Wie versende ich „Space Express“? Der umfassendste Lieferprozess! ｜Young blickt zu den Sternen auf und verfolgt seine Träume

Jung schaut auf die Sterne und jagt den Sternen und Träumen

Ehe wir uns versahen, stand das Jahr 2023 bereits vor der Tür. Wenn wir auf die vergangenen 300 Tage und Nächte zurückblicken, erscheinen sie wie eine Abfolge von Schritten, und jeder Schritt spiegelt die Entwicklung der chinesischen Luft- und Raumfahrtindustrie wider. Da der Neujahrstag näher rückt, haben wir für unsere Leser die 9. Staffel der Science Time Party „Junge Leute schauen sich die Sterne an, jagen Sternen nach und verfolgen Träume“ vorbereitet. Begleiten Sie uns auf einer spannenden Reise, auf der wir Sterne jagen und Träume verwirklichen!

Rezensent: Zhao Liangyu

Außerordentlicher Professor, Abteilung Flugsteuerung, Schule für Luft- und Raumfahrt, Beijing Institute of Technology

Am 30. November 2022 trafen sich die Besatzungen von Shenzhou 15 und Shenzhou 14 erfolgreich im Weltraum. Damit wurde ein neuer Durchbruch erzielt, da sich sechs Astronauten gleichzeitig im Orbit befanden und der erste „Weltraumtransfer“ chinesischer Astronauten abgeschlossen war.

Gruppenfoto der Besatzungsmitglieder von Shenzhou-14 und Shenzhou-15 im Weltraum. Quelle: CCTV

Alles, was Astronauten zum Leben und Arbeiten im Weltraum benötigen, wird von der Erde zur Raumstation transportiert. Wie also findet jedes „Space Express“-Frachtraumschiff die genaue Adresse der Raumstation und liefert die Waren bis an die Tür?

Diese Technologie wird als Rendezvous- und Docking-Technologie für Raumfahrzeuge bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die es zwei Raumfahrzeugen ermöglicht, sich in der Weltraumumlaufbahn zu treffen und sie strukturell zu einem Ganzen zu verbinden. Es handelt sich um eine wichtige technische Unterstützung für die Realisierung des Hin- und Rücktransports zwischen der Erde und der Raumstation, die Montage von Raumstationen mit mehreren Modulen und zukünftige Mondlandeaktivitäten.

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Finden Sie die Orbitalregeln heraus

Die meisten Raumfahrzeuge (Satelliten, Raumstationen usw.) umfliegen die Erde auf festen Umlaufbahnen. Zu den Umlaufbahntypen gehören Kreisbahnen, elliptische Umlaufbahnen usw. Die Umlaufbahn unserer Raumstation ist eine Kreisbahn, die eine annähernd gleichmäßige Kreisbewegung um die Erde ausführt. Um ein Raumfahrzeug erfolgreich andocken zu können, ist es notwendig, die Gesetze der Umlaufbewegung zu verstehen, die die Grundlage für die Ermittlung der „Adresse“ des Raumfahrzeugs bilden.

Die Raumstation fliegt in einer Umlaufbahn etwa 400 km von der Erde entfernt und kann die Erde in 1,5 Stunden umrunden, während die Flughöhe des Satelliten in geostationärer Umlaufbahn etwa 36.000 km beträgt. Unter dem Einfluss der Erdanziehungskraft ist die Zeit, die ein Raumfahrzeug für eine Erdumrundung benötigt, umso kürzer, je näher die Flugbahn an der Erde liegt. Bei Raumfahrzeugen in derselben Kreisbahn bleibt die Relativgeschwindigkeit Null.

