Die Menschheit erforscht den Mond schon seit mehr als einem halben Jahrhundert. Warum ist es für Raumfahrzeuge immer noch schwierig, sanft auf dem Mond zu landen?

Am 3. Oktober gab die russische staatliche Raumfahrtgesellschaft die vorläufigen Untersuchungsergebnisse des Absturzes der Sonde Luna 25 auf dem Mond bekannt, was für Aufsehen von außen sorgte. Welche wesentlichen Erkenntnisse kann die Außenwelt aus den von der russischen Seite veröffentlichten Informationen gewinnen? Die Geschichte der Mondforschung durch die Menschheit dauert bereits mehr als ein halbes Jahrhundert an. Welche Schwierigkeiten gibt es für Raumfahrzeuge noch, sanft auf dem Mond zu landen? Welche neuen Technologien und Lösungen werden voraussichtlich zum Erfolg der Mission beitragen?

Die Details hinter dem Scheitern erforschen

Die russische staatliche Raumfahrtgesellschaft gab eine Erklärung heraus, in der es hieß, dass am 19. August, als die Sonde Luna 25 von einer Mondumlaufbahn in eine andere wechselte, der Motor gezündet habe und 127 Sekunden statt der geplanten 84 Sekunden gelaufen sei, wodurch die Sonde in eine niedrigere, nicht zielführende Umlaufbahn geraten sei und schließlich mit der Mondoberfläche kollidiert sei.

Das Scheitern der Mission „Luna 25“ wurde von der Außenwelt bedauert, da Russland die technologische Grundlage der Sowjetunion im Bereich der Monderkundung geerbt hatte und dieses Monderkundungsprogramm bereits in den 1990er Jahren begonnen wurde. Wenn alles gut geht, wird „Luna 25“ in den hohen Breitengraden der südlichen Hemisphäre des Mondes sanft landen und mit acht Instrumenten und „dem komplexesten Weltraumroboterarm, der je in Russland gebaut wurde“ Mondproben sammeln und analysieren.

Schematische Darstellung der Bahnänderung der russischen Sonde Luna 25

Das Antriebssystem von „Luna 25“ ähnelt dem vieler sowjetischer Mondsonden. Dabei wird kein Triebwerk mit variablem Schub und keine Mehrfachtriebwerke mit variablem Schub verwendet, sondern stattdessen eine Kombination aus einem Haupttriebwerk mit hohem Schub und zwei Wandertriebwerken gewählt. Während der angetriebenen Sinkflugphase der Sonde wird die Triebwerksgruppe zweimal gezündet. Beim ersten Mal geht es darum, die horizontale Geschwindigkeit zu „eliminieren“ und sicherzustellen, dass die Sonde sicher in den vertikalen Sinkflug übergeht. Anschließend wird es ein zweites Mal gezündet, um die vertikale Geschwindigkeit zu „eliminieren“ und sicherzustellen, dass die Sonde sanft auf dem Mond landet.

Tatsächlich können die Risiken dieses Mondlandeplans nicht ignoriert werden und die Toleranz gegenüber Geräteausfällen ist geringer, aber die erforderliche Technologie ist relativ einfach. Manche glauben, dass die russische Raumfahrtbehörde nach zwei gescheiterten Marserkundungsmissionen ihre eigenen technologischen Schwächen erkannte und deshalb versuchte, sich so weit wie möglich auf die sowjetischen Erfahrungen zu berufen.

Während des Absenkens der Perigäumshöhe von 100 auf 18 Kilometer kam es jedoch zu einer Fehlfunktion des Triebwerks von „Luna 25“, was in den letzten Jahren zu einem seltenen Fall von Fehlschlägen bei der Mondlandung in der Mondumlaufbahn führte. Die russische Seite wies darauf hin, dass die wahrscheinlichste Ursache des Unfalls darin bestand, dass eine große Zahl von Anweisungen gleichzeitig gesendet wurden, wodurch es zu Fehlfunktionen einiger Instrumente kam, die wiederum einen anormalen Betrieb des integrierten Kontrollsystems auslösten, wodurch es unmöglich wurde, das Antriebssystem rechtzeitig abzuschalten, als die Sonde die vorgegebene Geschwindigkeit erreichte.

