Wussten Sie, dass sich die chinesische Raumstation während ihres Baus im Weltraum „überdrehte“? Warum das tun?

Am 30. September 2022 schloss das Wentian-Labormodul nach etwa einer Stunde Koordination zwischen Boden und Weltraum seine Übertragung ab und der chinesische Raumstationskomplex wechselte vorübergehend von einer „I“-Konfiguration zu einer „L“-Konfiguration. Am 3. November bildete das Mengtian-Labormodul durch ein ähnliches Transferverfahren eine „T“-Konfiguration für die Raumstation. Welche technischen Schwierigkeiten müssen also bei der Verlagerung von Raumstationsmodulen überwunden werden? Was sind die Highlights der beiden Kabinentransfers? Lassen Sie es uns herausfinden.

Die Dream Sky Cabin wurde erfolgreich übertragen

Warum muss die Raumstation für den Zusammenbau „umgedreht“ werden?

Zu Beginn des Starts des Wentian-Experimentalmoduls dockte es an der Schnittstelle direkt vor dem Knotenmodul des Tianhe-Kernmoduls an und bildete eine „I“-Konfiguration. Am 31. Oktober wurde das Mengtian-Versuchsmodul gestartet und dockte am nächsten Tag erfolgreich am vorderen Port des Tianhe-Kernmoduls an.

Rendering des Transferprozesses der Wentian-Kabine

Da fragt sich mancher: Warum docken die beiden Experimentalkabinen nicht direkt an der seitlichen Schnittstelle der Knotenkabine an, um in einem Schritt den Endzustand zu erreichen?

Dies liegt vor allem daran, dass die Montage der Raumstation mit der ersten kosmischen Geschwindigkeit fliegt. Berechnungen zeigen, dass bei einer direkten seitlichen Annäherung des Experimentalmoduls an das Tianhe-Kernmodul selbst bei einem nur kleinen Winkel zwischen den beiden Umlaufbahnen die Relativgeschwindigkeit der beiden Seiten beträchtlich ist und die Gefahr einer Kollision aufgrund von Steuerungsfehlern nicht ausgeschlossen werden kann.

Das Mengtian-Modul ist am vorderen Port des Tianhe-Kernmoduls angedockt

Für wissenschaftliche Forscher ist eine solche Kollision offensichtlich inakzeptabel. Obwohl die Stärke jedes Moduls der Raumstation während des Entwurfs- und Herstellungsprozesses vollständig berücksichtigt wurde, ist das Raumfahrzeug durch die Startfähigkeit der Trägerrakete begrenzt und kann nicht beliebig verstärkt werden. Zudem kann es Hochgeschwindigkeitseinschlägen natürlich nicht standhalten. Und selbst wenn das Abteil sicher ist, birgt eine drastische Änderung der Fluglage versteckte Gefahren.

Daher wurden die beiden Versuchsmodule zunächst vor dem Kernmodul Tianhe gestartet, befanden sich in derselben Ebene und Umlaufbahn und näherten sich einander allmählich mit einer sehr geringen Relativgeschwindigkeit, um das Andocken durchzuführen.

Gemäß den Grundprinzipien der Orbitaldynamik ändern sich während des Andockvorgangs die Orbitalhöhen der beiden immer noch relativ zueinander. Solange der Geschwindigkeitsunterschied jedoch gut kontrolliert wird, ist die Änderung der Orbitalhöhe sehr gering und überschreitet nicht die Kompensationskapazität des Andockmechanismus.

Nach Abschluss des ersten Andockvorgangs und einer Testphase bestätigt das Tianhe-Team, dass der Status des Versuchsmoduls normal ist, und verwendet den Roboterarm, um beim Transfer des Versuchsmoduls zum seitlichen Andockanschluss des Tianhe-Kernmoduls zu helfen.

Nachdem das Wentian-Modul gedreht wurde, bildete die Raumstation eine "L"-Konfiguration

Manche denken vielleicht: Im Weltraum herrscht Schwerelosigkeit, daher sollte es für einen Roboterarm kein Problem sein, Objekte mit einem Gewicht von über 20 Tonnen zu handhaben.

