Schauen Sie, das ist die Rückseite des Mondes! Heute vor fünf Jahren landete Chang'e 4 erfolgreich auf dem Mond

Am 3. Januar 2019 um 10:26 Uhr landete die Chang'e-4-Sonde meines Landes autonom auf der Rückseite des Mondes, im Von-Karman-Krater. Dies war das erste Mal in der Menschheitsgeschichte, dass ein Raumfahrzeug sanft landete und eine Patrouillenerkundung auf der Rückseite des Mondes durchführte. Zudem war es das erste Mal, dass eine Mess- und Steuerungskommunikation zwischen der Erde und der Rückseite des Mondes zustande kam, und das erste Mal, dass ein Test der Laserentfernungsmessungstechnologie über die Distanz zwischen Erde und Mond hinaus durchgeführt wurde.

Die Sonde Chang'e-4 stellte einen Rekord für die längste Arbeitszeit auf der Rückseite des Mondes auf, sammelte eine große Menge wissenschaftlicher Forschungsdaten vom Mond und lieferte der Menschheit umfangreichere Informationen zum Verständnis des Mondes. Es hat chinesische Lösungen und Weisheit für die internationale „Mondforschungsreise“ bereitgestellt und in der Geschichte der Mondforschung für die gesamte Menschheit bedeutende Spuren hinterlassen.

Eine gewundene Innovationsreise

Da die Rotationsperiode und die Umlaufperiode des Mondes gleich sind und er durch die Gezeitenkräfte an die Erde gebunden ist, bewirkt die starke Schwerkraft der Erde, dass der Mond immer mit einer Seite der Erde zugewandt ist und mit der anderen von der Erde abgewandt. Die Rückseite des Mondes ist zu einem Ort geworden, von dem die Menschheit schon immer geträumt hat.

Im April 2019 umkreiste Israels erste Monderkundungsmission Genesis erfolgreich den Mond, konnte jedoch während der angetriebenen Abstiegsphase nicht landen und stürzte auf der Mondoberfläche ab. Im September desselben Jahres verlor Indiens erste Mondlandefähre Chandrayaan-2 nach dem motorisierten Sinkflug auf 2,1 Kilometer Entfernung von der Mondoberfläche den Kontakt, scheiterte schließlich bei der weichen Landung und stürzte auf der Mondoberfläche ab. Vom Einkreisen der Erde bis zur Landung sind zahllose Sonden in dieser „nur etwas geringeren“ Distanz von zehn oder Dutzenden Kilometern gescheitert.

Da die Landung von Chang'e 4 auf dem Mond von der Erde aus nicht direkt beobachtet werden kann, ist der gesamte Vorgang auf die autonome Steuerung der Sonde angewiesen und es kommt zu Verzögerungen bei der Bildübertragung. Für das Bodenpersonal ist die Landung auf dem Mond daher fast eine „Blindlandung“. Obwohl sich das geplante Landegebiet von Chang'e-4 innerhalb des relativ flachen Von-Karman-Kraters befindet, befindet sich der Von-Karman-Krater insgesamt innerhalb des zerklüfteten Südpol-Aitken-Beckens auf der Rückseite des Mondes. Das Gelände unter der gesamten Landebahn schwankt um bis zu 6 Kilometer. Dies bedeutet, dass Chang'e 4 über eine geringere Auswahl an Landemöglichkeiten verfügt und sehr präzise landen muss. Bei geringfügiger Abweichung kann es passieren, dass die Maschine nicht im vorgesehenen flachen Landebereich landet, sondern auf zerklüfteten Bergen und Tälern landet.

Um die Unsicherheit bezüglich der Landeposition weiter zu verringern, erwogen die Forscher bei der Entwicklung von Chang'e 4, während der Mondumlaufphase eine Korrekturbahn hinzuzufügen, und nahmen bestimmte Anpassungen an der Steuerungsstrategie für den angetriebenen Landeanflug vor. „Bei der Durchführung des Experiments haben wir auch viele Faktoren berücksichtigt. Wie groß ist beispielsweise die maximale Neigung des Ortes, an dem der Lander landen kann? Wenn das Gelände wie Zhangjiajie ist, folgt das Auto beim Landen zwei Leitern. Sind diese beiden Leitern notwendigerweise parallel? Wenn die Leitern schräge Winkel bilden, wie groß ist dann der maximale Winkel?“ - Die Teammitglieder analysierten Tausende möglicher Situationen, gingen alle möglichen Extremsituationen durch und führten Experimente durch, um den Schwierigkeitsgrad der berechneten möglichen Situationen zu erhöhen.

Zuverlässigere Energieversorgung

Die Chang'e-4-Sonde besteht aus einem Lander und einem Rover mit insgesamt acht Nutzlasten, darunter zwei Nutzlasten im Rahmen einer internationalen Kooperation. Der Lander ist mit vier Nutzlasten ausgestattet, darunter eine topografische Kamera, eine Landekamera, ein Niederfrequenz-Radiospektrometer und ein in Zusammenarbeit mit Deutschland entwickelter Detektor für Neutronen- und Strahlendosen auf der Mondoberfläche. Der Rover ist mit einer Panoramakamera, einem Mondradar, einem Infrarot-Bildspektrometer und einem Neutralatomdetektor ausgestattet, der in Zusammenarbeit mit Schweden entwickelt wurde.

Diese Instrumente führen durch In-situ- und Patrouillenerkennung auf der Rückseite des Mondes niederfrequente Radioastronomiebeobachtungen und -forschungen durch, untersuchen die Morphologie, Mineralzusammensetzung und Oberflächenstruktur des Patrouillengebiets und führen experimentelle Forschungen zur Mondumgebung durch, beispielsweise zur Bestimmung der Neutronenstrahlungsdosis und neutraler Atome auf der Rückseite des Mondes. Darüber hinaus trägt die Landesonde auch eine Nutzlast für biologische wissenschaftliche Experimente auf der Mondoberfläche.

