„Träumen“ vom Tiangong: Enthüllung des Mengtian-Experimentiermoduls und seines Entwicklungsprozesses

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Von „blank“ über die „I“-Konfiguration und die L-Konfiguration bis hin zur T-Konfiguration, die gerade gebildet wird, sind diese einfachen Symbole das Ergebnis von 30 Jahren harter Arbeit in der bemannten Raumfahrttechnik. Vom Start des „921-Projekts“ bis zum erfolgreichen Start der Meng Tianchuang-Kapsel heute steht Chinas bemanntes Raumfahrtprogramm endlich kurz davor, das letzte Kapitel der dritten Geschichte zu schreiben.

Die Rakete Langer Marsch 5B beförderte das Raumschiff Dream ins All. Foto von Su Dong

„Mengtian“ ist einer der letzten Protagonisten, die auftreten.

„Einen Tempel im Schneckenhaus bauen“

Die Mengtian-Versuchskabine besteht aus vier Abteilen: der Arbeitskabine, der Frachtschleusenkabine, der Nutzlastkabine und der Ressourcenkabine. Die Kabine ist 17,88 Meter lang, hat einen maximalen Durchmesser von 4,2 Metern und eine Startmasse von etwa 23 Tonnen. Es ist mit großen flexiblen Solarzellen mit einer Stromerzeugungskapazität von bis zu 13,5 Kilowatt und einer entfalteten Fläche von 138 Quadratmetern ausgestattet. Innerhalb der Kabine befinden sich 13 Standard-Nutzlastschränke und außerhalb der Kabine 37 Nutzlastinstallationsstationen, die die Durchführung wissenschaftlicher Experimente auf der Raumstation besser unterstützen.

Dies ist die offizielle Einführung von „Mengtian“, aber hinter „Mengtian“ steckt eine wenig bekannte Geschichte.
Am 23. Mai 2012 stellte der Staat in seiner Genehmigung der Arbeitsteilung für das Raumstationssystem klar, dass die Achte Akademie der Chinesischen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrtwissenschaft und -technologie für die Gesamtentwicklung des Experimentalmoduls II der Raumstation verantwortlich sein werde. Zu Beginn des Projekts hieß die Experiment Cabin II „Survey Optical Cabin“ und das Survey Telescope war nur eine Komponente der Experiment Cabin. Während des Betriebs der Raumstation kommt es jedoch zu Störungen des Teleskopbetriebs durch Faktoren wie zusätzliche Objekte, Vibrationen, Lageänderungen und die Umlaufbahnsteuerung. Die Beobachtungsrichtung des Durchmusterungsteleskops wird den Betrieb der Raumstation beeinträchtigen. Die beiden widersprechen sich.

Später, mit der Verbesserung der Luft- und Raumfahrtkapazitäten meines Landes und nach zahlreichen Überlegungen, wurde das Vermessungsteleskop von der Versuchskabine getrennt und mit der Raumstation mitgeflogen.

Dies ist eine Win-Win-Situation, die das Mengtian-Laborkabinenteam jedoch unvorbereitet traf. Dies bedeutet, dass ihre bisherigen Entwürfe umfangreichen Änderungen unterzogen werden oder sogar verworfen und von vorne begonnen werden müssen. Der doppelte Druck der versunkenen Kosten und der nahenden Deadline für die Aufgabe ließ alle im Team in tiefe Gedanken versinken.
„Nach der Neugestaltung haben wir ‚Mengtian‘ als Arbeitsplatz für Astronauten positioniert und unterstützen verschiedene wissenschaftliche Experimente innerhalb und außerhalb der Kabine“, sagte Fan Ping, leitender Ingenieur und Chefdesigner des 805 Institute der Achten Akademie.

Das wissenschaftliche Forschungsteam machte ein Foto mit der Dream Space Capsule. Bild bereitgestellt vom Eighth Hospital

Während die ursprüngliche Strukturkonfiguration und die Plattformfunktionen unverändert bleiben, schlägt der neue Plan auf innovative Weise eine „Frachtschleusenfunktion“ vor, fügt ein Frachtein- und -ausgangsschleusenabteil hinzu und übernimmt geschickt eine verschachtelte Strukturkonfiguration, wodurch aus den „drei Abteilen“ „vier Abteile“ werden.