Tatsächlich kann die Trägheit, die durch die Bewegung großer Abschnitte entsteht, nicht ignoriert werden. Wenn die Geschwindigkeit während des Übertragungsvorgangs nicht gut kontrolliert wird, wird der Drehmomentbereich des Roboterarms überschritten und es entsteht eine Gefahr. Der Transfervorgang der Experimentalkabine erfolgt daher sehr vorsichtig und erfordert die Unterstützung eines Drehmomentkreisels.

Wo ist der „Beitrag“ des Drehmomentkreisels? Gemäß dem Prinzip der Drehimpulserhaltung erfährt das Tianhe-Kernmodul eine entsprechende Winkeländerung und dreht sich ein wenig in die entgegengesetzte Richtung, solange der Roboterarm das Versuchsmodul ein wenig zur Seite bewegt. Während dieses Vorgangs ändert sich die Umlaufrichtung der Raumstation zwar nicht wirklich, aber der Gierwinkel ändert sich stark, was dem Betrieb von Geräten wie Solarflügelsegeln, Kühlkörpern und Datenübertragungsantennen nicht förderlich ist. Daher ist es notwendig, sich auf das Momentengyroskop zu verlassen, um diesen Teil des Drehimpulses zu „verdauen“, damit das Tianhe-Kernmodul der Raumstationsbaugruppe parallel zur Orbitaltangente bleibt.

Das Wirkungsdiagramm der Transferbaugruppe der Dream Sky Cabin

Welchen „Schmetterlingseffekt“ wird die dünne Atmosphäre im Weltraum auf die Raumstation haben?

Theoretisch können Objekte jeder Form in einer Vakuumumgebung ihren ursprünglichen Bewegungszustand beibehalten, ohne ihre Haltung oder Richtung zu ändern. Die Realität ist jedoch nicht so idealistisch. Die Umlaufbahn der Raumstation erreicht Hunderte von Kilometern und die Atmosphäre ist bereits sehr dünn, doch ein schwacher atmosphärischer Widerstand wird sich weiter aufbauen und allmählich einen erheblichen Einfluss auf die Fluglage und Umlaufbahn des Raumfahrzeugs haben. Daher müssen Raumfahrzeuge in erdnahen Umlaufbahnen bei der Lageregelung weiterhin vorsichtig sein.

Wenn beispielsweise das Wentian-Experimentiermodul an die seitliche Dockingschnittstelle des Knotenmoduls angedockt wird, kann das Problem des atmosphärischen Widerstands nicht ignoriert werden. Das Wentian-Experimentiermodul ist 17,9 Meter lang und hat einen Säulenabschnittsdurchmesser von 4,2 Metern. Zusammen mit den Solarflügelsegeln bildet es sozusagen eine riesige Luvfläche direkt vor der Raumstation.

Details zum Transfer großer Abteile

Im Vergleich zu ähnlichen ausländischen Raumfahrzeugen verringert sich die Umlaufhöhe der Internationalen Raumstation aufgrund von Problemen wie dem atmosphärischen Widerstand jeden Monat um etwa zwei Kilometer und muss durch eine Erhöhung der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs ausgeglichen werden. Dann wird das Widerstandsproblem, auf das das Versuchsmodul der chinesischen Raumstation gestoßen ist, auch verschiedene Konsequenzen haben, beispielsweise die Entstehung eines bestimmten Drehmoments im gesamten Raumstationskomplex. Wenn das Drehmoment nicht korrigiert wird, wird die Raumstationsbaugruppe in Rotation versetzt und dreht sich übermäßig auf eine Seite.

