Frachtschiff: Nennen Sie mich bitte nicht nur „den Kurier“

Vor nicht allzu langer Zeit hat mein Land die Trägerrakete Langer Marsch-7 im Weltraumbahnhof Wenchang erfolgreich eingesetzt, um das Frachtraumschiff Tianzhou-4 in die vorbestimmte Umlaufbahn zu bringen und so die erste Ladung Versorgungsgüter dieses Jahres zur Raumstation Tiangong zu liefern. Tatsächlich erfüllen Frachtraumschiffe neben dem Transport von Versorgungsgütern zur Raumstation noch viele weitere Funktionen. Welche anderen Einsatzmöglichkeiten gibt es für Frachtraumschiffe?

Das Frachtraumschiff Tianzhou-4 wird ins All gestartet (Foto: Tu Haichao)

Führen Sie bestimmte Weltraumexperimente durch

„Bauen Sie Schiffe für den Stationsbau und bauen Sie Stationen für die Anwendung.“ Die Raumstation verfügt über die Eigenschaften einer bemannten Steuerung und einer großen Plattform. Es ist eine ideale Plattform für Astronauten, um weltraumwissenschaftliche Forschung und Anwendungen im Orbit durchzuführen.

Obwohl die Raumstation über umfangreiche Unterstützungskapazitäten verfügt, sind aufgrund der umfangreichen Weltraumforschung und -anwendungen zahlreiche Anforderungen erforderlich. Neben dem Hauptkörper der Raumstation ist auch das Frachtraumschiff ein Teil der Weltraumexperimentplattform. Es ist eine wichtige Ergänzung der weltraumwissenschaftlichen Forschung und Anwendungen der Raumstation. Bei manchen Gelegenheiten spielt es eine unersetzliche Rolle.

Die von vielen Ländern der Welt entwickelten Frachtraumfahrzeuge verfügen über unabhängige Flugfähigkeiten und Fähigkeiten zur Steuerung der Orbitallage. Sie alle verfügen über große, unter Druck stehende Frachträume, und einige Raumfahrzeuge haben auch Frachträume ohne Druck. Zu diesen Frachtraumfahrzeugen gehören sowohl Typen mit großen Solarflügeln als auch Modelle, die auf der Oberfläche mit Solarzellen bedeckt sind. Sie bieten eine ausreichende und vielfältige Materialbasis für die Durchführung von Experimenten und Anwendungen in der Weltraumforschung.

Darüber hinaus sind die Kosten für Weltraumstarts extrem hoch. Ein in den Weltraum gestartetes Raumschiff ist teurer als das gleiche Gewicht an Gold. Wenn Frachtraumschiffe nur zum Transport von Versorgungsgütern eingesetzt werden, ist dies zwangsläufig eine gewisse Verschwendung.

Das Frachtraumschiff kann als kurzlebige Mini-Raumstation betrachtet werden und sein sinnvoller Einsatz zur Durchführung von Weltraumexperimenten ist zum Routinebetrieb geworden.

Das Frachtraumschiff verfügt über die Fähigkeit, unabhängig zu fliegen und eignet sich für Weltraumexperimente, die unabhängig durchgeführt werden müssen, insbesondere solche, die eine Umgebung mit höherer Mikrogravitation erfordern. Beispielsweise verwendet das japanische HTV-Frachtraumschiff eng anliegende Solarzellen und die durch äußere Kräfte wie Luftwiderstand und Sonnendruck verursachte Beschleunigung ist relativ gering, was es zu einer guten Plattform für Experimente mit Mikrogravitation im Weltraum macht.

Die Sowjetunion war die erste, die Frachtraumschiffe entwickelte und in Betrieb nahm, und sowohl die Sowjetunion als auch ihr Nachfolger Russland erforschten aktiv den Einsatz von Frachtraumschiffen zur Durchführung von Weltraumexperimenten. Russland nutzte einst das Frachtraumschiff Progress, um die Plasmaeigenschaften der Triebwerksheckflammen zu untersuchen. Das Raumschiff wurde auch für schnelle Rendezvous- und Andocktests verwendet und legte damit den Grundstein für das schnelle Andocken nachfolgender bemannter Sojus-Raumschiffe.

Das US-amerikanische Frachtraumschiff Cygnus verfügt über einen Frachtraum mit einem Durchmesser von drei Metern und einem Volumen von 27 Kubikmetern und bietet damit einen hervorragenden Ort für die Durchführung von Weltraumexperimenten. Die NASA hat auf der Raumsonde Cygnus zahlreiche Brandstiftungsexperimente durchgeführt, d. h., sie hat in ihrem geräumigen Frachtraum Feuer gelegt, um Weltraumbrände in realem Ausmaß zu beobachten und die Ausbreitung von Flammen in der Mikrogravitation zu untersuchen.

