Relaissatelliten: bemannte Raumfahrt und die Erforschung des Weltraums komfortabler gestalten

Am 13. Juli 2022 brachte die Trägerrakete Langer Marsch 3B meines Landes den Satelliten Tianlian-2-03 in die vorbestimmte Umlaufbahn und markierte damit die erfolgreiche Vernetzung und den Betrieb des Datenrelaissatelliten der zweiten Generation im geosynchronen Orbit meines Landes. Es kann die globale Abdeckung von Raumfahrzeugen in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen gewährleisten und eine unterbrechungsfreie Kommunikation rund um die Uhr gewährleisten.

Schematische Darstellung des Satellitensystemnetzwerks der zweiten Generation (Quelle: China Aerospace Science and Technology Corporation Fifth Academy)

Was ist ein Relaissatellit?

Ein Tracking- und Datenrelaissatellit, auch als Relaissatellit bekannt, ist eine Art von Satellitenkommunikationssatellit, dessen Hauptaufgabe darin besteht, Relaiskommunikationsdienste für Raumfahrzeuge bereitzustellen.

Der Grund für die Entstehung eines solchen Satelliten liegt hauptsächlich in der Notwendigkeit der Entwicklung der bemannten Raumfahrt. Wie wir alle wissen, operieren bemannte Raumfahrzeuge und Raumstationen in niedrigen Erdumlaufbahnen. Daher ist es, egal wie dicht die Bodenstationen aufgestellt sind, schwierig, rund um die Uhr ununterbrochene Kommunikationsverbindungen sicherzustellen. Bemannte Flüge sind ein riskantes Unterfangen. Schon wenige Minuten Kommunikationsunterbrechung können das Bodenkontrollpersonal erschrecken und der Verlust einer solchen Kommunikationsverbindung kann auch zu unvollständigen Telemetriedaten führen. Der Hauptgrund für Kommunikationsausfälle bei bemannten Flügen besteht darin, dass die Erde selbst die Sichtlinie zwischen Bodenstationen und Raumfahrzeug blockiert. Wenn also eine Gruppe von Satelliten in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht wird und das Raumfahrzeug mit diesen Satelliten kommuniziert und die Informationen dann an das Kontrollzentrum am Boden weiterleitet, kann das Phänomen der Kommunikationsunterbrechung grundsätzlich eliminiert werden.

Das US-Relais-Satellitensystem

Der weltweit erste Ortungs- und Datenrelaissatellit war das Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) der NASA. Anfang der 1960er Jahre schuf die NASA das Spacecraft Tracking and Data Acquisition Network (STADAN), das aus weltweit verteilten Antennen und Telefonvermittlungsanlagen bestand. Die Umlaufzeit eines Raumfahrzeugs in niedriger Umlaufbahn beträgt etwa 90 Minuten und dieses Netzwerk kann 15 Minuten dieser Zeit Boden-Weltraum-Kommunikationsdienste bereitstellen. Um eine vollständige Abdeckung der bemannten Raumfahrt zu erreichen, hat die NASA ein Manned Space Flight Network (MSFN) eingerichtet, das zusammen mit dem Deep Space Network (DSN) die Apollo-Missionen unterstützt.

Nach der Einführung des Space-Shuttle-Programms in den 1970er Jahren stellte die NASA fest, dass sich die Funktionen der oben genannten Netzwerke überschnitten, und führte daher MSFN und STADAN zum Spacecraft Tracking and Data Network (STDN) zusammen. Allerdings hat STDN auch große Nachteile, insbesondere, dass das Netzwerk aus über die ganze Welt verteilten Bodenstationen besteht und leicht von politischen Veränderungen im Gastland beeinflusst werden kann. Um eine hohe Zuverlässigkeit und höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten, hat die NASA eine Studie zur Verbesserung der Systemfähigkeiten durch weltraumgestützte Kommunikationsknoten begonnen. Dies ist der Ursprung von TDRSS.