Am Beispiel des Rotationsprozesses des Wentian-Moduls: Wenn der rechtwinklige Scheitelpunkt des „L“ schließlich stabil in die Richtung des Orbitalflugs zeigt und das Wentian-Modul und das Tianhe-Kernmodul jeweils in einem Winkel von 45 Grad auf beiden Seiten der Orbitalrichtung stehen, dann ist dies keine gute Position für die Erzeugung von Solarstrom, die Wärmeableitung und die Funkkommunikation. Darüber hinaus musste die Raumstationsbaugruppe für die Aufnahme des Mengtian-Labormoduls vorbereitet werden, und die Raumstationsbaugruppe musste in ihre normale Position zurückkehren und den vorderen Andockport des Tianhe-Kernmoduls vorbereiten.

Um dies zu erreichen, muss das durch den unausgeglichenen Luftwiderstand verursachte Drehmoment durch die kombinierte Wirkung des Drehmomentkreisels und des Triebwerks ausgeglichen werden. Generell wird bei solchen geplanten Arbeiten der Einsatz von Torque Gyro bevorzugt, da der Treibstoff der Raumstation kostbar und begrenzt ist und sparsam eingesetzt werden muss. Obwohl Frachtraumschiffe die Raumstation regelmäßig mit Versorgungsgütern versorgen, ist die Weltraumumgebung komplex und gefährlich und die Raumstation muss jederzeit auf unerwartete Situationen vorbereitet sein. Wenn Weltraummüll, winzige Himmelskörper, Raumfahrzeuge usw. ungewöhnlich nahe kommen, muss die Raumstation wertvollen Treibstoff verbrauchen und ihre Umlaufbahn ändern, um die Sicherheit der Astronauten und der Ausrüstung zu gewährleisten.

Anfang November, nachdem das Mengtian-Experimentiermodul zunächst an die Raumstationsbaugruppe angedockt war, schloss es die Transferarbeiten ab und dockte schließlich in einer anderen Richtung an die Seitenschnittstelle des Tianhe-Kernmoduls an. Dies war auch das Ergebnis der engen Zusammenarbeit von Drehmomentkreisel und Roboterarm.

Mit dem Abschluss der Übertragung des Mengtian-Labormoduls am 3. November hat der chinesische Raumstationskomplex einen relativ ausgeglichenen Zustand erreicht: Radial zur Andockschnittstelle des Tianhe-Kernmoduls befindet sich das bemannte Raumschiff Shenzhou, mit dem Wentian-Modul und dem Mengtian-Modul auf beiden Seiten und dem Tianzhou-Frachtraumschiff an der hinteren Andockschnittstelle.

Wenn die Astronauten die Schicht im Weltraum übergeben, muss der Andockhafen des Knotenmoduls auch das bemannte Raumschiff Shenzhou willkommen heißen und sich auch hier dem Problem des unausgeglichenen Widerstands stellen. Allerdings ist der „Luvbereich“ der Raumsonde Shenzhou relativ klein und das dadurch verursachte unausgeglichene Drehmoment wird relativ gering sein, was durch eine einfache Korrektur mit einem Drehmomentkreisel behoben werden kann.

Welche Vorteile bietet Chinas Plan zur Verlegung der Raumstation?

Bei ausländischen Raumstationen wurden Modultransfers bisher mit einer vertikalen Transferlösung durchgeführt, und die Lage der Baugruppe wird sich nach dem Transfer erheblich ändern. Tatsächlich ist Chinas Raumstation die erste weltweit, die eine Lösung mit Ebenenrotation einsetzt, die bessere Effekte hat. Allerdings verbindet im Vergleich zur großen, über 20 Tonnen schweren Kabine lediglich ein über 100 Kilogramm schwerer Roboterarm die beiden Kabinen, was ein erhebliches Risiko darstellt. Daher wird der Transfervorgang der Versuchskabine als „Tragen zweier Elefanten mit einer Stange“ beschrieben.