Ich habe einen Anteil an der Streckenkontrolle

Die Technik für bemannte Raumstationen entwickelte sich erst relativ spät und der großflächige Einsatz von Raumtransportern bei Weltraumexperimenten war eine Sache dieses Jahrhunderts. Die praktischere und weiter verbreitete Anwendung von Frachtraumfahrzeugen liegt in der Bahn- und Lageregelung von Raumstationen.

Wie wir alle wissen, gibt es in der Erdumlaufbahn fast keine Luft, doch für eine Raumstation, die mit einer Geschwindigkeit nahe der ersten kosmischen Geschwindigkeit fliegt, ist der geringe Luftwiderstand in großer Höhe ein Faktor, der nicht ignoriert werden kann. Am Beispiel der Internationalen Raumstation sinkt ihre Umlaufbahn aufgrund des Luftwiderstands täglich um etwa 100 Meter. Wenn die Sonnenaktivität intensiv ist und die Dichte der oberen Erdatmosphäre zunimmt, sinkt die Umlaufbahnhöhe noch weiter.

Selbst wenn die Raumstation in einer Umlaufbahn etwa 400 Kilometer über der Erdoberfläche operiert, würde sie, wenn die Umlaufbahnhöhe nicht regelmäßig erhöht wird, bald in die Atmosphäre stürzen und verglühen.

Darüber hinaus muss die Raumstation die Umlaufphase häufig aktiv anpassen, um ein besseres Startfenster für die Andockmissionen bemannter Raumfahrzeuge und Frachtraumfahrzeuge bereitzustellen. Gleichzeitig sind in der Erdumlaufbahn große Mengen Weltraumschrott und mehrere Konstellationen riesiger Kommunikationssatelliten in niedrigen Umlaufbahnen, dargestellt durch „Starlink“, verstreut. Um die Sicherheit der Astronauten zu gewährleisten, wird die Raumstation von Zeit zu Zeit ihre Umlaufbahn ändern, um Weltraummüll und Satelliten im Orbit auszuweichen.

Auch die Steuerung der Umlaufbahn der Raumstation ist eine der Hauptfunktionen des Frachtraumschiffs. Obwohl das Kernmodul der Raumstation mit Triebwerken zur Orbitalsteuerung ausgestattet ist, muss der Treibstoff durch Frachtraumschiffe nachgefüllt werden. Daher kamen Forscher auf die Idee, Frachtraumschiffe zur Vergrößerung der Umlaufbahn einzusetzen.

Wenn ein Frachtraumschiff an der Raumstation andockt und dort verbleibt, wird das Triebwerk des Frachtraumschiffs hauptsächlich zum Anheben der Umlaufbahn verwendet, während das Triebwerk und der Treibstoff des Kernmoduls eher für den Notfall verwendet werden.

Zusätzlich zu den Vorgängen zur Änderung der Umlaufbahn muss die Raumstation auch Lageregelungstriebwerke verwenden, um ihre Fluglage anzupassen. Obwohl der tägliche Einsatz von Gyroskopen mit großem Steuerdrehmoment den Lageregelungsbedarf der Raumstation decken kann, führen die akkumulierten Lageanpassungen während des Raumflugs dazu, dass sich das Gyroskop immer schneller dreht und schließlich kein Drehmoment mehr abgeben kann und seine Fähigkeit zur Lageanpassung verliert.

Um den Steuerdrehmomentkreisel wieder zu aktivieren, muss der Lageregelungsmotor gezündet werden, um den Kreisel zu entlasten und seine Geschwindigkeit auf einen normalen Bereich zu reduzieren.

Im Allgemeinen können Kreiselentladevorgänge von den Lageregelungstriebwerken des Kernmoduls durchgeführt werden, aber auch einige Frachtraumfahrzeuge können solche Vorgänge durchführen, um die Belastung des Kernmoduls zu verringern.

Derzeit werden die Bahnanhebung und Lageregelung der Internationalen Raumstation hauptsächlich mit Hilfe des russischen Raumtransporters Progress durchgeführt. Als das russische Wissenschaftslabormodul im Jahr 2021 an die Internationale Raumstation andockte, übte es eine übermäßige Kraft aus, die dazu führte, dass die Internationale Raumstation einen Rückwärtssalto von 540 Grad machte. Schließlich zündeten das Servicemodul Swesda und das Frachtraumschiff Progress MS-17 ihre Triebwerke für die Schubumkehr, wodurch die Internationale Raumstation wieder ihre korrekte Position einnehmen konnte.

