischen Form und des Wärmeschutzes der Eingangskabine ab.

Eintritt in die Marsatmosphäre und Nutzung der Atmosphäre zur Verlangsamung

Geng Yan erläuterte, dass einer der Schritte in der aerodynamischen Verzögerungsphase darin besteht, die Trimmflügel einzusetzen, deren Zweck darin besteht, das Schütteln der Sonde zu verringern und bessere Bedingungen für das anschließende Öffnen des Fallschirms zu schaffen.

Der aerodynamische Verzögerungsprozess überwand die hohe Temperatur und die Lageabweichung. Nach einer Verzögerung von etwa 5 Minuten verringerte sich die Sinkgeschwindigkeit des Landerovers um etwa 90 % auf etwa 460 Meter pro Sekunde. Zu diesem Zeitpunkt war die Landesonde etwa 11 Kilometer von der Marsoberfläche entfernt und die Landung begann mit der zweiten Phase – der Fallschirm-Verzögerungsphase.

Verzögerungsabschnitt des Fallschirmsystems

„Wenn der Fallschirm erfolgreich geöffnet werden kann, ist die Marslandung zu 90 Prozent erfolgreich“, sagte Geng Yan.

Der Öffnungsvorgang des Fallschirms ist sehr raffiniert. Der Fallschirm ist in einem Kanister von der Größe eines eintürigen Kühlschranks untergebracht, der direkt unter der Einstiegsluke montiert ist. Nach Erhalt des Zündbefehls vom Steuersystem zündet das Schießpulver im Fallschirmrohr und das erzeugte Hochdruckgas drückt den Fallschirmpaket durch die Rohrabdeckung und fliegt in die Kabine. Anschließend entfaltet sich der Fallschirm in umgekehrter Weise. Bei diesem Fallschirm handelt es sich um einen zickzackförmigen Fallschirm, der in meinem Land zum ersten Mal vorgestellt wurde und eine entfaltete Fläche von 200 Quadratmetern hat. Bald war er vollständig aufgeblasen und die 48 gelben Fallschirmseile wurden gerade gezogen.

Huang Wei, Chefingenieur des 508. Instituts der China Academy of Space Technology der China Aerospace Science and Technology Corporation, erklärte, dass mein Land für eine Landung auf dem Mars zum ersten Mal seinen Fallschirm bei Überschallgeschwindigkeit, geringer Dichte und geringem dynamischen Druck öffnen müsse. Bisherige Fallschirme für Raumfahrzeuge sind für den Einsatz auf dem Mars nicht geeignet, entweder weil sie das stabile Aufblasen des Fallschirms bei Überschallgeschwindigkeit nicht abschließen können oder weil sie die Stabilitätsanforderungen unter Bedingungen geringer Dichte und niedrigen dynamischen Drucks nicht erfüllen.

Für die Marserkundungsmission entwarfen und verwendeten die Fallschirmkonstrukteure erstmals einen Fallschirm mit Zickzack-Naht, verwendeten ein neu entwickeltes spezielles Textilmaterial und verbesserten den Spleißprozess des Fallschirmseils, um die Festigkeit und Zuverlässigkeit des Fallschirms zu verbessern.

Als sich der riesige rot-weiße Fallschirm entfaltete, verlangsamte sich der Abstieg des Landers. Dann wurde der Boden der Eingangskabine weggeschleudert und die Landeplattform mit dem Marsrover Zhurong kam als erste dem Mars direkt entgegen.

„Wie ist die Zhurong sicher auf dem Mars gelandet?“

Der Fallschirm reduzierte die Geschwindigkeit auf etwa 95 Meter pro Sekunde und der Lander war 1 bis 2 Kilometer von der Marsoberfläche entfernt. Zu diesem Zeitpunkt löste sich der Fallschirm, der die hintere Abdeckung der Eintrittskapsel trug, vom Landegerät. „Zhurong“ streckte seinen Kopf heraus und atmete die frische Luft auf dem Mars.

Aber die Landung ist noch nicht beendet und der aufregende Moment noch nicht vorbei. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das Antriebssystem die Führung zu übernehmen und die Marslandung tritt in die dritte Phase ein – die Phase der Leistungsverzögerung.