Das neu gestaltete Arbeitsmodul „Mengtian“ befindet sich am vorderen Ende und ist über einen Dockingmechanismus mit dem Kernmodul verbunden. Es ist auf die Mikrogravitationsforschung ausgerichtet und verfügt über 13 Experimentierkabinette in mehreren Disziplinen wie Strömungsphysik, Materialwissenschaften, Verbrennungswissenschaften, Grundlagenphysik und Experimente zur Luft- und Raumfahrttechnik. Darüber hinaus steht den Astronauten ein fast 32 Kubikmeter großes Studio namens „Dream Factory“ zur Verfügung. Die Nutzlastkabine und die Frachtschleuse sind in einer einzigartigen „verschachtelten Doppelkabinenform“ miteinander verbunden, d. h., in der Nutzlastkabine ist eine Frachtschleuse versteckt, die als spezieller Kanal für den Frachtausgang aus der Kabine dient. In der Ressourcenkabine am vorderen Ende sind das Solarorientierungsgerät und die flexiblen Solarmodule installiert.

„Die neu konzipierte Versuchskabine löst auch das Problem, dass große Nutzlasten die Luftschleuse nicht verlassen können. Im Shanghai-Dialekt heißt das, als würde man ‚einen Tempel in einem Schneckenhaus bauen‘“, sagte Liu Huiying, Planungsleiter der Mengtian-Versuchskabine. Sie haben die Nutzlastkabine außerdem mit zwei ausfahrbaren Expositionsplattformen und einer eingebetteten festen Expositionsplattform ausgestattet, die eine Fläche von 15 Quadratmetern abdeckt und mit einer großen Anzahl von Expositionslastpunkten außerhalb der Kabine konfiguriert werden kann.
Man kann sagen, dass das heutige „Mengtian“ den größten Impuls für den Aufbau eines nationalen Weltraumlabors meines Landes auf weltweit führendem Niveau darstellt.

„Warenorientiert“ und „Menschenorientiert“

Der Kern der bemannten Raumfahrt ist der Mensch.

Einer der wichtigsten Zwecke der bemannten Raumfahrt besteht darin, die Rolle der Menschen vor Ort voll auszuschöpfen, beispielsweise ihre subjektive Initiative bei der Problemlösung und ihre hochentwickelten operativen Fähigkeiten. Doch die Arbeitsfähigkeit der Menschen, insbesondere ihre Feinmotorik, ist innerhalb und außerhalb der Kabine sehr unterschiedlich.

Bei Außenbordaktivitäten sind die Sicht, der Handlungsspielraum und die Fähigkeit zur Verwendung von Werkzeugen aufgrund der Einschränkungen von Außenbordanzügen und Handschuhen stark eingeschränkt. Selbst mit einer speziellen Konstruktion und dem Einsatz von Spezialwerkzeugen ist es weit davon entfernt, das Präzisionsniveau von Vorgängen innerhalb der Kabine zu erreichen. Innerhalb der Kabine können Astronauten, sofern sie über geeignete Werkzeuge verfügen, die Arbeiten, die auch auf der Erde erledigt werden können, auch im Orbit erledigen.

Ein genauer Blick auf die Dream Sky Cabin. Bild bereitgestellt vom Eighth Hospital

Daher verfügt „Mengtian“ über eine einzigartige Funktion zum automatischen Ein- und Ausladen von Fracht, wodurch geeignetere Arbeitsbedingungen für Astronauten im Weltraum geschaffen werden und das Ziel erreicht wird, „frachtorientiert, aber menschenorientiert“ zu sein.

Anders als beim Wentian-Labormodul dient die Luftschleuse des Mengtian-Raumschiffs nicht mehr dazu, dass Astronauten die Kabine verlassen, sondern ist ein Kanal, der ausschließlich für den Austritt von Fracht aus der Kabine vorgesehen ist. Zuvor wurde der Transport und die Installation von Fracht innerhalb und außerhalb der Kabine im Allgemeinen dadurch durchgeführt, dass die Astronauten „die Kabine verließen, um Fracht mitzubringen“. Diese Methode war jedoch oft durch die Anzahl der Außenbordaktivitäten der Astronauten sowie durch die Anzahl und Größe der Nutzlasten eingeschränkt. Zudem waren die häufigen Außenbordaktivitäten der Astronauten in der Weltraumumgebung auch mit komplexeren Sicherheitsherausforderungen verbunden.