In den 1980er und 1990er Jahren setzten die Vereinigten Staaten mithilfe von Space Shuttles und Trägerraketen eine große Zahl von TDRSS-Satelliten ins All. Derzeit haben die Vereinigten Staaten mehr als 10 TDRSS-Satelliten im Orbit.

Relaissatelliten unterscheiden sich von herkömmlichen Kommunikationssatelliten. Obwohl die Bodenstationen fest sind, bewegen sich die Raumfahrzeuge in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen mit hoher Geschwindigkeit. Es ist notwendig, das Problem der präzisen Erfassung und Verfolgung zwischen Raumfahrzeugen, Raumstationen und Satelliten in synchroner Umlaufbahn zu lösen. Um eine ausreichende Kommunikationsbandbreite sicherzustellen, müssen Relaissatelliten gleichzeitig auch Tracking-Antennen mit großer Apertur verwenden, um Verbindungen zwischen Satelliten herzustellen, was extrem hohe Anforderungen an die Erfassungs- und Tracking-Fähigkeiten stellt. Eine so große Tracking-Antenne muss ständig gerüttelt werden, was auch für die Lageerhaltung des Satelliten eine große Herausforderung darstellt.

Chinas Tianlian-Satellitensystem

China begann Anfang der 1980er Jahre mit der Erforschung von Relaissatelliten. Im Jahr 2003 begann China mit der Entwicklung des Relaissatelliten Tianlian-1 auf Basis der Satellitenplattform Dongfanghong-3. Im April 2008 wurde der Satellit Tianlian-1 erfolgreich gestartet. Dieser Satellit spielte sofort eine bedeutende Rolle und erhöhte die Verfolgungs- und Kontrollabdeckung des Raumfahrzeugs Shenzhou VII von 18 % der vorherigen sechs Raumfahrzeuge auf 50 %.

Mit dem erfolgreichen Start von Tianlian-1-02 im Juli 2011 erreichte die Umlaufbahnabdeckung des Raumfahrzeugs 85 %. Im Juli 2012 wurde Tianlian-103 erfolgreich gestartet. Drei Tianlian-1-Satelliten wurden über Afrika, dem Indischen Ozean und dem Pazifischen Ozean eingesetzt und erreichten damit eine nahezu 100-prozentige Abdeckung der Raumfahrzeugumlaufbahn. Im Dezember 2016 wurde der Satellit Tianlian-1 04 erfolgreich gestartet und ersetzte den Satelliten 01. Der Satellit Tianlian-105 wurde im Juli 2021 erfolgreich gestartet. Mit dem Start dieser Satellitenserie ist China nach den Vereinigten Staaten das zweite Land, das über ein Relaissatellitensystem mit globaler Abdeckung verfügt. Tianlian-1 stellt Datenrelais- sowie Mess- und Steuerungsdienste für bemannte Raumfahrzeuge wie das Raumfahrzeug Shenzhou, Weltraumlabore und Raumstationen bereit und spielt insbesondere eine große Rolle bei der Unterstützung von Rendezvous- und Andockmissionen im Weltraum.

Im Jahr 2010 begann China mit der Entwicklung des Satelliten Tianlian-2. Tianlian-2 verwendet die großformatige Dongfanghong-4-Plattform, die die Nutzlastkapazität und die Stromerzeugungskapazität erheblich verbessert. Dadurch kann Tianlian-2 eine fortschrittlichere Nutzlasttechnologie und mehrere neue Antennen einsetzen, wodurch die Übertragungsrate um das Einfache erhöht wird. Tianlian-2-01 wurde im März 2019 gestartet und Tianlian-2-02 wurde im Dezember 2021 erfolgreich gestartet.

