Warum verwendet Chang'e-5 eine „Relais“-Methode für die Probenrückgabe?

Bis Dezember 2021 wird die Chang'e-5-Probenrückführungsmission des Monderkundungsprojekts meines Landes ein Jahr lang erfolgreich durchgeführt worden sein.

Die Chang'e-5-Sonde besteht aus einem Orbiter, einem Lander, einem Aufsteiger und einem Rückkehrer. Dieses Team ist wie ein Staffelteam, das Mondproben im „Staffelverfahren“ zur Erde zurückschickt.

Schematische Darstellung der Chang'e 5-Sonde

Warum also nicht ein Mitglied alleine auf die Mission „Schatzsuche“ schicken?

Dies liegt daran, dass die Aufgabe der Probenrückgabe komplex ist und nicht von einem Mitglied allein bewältigt werden kann. Die Teammitglieder haben eine klare Arbeitsteilung und jeder hat seine eigenen Aufgaben:

Orbiter

Der Orbiter ist für das „Hinfliegen“ zuständig, das heißt, er ist dafür verantwortlich, nach der Trennung von der Trägerrakete Lander, Aufsteiger und Rückkehrer in die Mondumlaufbahn zu schicken. Nach Abschluss der Probenentnahmemission wird der Rückkehrer in die Nähe der Erde zurückgeschickt.

Lander

Die Aufgabe des Landers besteht darin, „abzusteigen“, d. h., nachdem er die Mondumlaufbahn erreicht und sich von der Orbiter-Returner-Kombination (nachfolgend „Orbiter-Returner-Kombination“ genannt) getrennt hat, ist er dafür verantwortlich, den Ascender zu einer sanften Landung auf der Mondoberfläche zu befördern und zusammen mit dem Ascender die Probenentnahme auf der Mondoberfläche abzuschließen.

Ascender

Der Aufsteiger ist für das „Aufstehen“ zuständig, das heißt, er hebt nach Abschluss der Probennahme-Mission mit den Mondproben von der Mondoberfläche ab, trifft sich mit der im Mondorbit fliegenden Orbiter-Returner-Kombination, dockt an diese an und übergibt die Mondproben an den Returner.

Rückkehrer

Der Returner ist für die „Landung“ zuständig, das heißt, wenn die Orbiter-Returner-Kombination wieder in die Nähe der Erde zurückkehrt, trennt er sich vom Orbiter, tritt wieder in die Atmosphäre ein und sendet die Mondproben zurück zur Erde.

Zunächst einmal fungiert der Orbiter als Raumfähre und transportiert Objekte zwischen der Erde und dem Mond hin und her. Aufgrund der großen Entfernung zwischen Erde und Mond muss das Raumschiff während des Fluges mehrmals die Umlaufbahn wechseln. Auch bei der Annäherung an den Mond ist ein Abbremsen und Verlangsamen erforderlich, um vom Mond erfasst zu werden. Nachdem die Mondproben „entnommen“ wurden, wird es beschleunigen, um der Schwerkraft des Mondes zu entkommen und zur Erde zurückzufliegen. Zur Erfüllung dieser Aufgaben sind die Triebwerke und Steuerungssysteme des Orbiters erforderlich. Der Rückkehrer verfügt über keinen Motor und ist für den Transport nicht auf einen Orbiter angewiesen. Daher kann er die Hin- und Rückreise zwischen der Erde und dem Mond nicht abschließen.