Quelle der Raumfahrzeugumlaufbahn: Nachrichtenagentur Xinhua

Die Ebene, in der ein Raumfahrzeug seine Umlaufbahn einnimmt, wird als Orbitalebene bezeichnet. Wenn ein Raumfahrzeug auf dieser Ebene den Radius seiner Umlaufbahn ändern möchte, kann es dies durch Erhöhen oder Verringern seiner Geschwindigkeit tun. Wenn die Umlaufbahnen nicht identisch sind, können die Geschwindigkeitswerte zweier Raumfahrzeuge, deren Umlaufbahnen sich kreuzen, gleich sein. Da die Geschwindigkeit jedoch auch eine Richtungsabhängigkeit hat, werden die beiden Raumfahrzeuge „kollidieren“, wenn sie aufeinandertreffen. Um dies zu vermeiden, muss viel Energie aufgewendet werden, um die Geschwindigkeitsrichtung eines der Raumfahrzeuge zu ändern. Um Rendezvous und Andockmanöver besser und arbeitssparender durchführen zu können, dürfen sich die beiden Raumfahrzeuge daher häufig in derselben Orbitalebene treffen.

Schematische Darstellung der relativen Geschwindigkeitsbeziehung zwischen zwei Flugzeugen, deren Orbitalebenen sich schneiden. Quelle: People's Information

Durch das Verständnis der Gesetze dieser Umlaufbewegung können Wissenschaftler den besten Haltepunkt im Orbit für Rendezvous und Andockmanöver berechnen, und die „Adresse“ ist im Grunde festgelegt!

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Wie finden Raumfahrzeuge einander? Wie können wir die „Expresslieferung“ nun reibungslos versenden, nachdem wir die „Adresse“ haben?

Der erste Schritt besteht darin , das Raumschiff ins All zu bringen. Wenn sich ein Raumfahrzeug auf der Oberfläche befindet, entspricht seine Geschwindigkeit der Rotationsgeschwindigkeit der Erde. Beim Abheben muss diese Abweichung korrigiert werden, um erfolgreich an der Raumstation andocken zu können. Um den Energieverbrauch zu senken, muss die Umlaufbahn der Raumstation genau gemessen und vorhergesagt werden, um die theoretische Startzeit des Raumfahrzeugs zu bestimmen. Dies wird als „Zeitfenster mit Nullbreite“ bezeichnet , auch als „Nullfenster“ oder „Punktfenster“.

Am 29. November um 23:08 Uhr wurde das bemannte Raumschiff Shenzhou 15 erfolgreich gestartet. Quelle: CCTV News

Als nächstes muss das Raumfahrzeug in dieselbe Umlaufbahnebene wie die Raumstation gebracht werden und seine Position liegt häufig unterhalb und hinter der Raumstation. Dieser Ort wird als Parkplatz bezeichnet.

Der Andockpunkt für Shenzhou 9 und Tiangong 1 ist eingerichtet. Quelle: CCTV

Anschließend wird das Raumfahrzeug gemäß dem berechneten Plan zur Bahnänderung schrittweise seine Fluglage und Umlaufbahnhöhe ändern, um sich der Raumstation besser nähern zu können . Dieser Vorgang kann mehr oder weniger lange dauern und erfordert aufgrund der Umlaufbahnänderung ein „Stoppen und Starten“. Bei großen Entfernungen können die Umlaufbahnen des Raumfahrzeugs und der Raumstation durch Bodenstationen und Navigationssysteme gemessen und vorhergesagt werden, sodass das Raumfahrzeug die Raumstation „verfolgen“ kann. Wenn die Entfernung gering genug ist, können sich die Raumstation und das Raumfahrzeug gegenseitig „erkennen“. Dann kommen die Radar- oder optischen Messgeräte des Raumfahrzeugs zum Einsatz und können die relative Geschwindigkeit und Position der beiden präzise messen. Die Messungen in dieser Phase sind äußerst genau und werden häufig autonom vom Raumfahrzeugcomputer berechnet, was auch die Echtzeitverarbeitungsfunktionen verbessert.