Die Frachtschleuse von „Mengtian“ verfügt über ein Doppeltürdesign mit „Innentür + Außentür“: Die Innentür, die zur Arbeitskabine führt, ist eine Schlüsselausrüstung zur Isolierung der Raumumgebung innerhalb und außerhalb der Kabine; die äußere, zum Boden gerichtete Tür ist der Ausgang für die Fracht nach außen aus der Kabine. Um die Sicherheit der Astronauten im Orbit zu gewährleisten, werden die inneren und äußeren Luken nicht gleichzeitig geöffnet.

Am Beispiel der Fracht-Außenbordmission richten die Astronauten die Nutzlast in der Kabine ein und installieren sie auf dem automatischen Transfermechanismus. das Personal evakuiert die Luftschleuse, kehrt in die Arbeitskabine zurück und schließt die Tür; die Luftschleuse wird drucklos gemacht; die Kabinentür wird geöffnet und der Transfermechanismus befördert die Nutzlast aus der Kabine; der Roboterarm greift die Nutzlast und nimmt sie mit; der Transfermechanismus wird in die Kabine zurückgezogen; und das Personal kann die Luftschleuse betreten, um normale Arbeiten durchzuführen.

„Die Transportkapazität des Lastübertragungsmechanismus erreicht 400 Kilogramm und die Umschlaggröße eines einzelnen Gütertransports kann 1,15 Meter × 1,2 Meter × 0,9 Meter erreichen“, sagte Liu Huiying.

Nach der Nutzung der Frachtschleuse müssen Astronauten keine Außenbord-Raumanzüge mehr tragen, um Nutzlasten zu senden oder zurückzubringen. Dies verringert die Sicherheitsrisiken solcher Operationen erheblich und verlängert die Lebensdauer der Raumanzüge.

Der Innenraum der Dream Sky Cabin mit Personal vor Ort.

Die automatische Luftschleuse dient als Übergangswerkstatt zwischen dem Inneren und Äußeren der Kabine, wo Großlastkomponenten zusammengebaut und getestet und anschließend als Ganzes aus der Kabine verschickt werden können. Auch die Nutzlast außerhalb der Kabine kann zunächst hierher bewegt werden. Nach der Druckbeaufschlagung können die Astronauten es auf die gleiche Weise zerlegen, reparieren und warten wie in der Kabine.

Darüber hinaus können Astronauten im Mengtian-Modul auch Mikrosatelliten zusammenbauen und diese zur Freigabe außerhalb des Moduls transportieren lassen.

„Mengtian kann die Montage und automatische Freigabe von 36U-Kubiksatelliten oder 100-Kilogramm-Mikrosatelliten im Orbit unterstützen“, sagte Li Lichun, Chefkonstrukteur des Mengtian-Labormoduls der Raumstation. „Das Volumen von 1U beträgt 10 cm x 10 cm x 10 cm und passt in Ihre Handfläche.“

„1+1+1=1“

Das einheitliche Drei-Modul-System der Raumstation ist ein einzigartiger Vorteil der Raumstation meines Landes.

Nach „Tianhe“ und „Wentian“ wird Chinas Raumstation Tiangong einen weiteren qualitativen Sprung machen, sobald „Mengtian“ angedockt ist und die Systemintegration abgeschlossen ist.

Betrachtet man die Raumstationen auf der ganzen Welt, so sind die Module der Raumstation Mir auf mehreren Ebenen angeordnet und das Problem der Behinderung durch die Solarflügel ist deutlich erkennbar. Die gesamte Internationale Raumstation ist hinsichtlich der Lage- und Umlaufbahnkontrolle in hohem Maße vom Servicemodul Swesda, dem Kernmodul, abhängig. Wenn bei diesem Modul ein Problem auftritt, wird die gesamte Raumstation erheblich beeinträchtigt.