Zweitens ist eine Landung auf dem Mond aus der Mondumlaufbahn nur möglich, indem man den Umkehrschub des Triebwerks nutzt, um eine Bremskraft zu erzeugen und die Geschwindigkeit des Landers zu reduzieren, um eine weiche Landung zu erreichen, da der Mond keine Atmosphäre hat. Der Rückkehrer hat keinen Motor und kann keine weiche Landung erreichen; Obwohl der Orbiter über einen Motor verfügt, weist die Kombination aus Orbiter und Rückkehrer eine große Masse von etwa 4,5 Tonnen auf. Sowohl die Landung auf dem Mond als auch der Start vom Mond erfordern viel Treibstoff. Darüber hinaus hat der Orbiter die Aufgabe, den Rückkehrer zur Erde zurückzuschicken. Daher wird die Orbiter-Returner-Baugruppe nach Erreichen der Mondumlaufbahn ohne Treibstoffverbrauch um den Mond fliegen, während die Lande- und Aufstiegseinheit (die sogenannte „Lande- und Aufstiegsbaugruppe“) auf der Mondoberfläche landen wird, um die Probenentnahmemission abzuschließen.

Schematische Darstellung der Landevorrichtung auf der Mondoberfläche

Drittens ist nach Abschluss der Probenentnahmemission ein Abheben von der Mondoberfläche erforderlich. Die Landesonde wiegt fast drei Tonnen und für den Start von der Mondoberfläche ist eine große Menge Treibstoff erforderlich. Um das Startgewicht und den Treibstoffverbrauch zu reduzieren, ist es notwendig, den Lander nach Beendigung seiner Mission auf der Mondoberfläche zu belassen, damit dieser als Startplattform für den Aufstiegsassistenten dienen kann. Der etwa 0,8 Tonnen schwere Aufstiegsroboter wird von der Mondoberfläche abheben und die Mondproben durch Rendezvous und Andocken an die in der Mondumlaufbahn verbleibende Orbiter-Rückkehrer-Kombination zum Rückkehrer übertragen.

Schematische Darstellung des Aufsteigers, der von der Mondoberfläche wegfliegt

Auf- und Rücklaufbaugruppe

Schematische Darstellung des Rendezvous und Andockens im Mondorbit

Um Mondproben zur Erde zurückschicken zu können, müssen diese schließlich wieder in die Atmosphäre eintreten. Da der Rückkehrer mit sehr hoher Geschwindigkeit fliegt, entsteht durch die Reibung mit der Atmosphäre viel Wärme. Werden hinsichtlich der optischen Gestaltung und der Materialauswahl keine hitzebeständigen Maßnahmen getroffen, verbrennt der Returner beim Wiedereintritt. Nur ein Rückführer mit Hitzeschutzkonstruktion kann sicher wieder in die Atmosphäre gelangen. Gleichzeitig kann es aufgrund seiner geringen Masse (ca. 0,3 Tonnen) durch einen Fallschirm abgebremst werden und sanft auf dem Boden landen. Orbiter und Aufsteiger, die nicht für den Hitzeschutz ausgelegt sind, können nicht wieder in die Atmosphäre eintreten.

Der Rückkehrer kehrt mit Mondproben zur Erde zurück

Nach 23 Betriebstagen des Chang'e-5-Mondprobenteams kehrte nur der Rückkehrer mit Mondproben zur Erde zurück; der Lander, der die Mission abschloss, blieb auf der Mondoberfläche; Nachdem der Aufsteiger die Mondproben übergeben und sich von der Orbiter-Rückkehrer-Kombination getrennt hatte, wurde er gemäß den Bodenbefehlen gesteuert, um die Umlaufbahn zu verlassen und am festgelegten Landepunkt auf dem Mond zu landen. und nach Abschluss der Hin- und Rücktransportmission zwischen Erde und Mond wurde dem Orbiter eine neue Mission übertragen. Es erkundete zunächst den Lagrange-Punkt L1 zwischen Sonne und Erde und kehrte dann vom Lagrange-Punkt L1 zwischen Sonne und Erde zum Mond zurück. Am ersten Jahrestag der Mondprobenentnahme war es noch immer in der Mondumlaufbahn im Einsatz.

Quelle/"Weltraumforschung" 2022 Ausgabe 1

Text/Zhang Tiejun

Herausgeber/Yang Sishuang

Rezension/Yang Jie

Produzent/Xu Chunmei

Popularisierung der Luft- und Raumfahrtwissenschaften in China