Insbesondere funktionierte der Beschleunigungsmesser in der Trägheitsnavigationseinheit von „Luna 25“ nicht richtig, sodass die Sonde beim Bremsen ihre eigenen Bahnänderungen anhand der Beschleunigungsmesserdaten nicht messen konnte und den Motor nicht rechtzeitig abschalten konnte. Stattdessen musste das Triebwerk die maximal zulässige Zeit lang laufen, wodurch die Abstiegsbahn zu niedrig wurde. Eine ähnliche Situation hatte sich kurz zuvor bereits ereignet, doch die russische Seite hatte nicht ausreichend aufgepasst und die Umlaufbahn der Sonde immer weiter abgesenkt, was schließlich zu ihrem Absturz führte.

Eine genauere Analyse der Details zeigt, dass die Probleme der Luna-25-Sonde nicht nur im Beschleunigungsmesser liegen, sondern auch Probleme mit der Buspriorität des Steuerungssystems umfassen, die den Startbefehl des Beschleunigungsmessers verzögerten, sowie Fehler in der Planungssoftware des Bus-Transceivers, die dazu führten, dass der Befehl „verloren“ ging. Darüber hinaus reagierte das Kommunikationsprotokoll von „Lunar 25“ nicht, sodass die Flugsteuerungssoftware nicht erkennen konnte, dass der Beschleunigungsmesser nicht eingeschaltet war.

Es wird berichtet, dass der Generalunternehmer von „Luna 25“, die Lawotschkin-Gesellschaft für wissenschaftliche Forschung und Produktion, nicht mit den auf Flugsteuerungssoftware für Raumfahrzeuge spezialisierten russischen Instituten zusammengearbeitet hat, was zu unzureichender Erfahrung der Programmierer der Flugsteuerung führte und versteckte Gefahren birgt.

Lösung des „Hochrisiko“-Problems

„Luna 25“ ist die fünfte Mondsonde, deren Landung in den vergangenen fünf Jahren misslang. Vor mehr als 50 Jahren landeten Menschen viele Male auf dem Mond und in vielen Technologiebereichen wurden bereits große Fortschritte erzielt. Allerdings liegt die Erfolgsquote von Raumfahrzeugen, die im neuen Jahrhundert auf dem Mond landen, immer noch unter 50 %. Dies zeigt, dass die sichere Landung eines Raumfahrzeugs auf dem Mond keine einfache Aufgabe ist.

Wenn das einzige Ziel die Landung auf dem Mond ist, sind die Schwierigkeiten, die ein Raumfahrzeug mit ausreichend redundantem Design und ausreichenden Tests bewältigen muss, tatsächlich nicht so groß. So scheiterte beispielsweise die japanische Miniatur-Mondsonde Ende letzten Jahres an der Landung auf dem Mond. Sie bestand im Wesentlichen aus einem kubischen Satelliten mit den Abmessungen 12U und einem Gewicht von knapp über 10 Kilogramm und entschied sich für eine halbharte Landemethode. Der wissenschaftliche Wert dieser Art von Sonde ist jedoch vernachlässigbar. Eine neue Generation von Raumfahrzeugen für die Mondlandung muss häufig ausreichend wissenschaftliche Instrumente und Mondrover mitführen, mit einem Zweikomponenten-Antriebssystem ausgestattet sein und eine komplette stabile dreiachsige Kontrollplattform bilden. Die Risiken und Herausforderungen werden natürlich zunehmen.

