Wie sind wir gekommen und wohin gehen wir? Enthüllung der Entwicklungsideen für das Frachtraumschiff der Tianzhou-Serie

Wenn das Raumschiff Shenzhou ins All startet, können Astronauten höchstens ein paar hundert Kilogramm Handgepäck mitnehmen. Im Jahr 2013 waren die Vorräte der beiden Astronauten der Shenzhou-11-Flugbesatzung einen Monat lang im Weltraumlabor Tiangong-2 aufgebraucht. Als China beschloss, seine eigene Raumstation „Tiangong“ zu bauen und zu betreiben, stellte sich lange Zeit die Frage, wie der Treibstoff der Raumstation nachgefüllt werden sollte. Was sollten Astronauten tun, wenn ihnen bei einem längeren Aufenthalt die Dinge des täglichen Bedarfs ausgehen?

Es entstand ein Frachtraumschiff. Heute sind fünf Frachtraumschiffe der chinesischen Tianzhou-Serie in See gestochen, reisen durch Himmel und Erde und bilden eine Lebensader für bemannte Raumfahrtprojekte. Als häufiger Besucher des Transportkanals Himmel-Erde stellt sich die Frage: Woher kommt es und wohin geht es?

Bahnbrechend: Tianzhou erzielt einen großen Fortschritt in der Raumfahrtantriebstechnologie

Genetische Unterschiede schaffen unterschiedliche Lebensformen. Das Frachtraumschiff wird von Grund auf neu erstellt. Sein Entwurf und seine Entwicklung müssen auf der Grundlage seiner eigenen Merkmale erfolgen und den Missionsanforderungen der Raumstation entsprechen. Dies ist ein Prozess schrittweiser Entdeckung, Erforschung, Durchbruch und Verbesserung.

Im Jahr 2011 begann die Fünfte Akademie der chinesischen Raumfahrtwissenschafts- und Technologiegesellschaft mit der Durchführung einer Machbarkeitsstudie für das Frachtraumschiff, erstellte einen technischen Gesamtplan für die Konfiguration der Frachtkabine und der Antriebskabine und nutzte Tianzhou-1 als erstes experimentelles Frachtraumschiff meines Landes, um die Rationalität des Designs der Raumfahrzeugplattform selbst zu überprüfen.

Schematische Darstellung des Frachtraumschiffs Tianzhou-1

Dang Rong, stellvertretender Chefdesigner der Frachtraumschiffe der Tianzhou-Serie, erklärte, dass sich aufgrund der Größe der Frachtraumschiffe die Position des Schwerpunkts mit der unterschiedlichen Frachtmenge jeder Mission ändern werde und dass sich die Beladung des Frachtraumschiffs mit Abfall aus der Umlaufbahn ebenfalls auf die Kontrolle des Schwerpunkts auswirken werde. Wenn die Lageregelungstriebwerke wie bei anderen Raumfahrzeugen in der Nähe des Schwerpunkts und an der hinteren Stirnseite installiert sind, können sie sich nicht gut an die Anforderungen der einzelnen Missionen anpassen. Dies führt leicht zu einer schlechten Lagestabilität und kann sogar Rendezvous und Andockmanöver beeinträchtigen.

Dies ist das erste Problem, das bei der Entwicklung eines Frachtraumfahrzeugs berücksichtigt werden muss. Um sicherzustellen, dass sich das Raumschiff an unterschiedliche Schwerpunktpositionen und hochpräzise Steuerungsanforderungen anpassen kann, verfügt Tianzhou-1 über 36 Triebwerke von vier Typen, die an der vorderen Kegel- und hinteren Endfläche des Raumschiffs angeordnet sind.

„Möglichst viel Fracht transportieren“ ist das Hauptziel der Designer. Zhang Zhenhua, stellvertretender Chefdesigner des Tianzhou-Frachtraumschiffsystems, sagte, dass hierfür eine Erhöhung der Tragfähigkeit des Raumschiffs und eine Reduzierung seines Eigengewichts erforderlich sei.