Das Tianlian-Satellitensystem hat nacheinander die bemannten Raumschiffe Shenzhou VII bis Shenzhou XIV, die Frachtraumschiffe Tianzhou 1 bis 4, das Zielraumschiff Tiangong 1 und das Weltraumlabor Tiangong 2 versorgt. Auch der Bau und Betrieb der Raumstation ist nicht von der Unterstützung der Satelliten der Tianlian-Serie zu trennen. Auch Gespräche zwischen der zentralen Führung und der Astronautencrew sowie „Weltraumunterricht“ in der Raumstation werden mit Unterstützung der Tianlian-Satellitenserie durchgeführt.

Simulationsbild des Satelliten Tianlian-105 (Quelle: Fifth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation)

Datenrelaissatelliten können auch verschiedene andere Weltraumaktivitäten unterstützen, wie etwa Startverfolgungs- und Steuerungsdienste für Trägerraketen, Verfolgungs- und Steuerungsdienste im Orbit sowie Datenübertragungsdienste für verschiedene Fernerkundungssatelliten usw. Beispielsweise ist ChinaSat 6D, der im April 2022 gestartet wurde, Chinas erster kommerzieller Satellit, der Relaisverfolgungs- und -steuerungstechnologie nutzt. Seine Mess- und Steuerungsinformationen werden über den Tianlian-Satelliten zurück an die Bodenstation übertragen, wodurch seine Abhängigkeit von Mess- und Steuerungsstandorten und Messschiffen im Ausland verringert wird. Derzeit bietet der Tianlian-Satellit auch Dienste für Fernerkundung, Kartierung, Wettersatelliten und andere Satelliten in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen an und ist täglich sehr ausgelastet.

Relaissatelliten in der Erforschung des Weltraums

China verfügt außerdem über einen anderen Typ von Datenrelaissatelliten, den Satelliten „Queqiao“, der in der Mondumlaufbahn stationiert ist. Die Sonde Chang'e-4 wird auf der Rückseite des Mondes landen, wodurch die Sicht zwischen der Landestelle und der Erde blockiert wird. Wenn keine Datenweiterleitung verwendet wird, wissen die Menschen vor Ort nicht, was mit Chang'e 4 geschieht. Der Satellit Queqiao wird am Erde-Mond-Punkt L2 eingesetzt, wo er periodische Bewegungen ausführt und die Stabilität seiner Umlaufbahn durch regelmäßige Bahnkontrolle aufrechterhält. Bodenmess- und Steuerbefehle werden über Queqiao an Chang'e-4 übermittelt. Die von Chang'e-4 und Yutu-2 aufgenommenen Videos und gesammelten Daten werden zunächst an den Satelliten Queqiao übertragen und dann zur Erde zurückgesendet.

Im Mai 2018 wurde der Satellit Queqiao ins All geschossen und markierte damit einen Durchbruch in der Geschichte der menschlichen Raumfahrt. Am 3. Januar 2019 unterstützte der Relaissatellit Queqiao erfolgreich die Landung von Chang'e-4 auf dem Mond und die Trennung der beiden Geräte und sorgte damit weltweit für Aufsehen. Die NASA hat einmal vorgeschlagen, dass Queqiao die US-amerikanischen Mondlandungsaktivitäten unterstützen könnte. Aufgrund gesetzlicher Beschränkungen, die der US-Kongress selbst auferlegte, konnte dies jedoch nicht erreicht werden.

Darüber hinaus sind in der Umlaufbahn des Mars zahlreiche Datenrelaissatelliten aktiv. Allerdings handelt es sich dabei nicht um dedizierte Satelliten, sondern sie transportieren Datenrelaisnutzlasten auf umlaufenden Sonden. Modelle wie Chinas Tianwen-1 und der europäische Spurengasdetektor verfügen über derartige Fähigkeiten. Sie dienen als Datenbrücke zwischen dem Lander und der Erde. Bei der zukünftigen interstellaren Erkundung wird es zur Norm werden, dass Orbiter auch als Datenrelais dienen.