Leistungsreduzierungsabschnitt

Han Quandong, Chefdesigner des Antriebssubsystems für Lande- und Rover Tianwen-1, stellte vor, dass Lande- und Rover mit einem 7.500-Newton-Triebwerk mit variablem Schub und 26 Lageregelungstriebwerken ausgestattet seien. Darunter ist der 7500N-Motor mit variablem Schub direkt unter der Landeplattform installiert und liefert die Hauptkraft für die Verzögerung in dieser Phase. 8 250N-Motoren arbeiten in der gleichen Richtung wie der Hauptmotor und arbeiten mit dem Hauptmotor zusammen, um eine Verzögerung zu erzielen. 8 horizontal eingebaute 250N-Motoren können zur seitlichen Translation verwendet werden; Die verbleibenden Lageregelungstriebwerke dienen der präzisen Lageregelung.

Durch die Einwirkung mehrerer Triebwerke verringerte sich die Sinkgeschwindigkeit bei der Landung von etwa 95 Metern pro Sekunde auf etwa 1,5 Meter pro Sekunde.

Als die Landesonde 100 Meter von der Marsoberfläche entfernt war, schwebte sie, aber es war noch nicht Zeit zum Ausruhen. Der Landevorgang auf dem Mars trat in die letzte Phase ein – das Ausweichen vor Hindernissen im Schwebeflug und der langsame Abstieg.

Die Art und Weise, wie die Menschen bei ihrer Erkundung des Mars langsamer werden, ist im Großen und Ganzen ähnlich, doch im letzten Schritt, wenn sie sich in Reichweite des Mars befinden, beginnen sich die Methoden zu unterscheiden. Wenn man in die Vergangenheit zurückblickt, kann der letzte Schritt grob in den Typ mit Airbag-Aufprall, den Typ mit umgekehrtem Schublandebein und den Typ mit Luftkran unterteilt werden.

Laut dem Luft- und Raumfahrtexperten Pang Zhihao ist der Airbag-Rebound-Typ für die Landeanforderungen von Sonden mit geringem Gewicht geeignet, der Landebeintyp mit umgekehrtem Schub kann die Anforderungen an eine weiche Landung schwererer Sonden auf dem Mars erfüllen und der Luftkrantyp kann die Anforderungen an eine weiche Landung noch schwererer Sonden erfüllen.

Die Landesonde und der Rover Tianwen-1 meines Landes nutzten für die sanfte Landung auf der Marsoberfläche eine Methode mit umgekehrtem Schub, ähnlich der Art und Weise, wie die Mondforschungsprojekte meines Landes Chang'e-3 und Chang'e-4 auf dem Mond landeten.

Wang Chuang erklärte, dass nach dem Schweben in der Luft sechs vom Lander mitgeführte Instrumente, darunter Mikrowellen-Entfernungsmesser, Geschwindigkeitssensoren und optische Kameras, gleichzeitig eingeschaltet wurden, um die Oberfläche des Mars zu beobachten und zu analysieren und so festzustellen, wo die Marsoberfläche flacher ist und wo eine „Landung“ sicherer ist.

Auch dieser Schritt ist entscheidend. Wenn der Landeplatz nicht gut gewählt ist, können alle bisherigen Bemühungen umsonst gewesen sein. „In einer Höhe von 100 Metern können wir das Landegelände genau einschätzen und erkennen, ob es dort große Gruben oder Felsen gibt. Wenn ja, müssen wir sie vermeiden.“

Zu diesem Zeitpunkt sucht der Lander Rover unter der Einwirkung des kontinuierlich einstellbaren Axialschubs und des starken Querschubs des Antriebssystems nach dem optimalen Landepunkt, wählt ein flacheres Gelände aus, bestätigt die endgültige Landeposition und führt einen langsamen Sinkflug durch.

Um 7:18 Uhr hatten die vier Landebeine ihren ersten engen Kontakt mit der Marsoberfläche. Nach der Bodenberührung hielten die vier mit Puffervorrichtungen ausgestatteten Landebeine der Aufprallkraft im Moment der Landung wirksam stand. Dank des Antriebssystems landete der 1,3 Tonnen schwere Lander Rover stabil im vorgesehenen Landebereich im südlichen Teil der Utopia-Ebene auf dem Mars.

Nach „aufregenden 9 Minuten“ ist Chinas erste Marssonde sicher auf der Oberfläche des Mars angekommen.

"Tianwen" landete stabil auf der Marsoberfläche