Um die Tragfähigkeit zu verbessern, verfügen die hocheffizienten Tragregale des Schiffs über eine Balken-Platten-Struktur auf Basis von Wabenplatten und vertikalen Kohlenstofffaserträgern, um eine große Anzahl von Standardladeeinheiten mit guter Kraftübertragungswirkung zu bilden, während das Verhältnis von Struktur zu Ladungsgewicht nur 8 % beträgt. Um das Eigengewicht zu reduzieren, werden in allen wichtigen elektronischen Einheiten des Raumfahrzeugs im Inland produzierte 100-Volt-Dickschicht-Stromversorgungsmodule verwendet. Dadurch wird nicht nur das Gewicht der Stromverteilungsgeräte und -kabel reduziert, sondern auch die Grundlage für die 100-Volt-Hochspannungsübertragung gelegt.

Eine wichtige Fracht, die Tianzhou transportieren wird, ist Treibstoff, wofür Durchbrüche in der Treibstoffnachschubtechnologie im Orbit erforderlich sind. Zuvor beherrschten nur Russland und die USA die Technologie zur Treibstoffnachschubversorgung im Orbit. Einige ausländische Partner äußerten ebenfalls ihre Bereitschaft, mit China technische Zusammenarbeit zu betreiben, doch das Forschungs- und Entwicklungsteam bestand darauf, dass „wir die Betankungstechnologie im Weltraum selbst in die Hand nehmen müssen“ und verbrachte zehn Jahre damit, eine Reihe von Schlüsseltechnologien zu meistern. Schließlich schloss das Frachtraumschiff Tianzhou-1 im Jahr 2017 die Treibstoffauffüllung im Orbit des Weltraumlabors Tiangong-2 ab und erreichte damit einen Technologiesprung im Bereich der Raumfahrtantriebe meines Landes.

Zunächst: Tianzhou als Plattform zur Flugverifizierung

Tianzhou-1 muss die wertvolle Fluggelegenheit nutzen und neben der Erfüllung seiner eigenen Mission eine große Anzahl vorläufiger technischer Überprüfungen für den Bau der Raumstation und bemannter Raumfahrzeuge durchführen.

Um die in der Raumstation verwendeten Schlüsselkomponenten im Voraus zu überprüfen und die Realisierung einer unabhängigen Steuerung zu beschleunigen, machte Tianzhou-1 als Flugüberprüfungsplattform in großem Umfang Gebrauch von 44 im Inland entwickelten Kernkomponenten in sieben Kategorien. Ob es um die Anwendung eines vollständig verteilten 100-Volt-Hochspannungs-Stromverteilungssystems und Hochspannungs-Lithiumbatterien oder des internen Ethernet-Hochgeschwindigkeitsinformationssystems des Frachtraumfahrzeugs geht, bis hin zur separaten Planung der Stromversorgung und des Informationsflusses für die Nutzlast hat das Forschungs- und Entwicklungsteam ein brandneues Elektronik- und Informationssystem etabliert. „Wir haben damals alle Hersteller besucht und verschiedene Tests durchgeführt“, sagte Dang Rong.

Auch bei Tianzhou-2 hat das Entwicklungsteam einige wichtige Dinge erreicht.

Überprüfen Sie zunächst die autonome schnelle Rendezvous- und Dockingtechnologie. Beim Frachttransport werden keine hohen Anforderungen an die Pünktlichkeit gestellt, doch angesichts der lebensrettenden Notfälle bei bemannten Raumfahrzeugen muss „Tianzhou“ die Verantwortung einer Pionierrolle übernehmen. Tianzhou-2 absolvierte nicht nur ein achtstündiges autonomes Rendezvous und Andocken, sondern führte vor dem Verlassen der Umlaufbahn auch einen zweistündigen schnellen Rendezvous- und Andocktest im Orbit durch.

Zweitens arbeitete Tianzhou-2 mit Astronauten zusammen, um manuelle Fernsteuerungstests durchzuführen und so die Zuverlässigkeit des Rendezvous und Andockens zu verbessern. Dang Rong sagte, dass die Astronauten das Frachtraumschiff nun per Fernsteuerung von der Raumstation aus an der Raumstation andocken würden, anders als die Astronauten zuvor, die das Zielraumschiff steuerten und es gleichzeitig vom aktiven Raumschiff aus beobachteten. Das Frachtschiff muss zunächst das Bild aufnehmen und es dann an die Raumstation übermitteln. Die Astronauten arbeiten dann entsprechend dem empfangenen Bild, sodass es bei diesem Hin- und Rückflug zu Zeitverzögerungen kommt. Zu diesem Zweck hat das Forschungs- und Entwicklungsteam den „Luft-Luft-Kommunikator“ für die Zweiwegekommunikation zwischen Raumfahrzeugen verbessert und seine Übertragungsleistung von Kilobyte auf Megabyte erhöht.