Schematische Darstellung der Orbitalsteuerung für Rendezvous und Andocken zwischen Shenzhou 8 und Tiangong 1. Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

Wenn der Abstand zwischen den beiden 100–200 Meter beträgt, wird die letzte Stufe der Übersetzung und Konvergenz erreicht, sowohl im manuellen als auch im automatischen Modus. Zu diesem Zeitpunkt ist ihre Bahnabweichung bereits sehr gering, es sind jedoch noch letzte Richtungs- und Lagekorrekturen erforderlich, um sicherzustellen, dass ihre Positionen, Winkel, Lagen und relativen Geschwindigkeiten konsistent sind. Warum den manuellen Modus beibehalten? Denn die direkte Beobachtung durch das menschliche Auge entspricht mitunter eher den Bedienungsgewohnheiten der Astronauten und bei einem Ausfall der Maschine ist zusätzlich eine manuelle Bedienung durch die Astronauten notwendig.

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Wie gelingt die Anbindung an den Bereich „Wareneingang“?

Wenn die beiden Raumschiffe die Raumstation erreichen, besteht der nächste Schritt darin, anzudocken. Zu diesem Zeitpunkt sind die seitliche Position, Geschwindigkeit, dreiachsige Fluglage und Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs relativ zur Raumstation nahezu synchronisiert, und nur die axiale Flugrichtung behält eine bestimmte Geschwindigkeit bei. Dabei gilt: Je höher die Schnittpunktgenauigkeit, desto besser und je größer der Toleranzbereich, desto besser, was einem erfolgreichen Andocken förderlicher ist.

Am Beispiel der Schlüsselmodule und Kernmodule der chinesischen Raumstation werden andere Module oder Raumfahrzeuge mit ihren Knotenmodulen verbunden. Das Knotenmodul verfügt über vier Docking-Ports und einen Ausgang. Zwei der vier Andocköffnungen werden zum Andocken von Versuchsmodulen verwendet, die anderen beiden dienen zum Andocken von Raumfahrzeugen.

Knotenkabinenquelle: CCTV

Das Andocken gliedert sich im Wesentlichen in drei Schritte.

1. Kontakt, Akzeptanz und geometrische Positionskorrektur.

Obwohl sowohl das Raumschiff als auch die Raumstation ihre Lage korrigierten, kam es weiterhin zu leichten Abweichungen. Dieser Schritt entspricht dem Ausrichten jeder Schraube mit jedem Schraubenloch. Bei einer Positionskorrektur „greift“ der Fangmechanismus den Gegenpart und sorgt so dafür, dass er sich nicht wieder löst.

2. Kollisionsenergie puffern und verbrauchen.

Auch wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen Raumfahrzeug und Raumstation nahe Null liegt, wird dennoch eine Aufprallkraft erzeugt und es müssen Puffer- oder Energieableitungsvorrichtungen konfiguriert werden, um diese Energie zu verlangsamen, zu verbrauchen oder zu absorbieren.

Das Pufferdämpfungssystem des Raumfahrzeugs Shenzhou 8. Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

3. Mechanische Verbindung.

Nachdem sich das Raumschiff und die Raumstation vollständig angenähert haben, müssen sie durch eine mechanische Verriegelung miteinander verbunden werden. Bei einer bemannten Raumstation muss nicht nur die Festigkeit der Verbindung und die Tragfähigkeit sichergestellt werden, sondern auch die Abdichtung des Raumes, damit die Astronauten problemlos reisen können. Im Allgemeinen sind Raumstationen mit metallischen Dichtungsflächen und Raumfahrzeuge mit Dichtungsringen aus Gummi ausgestattet.

Natürlich müssen einige Raumfahrzeuge zur Erde zurückkehren, daher muss das Schloss verriegelt und geöffnet werden können. Darüber hinaus sind an bestimmten Stellen der mechanischen Verriegelung Sprengvorrichtungen eingebaut, die im Fehlerfall die Verbindung „sprengen“.

Rendezvous und Andocken sind komplexe technische Vorgänge mit starker Kopplung von Zeit und Raum. Es handelt sich um eine wichtige Weltraumtechnologie, die auf der Grundlage von Orbitalgesetzen und der Luft- und Raumfahrttechnologie entwickelt wurde. Es ist die technische Garantie für die menschliche Erforschung des Mondes und sogar des Weltraums. In Zukunft wird sich die Rendezvous- und Dockingtechnologie sicherlich weiterentwickeln, um den unterschiedlichen Anforderungen der menschlichen Weltraumforschung gerecht zu werden.