Der Start eines Raumfahrzeugs und das Erreichen der Mondumlaufbahn sind die „Grundfertigkeiten“ von Monderkundungsmissionen. Bei den fünf gescheiterten Mondlandemissionen dieses Jahrhunderts war jedoch für die meisten Sonden die Phase des angetriebenen Abstiegs der „risikoreichste“ Moment und kann als die größte Schwierigkeit der Mondlandemission angesehen werden. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt nicht darin, blind auf fortschrittliche, weit einstellbare Triebwerke mit variablem Schub zu setzen, was die Systemrisiken erhöht, sondern darin, über Trägheitsnavigationselemente mit ausreichend hoher Genauigkeit und eine zuverlässige und anwendbare Flugsteuerungssoftware zu verfügen. In der Realität werden kleine Probleme im Stromnetz durch die beiden letztgenannten Mängel oft „ins Unendliche vergrößert“, was zum Scheitern der Mission führt.

Die Lösung des Problems einer Mondlandung liegt offenbar darin, die technologischen Grundlagen des Landes zu verstehen, einen geeigneten Plan auszuwählen und jedes Subsystem sowie die gesamte Sonde gründlich zu testen. Allerdings fehlte einigen Mondforschungsteams ursprünglich die technische Erfahrung für Landungen auf Himmelskörpern mit größerer Schwerkraft. Sie hätten ausreichend redundante Designs hinzufügen sollen, aber aufgrund von Faktoren wie Finanzierung und Raketenleistung entschieden sie sich für kleinere Raumfahrzeuge, was zu einer eingeschränkten Raumfahrzeugqualität und unzureichender Redundanz führte.

Darüber hinaus gibt es einige Mondforschungsteams, die die Konstruktion und Produktion von Raumfahrzeugen nicht streng kontrollieren und denen es an ausreichender Fehleranalyse und Isolationsforschung an Standorten mangelt, an denen die Gefahr einzelner Ausfälle besteht. Mentalitätsprobleme führen außerdem zu laxen Softwaretests, was zur Folge hat, dass Fehler bei Bodentests von Raumfahrzeugen nicht vollständig aufgedeckt werden. Daher sind in der raueren Umgebung des Erde-Mond-Raums potenzielle versteckte Gefahren für Raumfahrzeuge unvermeidlich.

In den frühen Stadien des motorisierten Abstiegs der Sonde kann das Bodenteam steuernd eingreifen, in den späteren Stadien dieser Phase wird die Sonde jedoch in erster Linie für autonome Messungen und Entscheidungen verantwortlich sein. Da der Mond praktisch keine Atmosphäre besitzt, ist die gesamte angetriebene Abstiegsphase in hohem Maße vom Energiesystem der Sonde abhängig, was hohe Anforderungen an die Flugsteuerung stellt und eine geringe Fehlertoleranz aufweist.

Insbesondere kurz vor der Landung der Sonde auf dem Mond wird der vom Triebwerk ausgestoßene heiße und schnelle Luftstrom Mondstaub aufwirbeln, der mit hoher Wahrscheinlichkeit die Messinstrumente am Boden verdecken und zu großen, anormalen Schwankungen der Daten führen kann. Zu diesem Zweck muss das Instrument Isolations- und Filtermaßnahmen ergreifen oder es müssen spezielle Instrumente ausgewählt werden, die den Mondstaub zur Messung durchdringen können, um ein Scheitern der Mondlandemission zu verhindern. Darüber hinaus ist das Gelände auf der Mondoberfläche komplex und wechselhaft. Bei der Überwachung geografischer Besonderheiten durch Instrumente kann es zu großen Datenschwankungen kommen. Es ist notwendig, bei der Datenanalyse und -verarbeitung gute Arbeit zu leisten.

Neue Herausforderungen erfordern neue Ansätze

Im Rahmen der neuen Runde internationaler Mondforschung ist die Region des Südpols zu einem wichtigen Ziel geworden, und auch die geheimnisvolle Rückseite des Mondes erregt die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Wenn die Sonde auf der Rückseite des Mondes oder in der Südpolregion landet, muss sie aufgrund von Signalblockierungsproblemen weiterhin das Signal des Relaissatelliten verfolgen. Darüber hinaus ist das Gelände in der Südpolregion des Mondes komplex und das für eine Landung geeignete Gebiet relativ klein. Dies erfordert, dass die Sonde Geländedaten besser verarbeiten, hochpräzise Landungen durchführen und Notfalllandepläne in unbekannten Gebieten erstellen kann.

