Zu spät starten, zu früh ankommen? Die Geheimnisse der Monderkundungsumlaufbahn

Am 25. Juli schloss Indiens Raumsonde Chandrayaan-3 ihren fünften Aufstieg in die Erdumlaufbahn ab. Sie soll am 1. August in die Erde-Mond-Transferbahn eintreten und am 23. August auf dem Mond landen. Darüber hinaus plant Russland am 11. August den Start der Raumsonde Luna 25, die am 21. August auf dem Mond landen soll. Die russische Sonde startete fast einen Monat später als die indische. Warum also besteht die Hoffnung, früher auf dem Mond zu landen? Welche Faktoren beeinflussen die Wahl der Monderkundungsumlaufbahn durch ein Raumfahrzeug? Welche Geheimnisse bergen die verschiedenen Umlaufbahnen der Monderkundung?

„Kampf“ um den Rekord

Am 14. Juli startete die Indische Weltraumorganisation die Sonde Chandrayaan-3 mit der LVM3-Rakete vom Satish Dhawan Space Center ins All. Die Startmasse von Chandrayaan-3 beträgt einschließlich Antriebsmodul, Lander und Mondrover etwa 3,9 Tonnen. Darunter ist das Antriebsmodul, das mehr als zwei Tonnen wiegt und dafür verantwortlich ist, die Landesonde und den Mondrover in die Mondumlaufbahn in einer Höhe von 100 Kilometern zu bringen. Der Lander wiegt etwa 1,75 Tonnen und verfügt über vier 800-Newton-Triebwerke mit variablem Schub. Der Mondrover wiegt 26 Kilogramm und soll in der Südpolregion des Mondes unterwegs sein und dort arbeiten.

Indiens Chandrayaan-3 wird demnächst mit einer Verkleidung ausgestattet

Die indische Seite behauptete, dass „Chandrayaan-3“ etwa 73 Millionen US-Dollar kosten werde, eine geplante Lebensdauer von 14 Tagen habe und drei Hauptziele erreichen werde: die Überprüfung der Technologie für eine sichere, weiche Landung auf der Mondoberfläche, die Überwachung des Mondes und die Durchführung wissenschaftlicher Experimente vor Ort auf dem Mond.

Hätte Russland nicht „auf kurzem Abstand überholt“, wäre Indien das vierte Land gewesen, dem eine weiche Landung eines Raumfahrzeugs auf dem Mond gelungen wäre, und das erste Land, dem die Landung am Südpol des Mondes gelungen wäre. Leider verlief Indiens Reise zum Mond nicht reibungslos.

Beispielsweise ist LVM3 Indiens leistungsstärkste Rakete, ihre Transportkapazität für die Erde-Mond-Umlaufbahn beträgt jedoch nur etwa 2 Tonnen und sie kann Chandrayaan-3 nicht direkt in die Erde-Mond-Umlaufbahn bringen.

Daher trat „Chang'e3“ zunächst in die Phasenanpassungsphase des Fluges um die Erde ein und erhöhte durch fünf große elliptische Umlaufbahnmanöver allmählich das Apogäum der Erdumlaufbahn, um in die Erde-Mond-Transferbahn einzutreten.

Das Problem besteht darin, dass Chandrayaan-3 in seiner Anfangsphase nicht reibungslos in die Umlaufbahn eintrat: Gemäß dem Plan hätte es zunächst eine elliptische Umlaufbahn mit einem Perigäum von 170 Kilometern und einem Apogäum von 36.500 Kilometern erreichen sollen. Aufgrund unzureichender Genauigkeit beim Einschwenken in die Umlaufbahn erreichte Chandrayaan-3 eine Umlaufbahn mit einem Perigäum von 138 Kilometern und einem Apogäum von 36.300 Kilometern. Die Perigäumshöhe lag 32 Kilometer niedriger als erwartet, was unsicher erschien.