Die Raumstation Tiangong betont die Systemvereinigung der drei Module der Raumstation basierend auf der Analyse und Bezugnahme auf die Designkonzepte, Erfahrungen und Lehren der Raumstation Mir und der Internationalen Raumstation. Außenbordaktivitäten werden durch doppelte Luftschleusen unterstützt, die Lage- und Umlaufbahnkontrolle wird durch Tianhe und Wentian unterstützt und Mengtian kann auch Schlüsselfunktionen unterstützen. Die drei Kabinen sind auf derselben Ebene verteilt, um sicherzustellen, dass die Solarmodule nicht blockiert werden. Durch drei schrittweise Starts werden die Montage und der Bau im Orbit abgeschlossen und ein leistungsstarker und vollständiger 70-Tonnen-„Tiangong“ gebildet. Unter den Bedingungen eines moderaten Maßstabs können höhere Forschungs- und Entwicklungsvorteile erzielt, eine effiziente Ressourcennutzung und eine stärkere Systemredundanz erreicht werden.

Darstellung der T-förmigen Konfiguration der chinesischen Raumstation. Bild bereitgestellt vom Eighth Hospital

Nach dem Andocken und der Neupositionierung wird „Mengtian“ etwa eine Woche brauchen, um seine eigenen Ressourcen in den Raumstationskomplex zu integrieren und eine netzgekoppelte Verwaltung von Steuerung, Energie, Informationen, Umgebung und anderen Funktionen mit den beiden anderen Modulen der Raumstation zu realisieren. Bis dahin wird die Raumstation nach der Montage von „Wentian“ eine weitere Systemintegration abschließen.

Einerseits wird nach der Systemintegration die Energie der drei Hütten an das Netz angeschlossen und einheitlich verwaltet. Die beiden Versuchskabinen können Energie kabinenübergreifend aufteilen und über einen Wärmeregelungs- und Wärmeableitungskreis verbunden werden, um eine der Energieversorgung entsprechende Zuteilung der Wärmeableitungskapazität zu realisieren.

Wenn beispielsweise auf Mengtian viele Verbraucher gestartet werden und nur auf die Stromerzeugung in dieser Hütte angewiesen ist, kann ein Mangel von 1 Kilowatt Strom auftreten. In diesem Fall kann 1 Kilowatt Strom aus Wentian in das Stromnetz eingespeist werden. Gleichzeitig kann „Mengtian“ die überschüssige Wärme, die es erzeugt, an „Wentian“ übertragen, die sicher über den Kühler von „Wentian“ abgeleitet wird.

Andererseits können nach der Systemintegration die Informationen zur Drei-Kabinen-Plattform und Nutzlast einheitlich verwaltet werden. Verschiedene Informationsnetzwerke werden kombiniert und der Plattformbus, das Nutzlast-Ethernet und das dazugehörige WLAN sind alle an das Netz angeschlossen, sodass das System die Geräte in jedem Abteil unterschiedslos überwachen und verwalten kann, was der einheitlichen Zuweisung und dynamischen Verwaltung der Nutzlastressourcen der gesamten Station förderlich ist.

Die Darstellung der Dreamliner-Kapsel, die im Orbit zusammengebaut wird. Bild bereitgestellt vom Eighth Hospital

Darüber hinaus kann nach der Integration des Systems die Wohn- und Arbeitsumgebung der drei Astronautenkabinen einheitlich verwaltet werden. Die geschlossenen Räume der Drei-Kabinen-Kombination sind zu einem lückenlosen Luftkreislauf verbunden. Luftdruck, -zusammensetzung, -temperatur und -feuchtigkeit können gleichmäßig gesteuert und durch den Luftstrom ausgeglichen werden, sodass den Astronauten in jeder Kabine eine angenehme Umgebung geboten wird.

Durch die Systemintegration kann die Ausrüstung in jedem Modul nach Bedarf eingesetzt und umgebaut werden. Auch im Steuerungssystem und bei Roboterarmanwendungen wird es Veränderungen in unterschiedlichem Ausmaß geben. Dies alles ist dem fortschrittlichen Systemdesign der Raumstation meines Landes zu verdanken.

Heute wird „Mengtian“ als Hauptmodul des nationalen Weltraumlabors die Fähigkeit der Raumstation meines Landes, wissenschaftliche Experimente im Orbit durchzuführen, erheblich verbessern. Es könnte in zahlreichen Spitzenbereichen wie Technologieentwicklung und -anwendung, Biologie, Physik usw. zu neuen, entscheidenden Durchbrüchen kommen, wodurch die wissenschaftliche und technologische Entwicklung vorangetrieben und die ferne Zukunft „näher gebracht“ wird.

Zu dieser Zeit werden in den Tiefen des Weltraums Spuren des chinesischen Volkes zurückbleiben.