Viele Länder fördern den Bau von Navigationskonstellationen für den Erd-Mond-Raum

Um die Genauigkeit der Mondlandung weiter zu verbessern, haben Forscher derzeit hauptsächlich zwei Methoden ausprobiert.

Die erste besteht darin, eine Bildabgleichtechnologie anzuwenden. Im September dieses Jahres wurde Japans Mondlandesonde SLIM gestartet. Anfang nächsten Jahres sollen Daten von Mondorbitern aus den USA, Japan, Südkorea und anderen Ländern genutzt werden, um Bildabgleichshilfen durchzuführen, eine Landegenauigkeit von 100 Metern auf dem Mond anzustreben und potenzielle Alternativen zu Mondbasen wie etwa Mondlavaröhren zu erkunden.

Allerdings gibt es bei der Verwendung der Bildabgleichstechnologie bei Missionen zum Südpol des Mondes noch einige Mängel. Aufgrund der starken Zersplitterung des Geländes in der Südpolregion des Mondes und der Existenz einer großen Zahl von Zonen ewiger Nacht ist die Erkennungseffizienz herkömmlicher Mondsonden begrenzt und sie sind nicht in der Lage, Bilder vom Inneren der Krater in diesen Zonen ewiger Nacht zu erzeugen. Zu diesem Zweck sind die Mondsonden der Vereinigten Staaten, Südkoreas und anderer Länder mit Infrarotradiometern, Spezialkameras usw. ausgestattet und verbessern derzeit die Abbildungsleistung des Eternal Night Crater auf dem Mond, der den Sonden voraussichtlich eine größere Hilfe bei der Landung am Südpol des Mondes sein wird.

Die zweite Methode besteht darin, so schnell wie möglich eine Mondnavigationskonstellation aufzubauen. Obwohl die 2013 gestartete Lunar Atmosphere and Dust Environment Probe versuchte, die Nebenkeulen der GPS-Navigationssatellitensignale zu nutzen und es ihr zunächst gelang, die Mondumlaufbahn zu positionieren und zu navigieren, beträgt die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Mond 380.000 Kilometer, und es ist für die Sonde sehr schwierig, auf dem Mond zu landen, wenn sie sich auf die Signale von Navigationssatelliten in niedriger Erdumlaufbahn verlässt. Derzeit bereiten viele Länder den Aufbau einer Mondnavigationskonstellation vor und planen den Einsatz mehrerer Satelliten, um eine Mondpositionierungsgenauigkeit von 10 bis 50 Metern zu erreichen.

Man geht davon aus, dass die Mondnavigationskonstellation in Zukunft den Bedarf an Messinstrumenten für Mondlandemissionen von Raumfahrzeugen deutlich reduzieren, die Zuverlässigkeit verbessern und die Nutzlast erhöhen wird. Darunter ist eine Navigationskonstellation mit Signalabdeckung der Südpolregion des Mondes eine „Notwendigkeit“, und mehrere Satelliten in unterschiedlichen Umlaufbahnen werden Kommunikation, Navigation, Fernerkundung und andere Dienste bereitstellen.

Derzeit wurden diese beiden Methoden in Monderkundungsmissionen verschiedener Länder vorläufig erprobt und es wird erwartet, dass sie in den nächsten Jahren schrittweise in die Praxis umgesetzt werden. Mit den Fortschritten in den Mondforschungsprogrammen der einzelnen Länder werden immer mehr unbemannte und bemannte Raumfahrzeuge auf dem Mond landen, was die Menschen dazu anregen wird, ihr Verständnis und ihre Erforschung des Mondes zu vertiefen. Ich bin davon überzeugt, dass die Menschheit mit der Auswahl weiterer Mondlandeplätze von fortschrittlicheren, zuverlässigeren und anpassungsfähigeren Technologien erhebliche Vorteile erlangen wird. (Autor: Zhang Chen, Bildquelle: Russian State Space Corporation, Prüfexperte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)