Die indische Raumfahrtorganisation hat dringend eine Reihe von Umlaufbahnanpassungen vorgenommen. Glücklicherweise hat sich die Umlaufbahnhöhe von Chandrayaan-3 nach fünf Umlaufmanövern wieder normalisiert und bereitet sich auf den Eintritt in die Erde-Mond-Transferbahn vor. Wenn die Sonde den Mond wie geplant am 23. August erreicht und zum richtigen Zeitpunkt auf dem Mond landet, wird die gesamte Reise zum Mond 40 Tage dauern.

Schematische Darstellung der indischen Monderkundungsumlaufbahn Chandrayaan-3

In den Augen russischer Luft- und Raumfahrtexperten ist „Chandrayaan-3“ jedoch ein Fall von „früh aufstehen und spät ankommen“. Der Start der russischen Sonde Luna 25 ist für den 11. August geplant. Seit dem Start von „Luna 24“ im Jahr 1976 erforscht Russland nach einem halben Jahrhundert erneut den Mond. Außerdem ist geplant, in der Südpolregion des Mondes zu landen, nach Spuren von Wassereis zu suchen und Staubplasmaforschung in der polaren Exosphäre des Mondes zu betreiben.

Ein weiteres wichtiges Ziel von „Luna 25“ besteht darin, das russische Ingenieursystem für die Erforschung des Weltraums und des Mondes zu „schulen“. Dabei sollen Ressourcen der Luft- und Raumfahrttechnologie integriert, ein Team talentierter Leute herangezogen und ausgebildet und der Grundstein für die spätere Erforschung des Mondes und sogar für die Errichtung einer Mondbasis gelegt werden.

Dank der größeren Tragfähigkeit russischer Raketen und der Startmasse von „Luna 25“ von nur 1,75 Tonnen wird die Sonde direkt in die Erde-Mond-Transferbahn eintreten und voraussichtlich um den 17. August den Mond umkreisen und am 21. August auf dem Mond landen. Es sieht so aus, als würden Indien und Russland um den Weltrekord der ersten Landung am Südpol des Mondes konkurrieren.

Russlands Luna 25 wird im Kosmodrom Wostotschny getestet

Kluge Auswahl des Monderkundungspfades

Allein durch einen Vergleich der Monderkundungsmissionen Indiens und Russlands können wir feststellen, dass ihre Monderkundungspfade und deren Auswirkungen sehr unterschiedlich sind.

Tatsächlich umfasst die Monderkundung harte Landungen, weiche Landungen und Mondumlaufbahnen. Kombiniert mit spezifischen Aufgaben besteht die Monderkundungsumlaufbahn grob aus fünf miteinander verbundenen Abschnitten: Start, Phasenanpassung, Erde-Mond-Transfer, Mondumrundung und Landung auf dem Mond.

Von diesen ist die Erde-Mond-Transferbahn von entscheidender Bedeutung und gilt als der bequemste Weg für die Sonde, um von der Erde zum Mond zu fliegen. Das Perigäum und das Apogäum dieser Umlaufbahn berühren jeweils die Parkbahn und die Mondumlaufbahn der Sonde um die Erde, sodass die Sonde nach etwa vier Flugtagen das Perigäum erreichen und dann im Gravitationsfeld des Mondes „abbremsen“ und vom Mond eingefangen werden kann.

Betrachtet man die Monderkundungsaktivitäten verschiedener Länder, wählen die Sonden hauptsächlich zwei Routen. Eine davon ist die phasenweise Einführung in mehrere Umlaufbahnen, d. h. die Rakete schickt die Sonde in eine große elliptische Umlaufbahn um die Erde, und dann beschleunigt die Sonde in die Erde-Mond-Transferbahn und fliegt dann zum Mond. Der „Subtext“ dieser Wahl besteht im Allgemeinen darin, dass die Tragfähigkeit der Rakete unzureichend sei und sie hauptsächlich für unbemannte Monderkundungsmissionen eingesetzt werde.