Drittens wurde die Möglichkeit einer bidirektionalen netzgekoppelten Stromversorgung zwischen Tianzhou und der Raumstation geschaffen. Das Raumstationsprojekt ist ein großes System. Wenn ein derart komplexes System im Orbit fliegt, ist es unvermeidlich, dass die Solarmodule von der Sonne abgeschirmt werden, wodurch die Stromversorgung des Raumfahrzeugs den Strombedarf eines bestimmten Betriebsmodus vorübergehend nicht decken kann. Die Raumstation kann Frachtraumschiffe mit Energie versorgen, und wenn die Raumstation nicht genügend Energie hat, kann Tianzhou auch „Rückkopplungen zum Mutterschiff“ durchführen, um es mit Energie zu versorgen.

Viertens wurden die Durchführbarkeit und Wirksamkeit des Einsatzes des Roboterarms für den Transfer von Raumstationsmodulen getestet , die Technologie für den Transfer von Raumstationsmodulen und die Technologie zur Steuerung großer Lasten mit dem Roboterarm überprüft und Erfahrungen für die anschließende Montage und den Bau der Raumstation im Orbit gesammelt.

In dieser Phase ist Tianzhou ein technologischer Pionier.

Verbesserung: Kontinuierliche Verbesserung der Benutzererfahrung von Tianzhou

Mit dem erfolgreichen Abschluss der Missionen „Tianzhou-1“ und „Tianzhou-2“ hat sich der technische Status zunehmend stabilisiert. Beginnend mit „Tianzhou-3“ ist das Frachtraumschiff offiziell in den Batch-Entwicklungsmodus eingetreten.

Die Entwicklung eines humanen Frachtraumfahrzeugs, das ergonomischer gestaltet ist und das Benutzererlebnis schrittweise verbessern kann, war das Designkonzept, an dem sich das Luft- und Raumfahrtpersonal damals am meisten orientieren wollte.

Den Frachtpaketen nach zu urteilen, sind die über 160 Frachtpakete, die Tianzhou-2 transportierte, alle beige. Die drei Astronauten des bemannten Raumschiffs Shenzhou XII berichteten, dass sie die Art der Vorräte nicht schnell identifizieren konnten, da sie alle die gleiche Farbe hatten. Da sich die Farbe der in den Gepäcktaschen verwendeten Spezialmaterialien nur schwer ändern lässt, begann das Forschungs- und Entwicklungsteam damit, Schleifen an die Gepäcktaschen zu binden, wobei verschiedenfarbige Riemen unterschiedliche Arten von Fracht repräsentieren.

Bei der Ankunft in Tianzhou-4 wurden die Frachtpakete direkt mit bunten „Ausweisen“ gekennzeichnet. Es gibt sechs Farben: Hellblau, Dunkelblau, Grün, Lila, Hellbraun und Dunkelbraun. Grün steht für Astronautennahrung, Hellbraun für Fotoausrüstungspakete und Lila für Materialien im medizinischen Experimentalbereich. Die Entwickler haben ein digitales Managementsystem für Materialien über den gesamten Missionszyklus vom Boden bis zur Cloud eingerichtet, das eine automatische Informationseingabe zur Fracht und ein dynamisches Informationsmanagement zur Materialaufnahme und -platzierung ermöglicht. „Dieses System nutzt außerdem VR-Technologie, um den Astronauten visuelle Betriebsanweisungen zu geben, die es ihnen erleichtern, Fracht zu finden“, sagte Feng Yong, Oberkommandant der Frachtraumschiffe der Tianzhou-Serie.