Der größte limitierende Faktor im gesamten Umsetzungsprozess dürfte die Trägheit sein. Da die kinetische Energie eines Objekts proportional zum Quadrat seiner Geschwindigkeit ist, ist die Aufprallkraft bei einer zu hohen Übertragungsgeschwindigkeit sehr groß, was zu einem enormen Drehmoment auf den Übertragungsmechanismus und den Roboterarm führt und leicht zu Schäden an der Ausrüstung führen kann. Insbesondere wenn die Kabine anhalten muss und es zu einer Bremssituation kommt, besteht aufgrund der Trägheit die Gefahr, dass der Roboterarm verschrottet wird. Daher ist es für den Flugzeugtransfer erforderlich, dass die Boden- und Raumfahrtteams die Betriebsgeschwindigkeit der Kabine und des Roboterarms genau berechnen und streng kontrollieren. Öffentlichen Berichten zufolge haben wissenschaftliche Forschungseinrichtungen zahlreiche Computersimulationen und Simulationen schwebender Plattformen an Bodenanlagen durchgeführt und dabei zahlreiche Probleme gelöst, etwa im Zusammenhang mit der Lageregelung, der Behinderung von Relaismessungen und Steuerverbindungen sowie der Energiebilanz. Darüber hinaus wurde Anfang letzten Jahres eine Transferoperation des Tianhe-Kernmoduls auf dem Frachtraumschiff Tianzhou durchgeführt. Da Größe und Gewicht des Tianzhou-Frachtraumschiffs viel geringer sind als die des Wentian-Labormoduls, eignet es sich sehr gut zum „Üben“ des Tianhe-Teams und des Roboterarms.

Kurz gesagt, nach ziemlich komplizierten Vorgängen wurde die Versuchskabine zweimal erfolgreich übertragen. Wenn wir eine einfache Beschreibung machen wollen, sind die Schlüsselpunkte „langsam“ und „genau“: „Langsam“ bedeutet, die Beschleunigung so weit wie möglich zu reduzieren und die Tragfähigkeit des Roboterarms und des Transfermechanismus nicht zu überschreiten; „Präzise“ bedeutet, sicherzustellen, dass die Experimentalkabine „in einem Zug an ihren Platz“ gebracht wird.

Heute hat Chinas Raumstation eine horizontal symmetrische „T“-Konfiguration. Experten in der Luft- und Raumfahrtbranche sind der Ansicht, dass dies drei wesentliche Vorteile bietet. Die erste besteht darin, sicherzustellen, dass der Gesamtschwerpunkt zentriert ist, wodurch die für die Haltungskontrolle erforderliche Energie gespart wird. Zweitens befinden sich die Luftschleusen der beiden Experimentalkabinen an den Enden der horizontalen Linie des „T“. Daher werden bei normaler Druckentlastung oder anormaler Isolierung die anderen abgedichteten Kabinen nicht beeinträchtigt, sodass ein zusammenhängender Raum entsteht und die Sicherheit gewährleistet ist. Schließlich soll sichergestellt werden, dass die großen Solarzellenflügel an den Enden der beiden Versuchsmodule unabhängig von der Fluglage der Raumstation von der Sonne beleuchtet werden können, sodass die Raumstation täglich fast 1.000 kWh Strom erzeugen kann, was dem Stromverbrauch einer durchschnittlichen Familie für fast ein halbes Jahr entspricht, und 80 % der Energie für die Drei-Modul-Kombination der chinesischen Raumstation bereitstellen kann. Während es den normalen Betrieb verschiedener wissenschaftlicher Instrumente auf der Raumstation gewährleistet, kann es auch das tägliche Leben der Astronauten im Orbit sicherstellen.

Schematische Darstellung der „T“-Konfiguration der chinesischen Raumstation

Bildlich gesprochen scheint die Raumstation stabil durch den Weltraum zu fliegen, tatsächlich vollführt sie jedoch ständig „Kunststücke“ – während Raumfahrzeuge und Module andocken und abfliegen, ändern sich Konfiguration, Schwerpunkt, Kräfteverhältnisse, Umlaufbahn usw. der Raumstation ständig, sodass die Raum- und Bodenteams die Regeln einhalten und präzise und sorgfältige Anpassungen und Verbesserungen vornehmen müssen. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum die Luft- und Raumfahrtregelungswissenschaft äußerst anspruchsvoll und dennoch sehr unterhaltsam ist.