Öffentlichen Informationen zufolge hat die Chang'e-1-Sonde meines Landes diesen Weg gewählt, um zum Mond zu gelangen. Die Rakete vom Typ Langer Marsch 3A brachte die Sonde in eine große elliptische Umlaufbahn um die Erde mit einem Perigäum von 200 Kilometern und einem Apogäum von 51.000 Kilometern. Anschließend wechselte die Sonde viermal die Umlaufbahn und gelangte in die Erde-Mond-Transferbahn. Nach über 100 Flugstunden erreichte es den Perigäum.

Es ist nicht schwer zu erkennen, dass die Sonde in diesem Modus mehrere Möglichkeiten hat, ihre Umlaufbahn anzupassen und zu versuchen, durch den Start und andere Faktoren verursachte Fehler zu eliminieren. Bei jedem eingeleiteten Orbitwechsel bleibt die Position der Sonde relativ zur Erde im Wesentlichen unverändert, was es dem Bodenteam erleichtert, den Orbitwechselprozess der Sonde zu überwachen. Dieser Modus würde jedoch zweifellos die Flugzeit der Sonde verlängern und ist für bemannte Monderkundungsaktivitäten nicht förderlich.

Die zweite Möglichkeit ist der direkte Eintritt in die Umlaufbahn, d. h. die Rakete schickt die Sonde direkt in die Erde-Mond-Transferbahn. Beispielsweise wurde die Raumsonde Chang'e-2 meines Landes mit einer Rakete vom Typ Langer Marsch 3C gestartet und gelangte direkt in die Erde-Mond-Transferbahn, wodurch die Zeit bis zum Erreichen des Mondes erheblich verkürzt wurde. Seitdem wurde dieses Modell für alle Monderkundungsaktivitäten meines Landes ausgewählt.

Durch die Wahl dieser Methode lässt sich die Flugzeit der Sonde verkürzen und Treibstoff sparen, allerdings werden dabei sehr hohe Anforderungen an die Verteilung des Mess- und Steuerungsnetzwerks, an die Befehls- und Kommunikationstechnik, an die Raketentragfähigkeit und an die Genauigkeit der Orbitalbewegung gestellt. Theoretisch kann der Positionsfehler Tausende von Kilometern betragen, wenn die Sonde beim Eintritt in die Erde-Mond-Transferbahn einen Geschwindigkeitsfehler von einem Meter pro Sekunde oder einen Höhenfehler von einem Kilometer aufweist, wenn sie in die Nähe des Mondes gelangt.

Auch im Apollo-Programm der USA gelangten bemannte Raumfahrzeuge direkt in die Erde-Mond-Transferbahn, wählten dabei aber den sogenannten „freien Rückkehrorbit“ in Form einer „8“, um die Missionszuverlässigkeit zu verbessern: Wenn die Verzögerungswirkung des Raumfahrzeugs beim Erreichen des Mondes nicht ausreicht, kann es automatisch zur Erde zurückkehren.

Dieser Orbitentwurf spielte bei der Apollo-13-Mission eine bedeutende Rolle. Damals kam es im Weltraum zu einer Reihe von Störungen an der Raumsonde, darunter eine unzureichende Sauerstoffversorgung und das Abschalten des Haupttriebwerks. Mit Hilfe des Bodenkontrollzentrums gelang es den Astronauten, das Raumschiff in eine freie Umlaufbahn zu „schieben“ und sicher zurückzukehren.

Gleisoptimierung bietet breite Perspektiven

Die Erde-Mond-Transferbahn ist der kürzeste Weg für Flüge zwischen der Erde und dem Mond, stellt jedoch hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit, mit der das Raumfahrzeug in die Umlaufbahn eintritt. Unabhängig davon, ob es sich um einen Direktstart oder einen stufenweisen Einsatz in mehreren Umlaufbahnen handelt, muss die Sonde eine Geschwindigkeitssteigerung von etwa 500 Metern pro Sekunde erreichen, wenn sie in die Transferbahn Erde-Mond eintreten will, was beträchtliche Energie verbraucht.