Zusätzlich zu dem oben genannten Frachtraumschiff verfügt auch das von meinem Land gestartete Frachtraumschiff Tianzhou-4 über die Fähigkeit, die Lage- und Umlaufbahnkontrolle der Raumstation zu übernehmen.

Frachtraumschiff Tianzhou-4 (Foto bereitgestellt von der Fifth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation)

Ich bin der Einzige, der Güter flussabwärts transportieren kann

Frachtraumschiffe transportieren große Mengen an Fracht und experimenteller Nutzlast in den Weltraum und docken an Raumstationen an, um den Astronauten zu dienen und der weltraumwissenschaftlichen Forschung zu dienen. Allerdings ist die Raumstation kein „Foodie“, der nur aufnimmt, aber nicht wieder abreist. Der Alltag der Astronauten sowie ihre Weltraumexperimente und -anwendungen erzeugen neben einer großen Anzahl experimenteller Ergebnisse und fertiger Produkte auch eine große Menge nutzlosen Abfalls. Daher muss der Müll auf der Raumstation regelmäßig entsorgt werden.

Anders als auf der Erde, wo es umfassende Einrichtungen zur Müllentsorgung wie Mülltonnen, Müllwagen und Müllstationen gibt, ist es auf einer kleinen Raumstation schwierig, Müll zu verarbeiten und wiederzuverwenden. Obwohl der Weltraum riesig ist, führt die Vermüllung der Umlaufbahn nicht nur zu einer großen Menge Weltraumschrott, sondern stellt auch eine Sicherheitsbedrohung für Raumfahrzeuge und Raumstationen dar. Derzeit werden Raumtransporter benötigt, um den Müll abzutransportieren.

Das Frachtraumschiff verfügt über einen riesigen Frachtraum, der beim Aufflug zur Raumstation eine große Menge an Fracht aufnehmen kann und auch zum Lagern von weggeworfenem und nutzlosem Müll verwendet werden kann, wenn es sich von der Raumstation trennt und zur Erde zurückkehrt.

Am Ende seiner Lebensdauer wird sich das Frachtraumschiff von der Raumstation trennen und aktiv aus der Umlaufbahn treten, um wieder in die Atmosphäre einzutreten und zu verglühen, damit es nicht zu Weltraumschrott wird.

Tatsächlich ist die Aufgabe von Raumfrachtschiffen seit ihrer Entstehung die Vernichtung von Müll auf dem Weg nach unten. Dadurch wird nicht nur der Müll in der Weltraumumlaufbahn reduziert, sondern auch die Ansammlung von Müll in der Raumstation vermieden. So werden sozusagen zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen.

Obwohl Astronauten bei der Durchführung wissenschaftlicher Experimente auf der Raumstation etwas Abfall produzieren, erzielen sie auch viele nützliche experimentelle Ergebnisse. Diese wertvollen experimentellen Ergebnisse müssen wieder auf den Boden der Tatsachen zurückgeholt werden. Obwohl es möglich ist, bemannte Raumfahrzeuge wie die russische Sojus oder die Shenzhou meines Landes für den Downlink-Transport zu verwenden, ist die Downlink-Transportkapazität der Rückkehrkapseln dieser Raumfahrzeuge begrenzt und kann den Bedarf nicht decken, eine große Zahl experimenteller Ergebnisse zur Erde zurückzubringen.

In den letzten Jahren verfügte das vom US-Unternehmen SpaceX entwickelte Frachtraumschiff Dragon mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie über eine Rückholfunktion, mit der zahlreiche Versuchsergebnisse der Internationalen Raumstation zur Erde zurücktransportiert werden können. Diese Downlink-Cargo-Fähigkeit ist derzeit einzigartig.

Simulation des von meinem Land entwickelten Tianzhou-Frachtraumschiffs (Foto bereitgestellt von der Fifth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation)

Allerdings gibt es auch in unserem Land entsprechende Pläne hierzu. Am 15. Mai verriet Bai Mingsheng, Chefdesigner des Tianzhou-Frachtraumschiffs, in einem Interview mit der CCTV-Sendung „Face to Face“, dass für den Fall, dass die Raumstation Tiangong meines Landes in Zukunft große Mengen an Materialien zurück zur Erde transportieren muss, auch ein rückführbares Frachtraumschiff entworfen wird.