Dieses Designkonzept spiegelt sich in allen Aspekten wider: Alle Stellen, die Astronauten berühren können, weisen stumpfe Winkel auf, möglichst weiches Licht und weiche Farben werden gewählt, Bodenfliesen haben eine raue Oberfläche, um Blendung zu vermeiden, verschiedene Farben werden verwendet, um ein visuelles „Himmel-und-Erde“-Erlebnis zu erzeugen, unterschiedliche Frequenzen und Töne werden verwendet, um die Alarmarten der Raumstation zu unterscheiden, und der Polsterschaum in der Frachttasche ist in Blöcke unterteilt und miniaturisiert, damit Astronauten mehr Downlink-Vorräte mitführen können … Alles, was mit den fünf Sinnen Tastsinn, Geruchssinn, Geschmackssinn, Sehsinn und Hörsinn zusammenhängt, muss von den Entwicklern berücksichtigt werden.

Während der Tianzhou-3-Mission hängten die Entwickler eine geblümte Kalbspuppe an die Frachttasche. „Astronauten können im Weltraum unter Sehermüdung leiden. Ich hoffe, dass dies ihnen ein anderes Erlebnis bieten kann“, sagte Feng Yong.

Später wurde diese „kleine Blumenkuh“ an die Tür des „Zuhauses“ des Astronauten Tang Hongbo gehängt.

Upgrade: Tianzhou hat „Veränderung“ in seinen Genen

Da auf der Raumstation immer mehr wissenschaftliche Experimentalmissionen durchgeführt werden, ergeben sich neue Anforderungen an die Frachtraumfahrzeuge. Den aktuellen Rückmeldungen zufolge reicht der Treibstoff, den Tianzhou jedes Mal zur Raumstation bringt, aus und es bleibt sogar noch etwas übrig. Da in Zukunft mehr Fracht transportiert werden muss, steht dem Frachtraumschiff Tianzhou-6 eine strukturelle Anpassung bevor.

Zhang Zhenhua erklärte, dass die Frachtkabine des Frachtraumschiffs in drei Abschnitte unterteilt sei: den vorderen Kegel, den Säulenabschnitt und den hinteren Kegel. Der hintere Kegelabschnitt ist eine nicht versiegelte Struktur und beherbergt die elektronische Plattformausrüstung des Raumfahrzeugs. Bei dem verbesserten Raumschiff wurde die Anzahl der Treibstofftanks von ursprünglich 8 auf 4 reduziert, wodurch Platz für die elektronische Ausrüstung der Plattform und im hinteren Kegelbereich frei wurde und die Frachtkapazität erhöht wurde.

Das Einzige, was in der bisherigen Entwicklung von Tianzhou unverändert geblieben ist, ist der Wandel. Feng Yong glaubt, dass die Entwurfsphase von „Tianzhou“ abgeschlossen sei und die Produktion der aktuellen Frachtraumschiffe in Chargen aufgenommen werde. Ihr Status ist relativ stabil, was die Geschwindigkeit und Qualität bemannter Raumfahrtprojekte weitestgehend sicherstellen kann, was jedoch nicht bedeutet, dass sich daran nichts mehr ändern wird.

„Wir verwenden ständig neue Produkte, neue Technologien, neue Verfahren und neue Materialien.“ Feng Yong sagte, dass es oft einzelne Innovationen seien, die eines Tages zu Mutationen führten. Zuvor müssen wir ausreichende technische Überprüfungen durchführen, die Zuverlässigkeit sicherstellen, jedes Detail streng kontrollieren und sicherstellen, dass es weder „überdimensioniert“ noch „unterdimensioniert“ ist, wobei wir auch Kostenaspekte berücksichtigen müssen. Denn in China könnten kommerzielle Frachtraumschiffe, Mehrweg-Frachtraumschiffe oder andere neue Arten von Frachtraumschiffen auftauchen.

Das Frachtraumschiff Tianzhou-5 und die Montage der Verkleidung stehen in der Fabrik. Foto von Reporter Su Dong

Am 12. November 2022 startete das Frachtraumschiff Tianzhou-5. Dies ist das erste Frachtraumschiff, das begrüßt wird, nachdem die chinesische Raumstation die grundlegende „T“-Konfiguration gebildet hat. In Zukunft wird Tianzhou außerdem schnellere Transportgeschwindigkeiten, eine größere Ladekapazität, eine höhere Transporteffizienz und fortschrittlichere Technologieprüfungen erreichen.