Eine Mondnacht entspricht 14 Tagen auf der Erde. Gleichzeitig kann die niedrigste Temperatur in einer Mondnacht minus 180 Grad Celsius erreichen. In der langen, dunklen Nacht ohne Licht ist es für die Chang'e-4-Landefähre und den Rover, die auf Solarenergie angewiesen sind, eine große Herausforderung, sich auf ihre eigene gespeicherte Energie zu verlassen, um die Mondnacht sicher zu überstehen.

Angesichts dieses Problems schlugen Forscher das Schlaf-Wach-Konzept vor. Wenn die Sonne aufgeht, beginnen Lander und Rover mit ihrer Arbeit: Der Lander führt vor Ort wissenschaftliche Erkundungen durch, während der Rover anfängt, „herumzufahren“. Wenn die mondhelle Nacht hereinbricht, wird der Rover einen Platz zum Leben finden, den Mast zusammenklappen, die Solarmodule schließen und in den Winterschlaf gehen, bis die Sonne auf die Solarmodule des Rovers scheint, den „schlafenden“ Rover und Lander aufweckt und eine weitere Untersuchung startet.

„Chang'e-4 verwendet die fortschrittlichsten hocheffizienten Dreifach-Galliumarsenid-Solarzellen des Landes und der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung wurde von ursprünglich 28,6 % auf 30,84 % gesteigert.“ Chen Cheng, Leiter des Solarzellenschaltkreises für das Mondforschungsprojekt, sagte, dass die neue Batterie der Originalbatterie in technischen Indikatoren wie photoelektrischer Umwandlungseffizienz, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Strahlungsresistenz überlegen sei und ihre Zuverlässigkeit zudem durch mehrere Tests bestätigt worden sei. „Darüber hinaus verringert die neue Batterie die Dicke der Solarzelle, verringert das Gewicht der Solarzelle um 10 % und erhöht die Leistungsmarge von ursprünglich 6 % auf 9 %.“

Relaissatellit „Queqiao“

Ein weiterer wichtiger Grund für die präzise Landung der Chang'e-4-Sonde war der frühe Start des Relaissatelliten Queqiao, der eine Kommunikationsbrücke zwischen der Erde und der Chang'e-4-Sonde baute.

Sun Ji, Chefdesigner des Relaissatelliten „Queqiao“ der Fünften Akademie der China Aerospace Science and Technology Corporation, sagte: „Obwohl Queqiao nicht der Protagonist ist, ist er eine wichtige Komponente. Seine Mission besteht darin, Kommunikationsdienste für die Landeeinheit und den Rover auf der Rückseite des Mondes bereitzustellen, was dem Transport einer Bodenstation in den Himmel entspricht.“ „

Zhang Lihua, Chefdesigner von „Queqiao“, sagte: „Dieser Relaissatellit ist nicht groß und wiegt nur mehr als 400 Kilogramm, aber ein Ende davon ist mit einem Detektor in bis zu 80.000 Kilometern Entfernung verbunden, und das andere Ende ist mit der Erde in mehr als 400.000 Kilometern Entfernung verbunden. Diese Entfernung ist sehr groß, daher muss die Apertur der Kommunikationsantenne groß genug sein.“ Aufgrund der Platzbeschränkungen der Rakete ist die Antenne des Satelliten jedoch mit zahlreichen Schwierigkeiten konfrontiert.

Unter Berücksichtigung zahlreicher Faktoren führte das Forschungs- und Entwicklungsteam mehrere Designtests durch und entschied sich schließlich für die neue schirmförmige Antennenlösung. Auf diese Weise kann die Antenne beim Start auf ihre kleinste Größe zusammengefaltet und nach dem Eintritt in die Umlaufbahn wieder entfaltet werden. Allerdings ist der Verarbeitungs- und Montageprozess einer solchen Antenne sehr kompliziert. Da sich auf der Antenne Tausende von Seilkontrollpunkten befinden, müssen diese einzeln manuell angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Anforderungen an die Oberflächengenauigkeit nach dem Einsatz erfüllt werden. „Die Arbeitsintensität und der Druck bei der Entwicklung von Schirmantennen und den Satellitentests sind enorm und die Zeit ist relativ knapp. Die wissenschaftlichen Forscher des Teams machen oft mehrere Monate hintereinander Überstunden. Wenn der Druck am größten ist, arbeiten sie rund um die Uhr, ohne Wochenenden oder Feiertage.“ sagte Zhang Lihua.

„Queqiao“ wurde schließlich am 21. Mai 2018 vom Satellitenstartzentrum Xichang gestartet. Neben der Bereitstellung von Relaisdiensten für die Chang'e-4-Mission kann Queqiao auch wissenschaftliche und technologische Experimente durchführen. Es ist mit einem von niederländischen und chinesischen Wissenschaftlern gemeinsam entwickelten Niederfrequenz-Radiodetektor ausgestattet, der die „Geräusche“ aus den Tiefen des Universums „hören“ kann. Darüber hinaus ist es mit einem von der Sun Yat-sen-Universität entwickelten Laser-Eckreflektor ausgestattet, um Experimente zur Laserentfernungsmessung über große Entfernungen durchzuführen und so eine technische Grundlage für zukünftige Anwendungen zu schaffen. Ye Peijian, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chefwissenschaftler der Weltraumforschung, sagte außerdem, dass ausländische Raumfahrzeuge, die die Rückseite des Mondes erforschen wollten, ebenfalls über diesen Relaissatelliten Hilfe erhalten könnten. Dies ist Chinas Beitrag zur Welt.