Im Jahr 1990 startete Japan die Mondsonde Hiten, die erstmals den sogenannten „ballistischen Mondtransferorbit“ nutzte, um eine Mondumlaufbahn mit geringerem Energieverbrauch zu erkunden.

Damals wurde die Sonde zunächst mit einer Rakete in die Nähe des Mondes gebracht und dann mit Hilfe der Schwerkraft des Mondes in die entgegengesetzte Richtung zu einem etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernten Ort auf der Linie Sonne-Erde gelenkt. Anschließend wurde mit Hilfe der Schwerkraft der Sonne die Geschwindigkeitsrichtung der Sonde geändert, wodurch der für den Eintritt der Sonde in die Umlaufbahn erforderliche Geschwindigkeitszuwachs verringert wurde.

Diese Methode der Monderkundung und des Eintritts in die Umlaufbahn ist zeitaufwändig (oft drei bis vier Monate), stellt hohe Anforderungen an Messung und Steuerung und eignet sich eher für kleine Mondsonden, die wenig Treibstoff mitführen. Diese Art von Umlaufbahn wurde 2004 von der SMART-1-Sonde der Europäischen Weltraumorganisation, 2022 von der US-amerikanischen Capstone-Sonde und 2022 von der südkoreanischen Hyungwol-Sonde verwendet.

In den letzten Jahren haben Länder den Mond erforscht und die Erforschung und Gestaltung neuer Mondumlaufbahnen ist ein unvermeidlicher Trend. Während der US-Mission „Artemis-1“ führte die Raumsonde Orion einen unbemannten Mondflugtest durch und erreichte eine große retrograde Umlaufbahn 64.000 Kilometer von der Mondoberfläche entfernt. Diese Art von cislunarer Weltraumumlaufbahn zeichnet sich durch langfristige Stabilität und niedrige Eintrittsenergie in die Umlaufbahn aus und soll in Zukunft als Transitstation für bemannte Mond-/Marsmissionen dienen.

Öffentlichen Berichten zufolge führte der Chang'e-5-Orbiter meines Landes, nachdem er seine Mission zur Unterstützung der Rückführung von Mondproben abgeschlossen hatte, eine Reihe von Expansionsexperimenten durch, darunter auch Orbitaltestmissionen, und trat in eine retrograde Umlaufbahn mit großer Amplitude um den Mond ein. In Zukunft dürften ähnliche Umlaufbahnen in Kombination mit freien Rückkehrbahnen die Missionszuverlässigkeit bemannter Raumfahrzeuge und unbemannter Sonden deutlich verbessern.

Kurz gesagt muss die Gestaltung der Monderkundungsumlaufbahn auf den spezifischen Umständen der Mission basieren, einschließlich der Transport-, Mess- und Steuerungsmöglichkeiten und der Manövrierfähigkeit der Sonde selbst, und es müssen umfassende Überlegungen zur Flugplanung der Sonde, zum Treibstoffbudget usw. angestellt werden. Während der Entwicklungsphase der Sonde müssen die Anforderungen der an Bord befindlichen Subsysteme berücksichtigt, die Umlaufbahneigenschaften analysiert, der Flugprozess optimiert, die vorläufige Umlaufbahngestaltung abgeschlossen und auch Fehlerpläne und die Möglichkeit einer Missionserweiterung in Betracht gezogen werden.

Die Monderkundungsmission ist derzeit ein beliebtes Projekt in der internationalen Raumfahrtindustrie. Die Tatsache, dass viele Sonden ihre Ziele nicht erreicht haben, beweist jedoch, dass sie immer noch mit hohen Risiken und großen Herausforderungen verbunden ist. Die Menschheit wird in ihrem Tempo die Weltraumforschung nicht aufgeben. Ich bin davon überzeugt, dass Mondraumfahrzeuge optimiertere Umlaufbahnen erforschen werden, um der Menschheit besser dienen zu können. (Autor: Yang Shirui, Bildquelle: Indische Weltraumorganisation, Russische Staatliche Weltraumgesellschaft, Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)