Zwei Chinesen werden auf dem Mond landen, die Details des chinesischen bemannten Mondlandungsplans wurden der Öffentlichkeit vorgestellt.

Am 31. Oktober wurden auf der 7. Akademischen Konferenz für bemannte Raumfahrt die Details eines Großvorhabens bekanntgegeben, das China bis 2030 realisieren will.

Wang Xiang, stellvertretender Chefdesigner des chinesischen bemannten Raumfahrtprojekts und zugleich Chefdesigner des Monderkundungsprojekts, stellte erstmals das Besatzungskonzept für die bemannte Monderkundungsmission Chinas vor.

Einfach ausgedrückt: Zwei Trägerraketen des Typs Langer Marsch 10 werden nacheinander gestartet. Der Landegerät „Lanyue“ fliegt zuerst und „wartet“ in der Mondumlaufbahn; danach startet das Raumschiff „Mengzhou“ mit drei Astronauten an Bord. Anschließend dockt das Landegerät an das Raumschiff in der Mondumlaufbahn an, zwei Astronauten wechseln zum Landegerät, um auf dem Mond zu landen. Nach Abschluss der Mission starten sie von der Mondoberfläche auf, docken wieder an das Raumschiff an und kehren zur Erde zurück.

Man versteht es also: erst so, dann so. Wie die Netznutzer zusammenfassen: „Zwei Starts, Andocken in der Mondumlaufbahn; drei Personen fliegen zum Mond, zwei landen auf der Oberfläche.“ Was für ein einfaches Konzept!

Doch jede „Einfachheit“ bei einem Großprojekt wird durch Redundanz erkauft. Warum baut man keine große Rakete, um alles auf einmal zu erledigen? Das muss man Schritt für Schritt durchrechnen.

Warum sind zwei Starts erforderlich?

Zwei Starts tauschen den Druck auf einzelne Hardwarekomponenten durch Systemdesign ein.

Bei zwei Starts denkt man zuerst leicht: Reicht der Schub der Raketen nicht aus?

Wenn man mit einer superschweren Rakete Landegerät und Raumschiff gemeinsam startet, bedeutet das „alle Eier in einen Korb zu legen“. Von der Zündung bis zum Erreichen der Umlaufbahn kann bei jedem Fehler die gesamte Missionskette unterbrochen werden – es gibt keine Reserve, keine zweite Chance.

Wenn man es auf zwei Starts aufteilt, ändert sich die Risikostruktur. Das Landegerät „Lanyue“ fliegt zuerst und „wartet gelassen“ in der Mondumlaufbahn; das Raumschiff „Mengzhou“ startet erst dann „ruhig“, nachdem sein Zustand bestätigt wurde. Mit zwei unabhängigen Startketten bleibt bei einer Störung der einen Kette der anderen immer noch Spielraum für Anpassungen und Neuorganisation, und das Zeitfenster für die Mondlandung wird großzügiger.

Dahinter steckt eine leicht zu übersehende ingenieurstechnische Erkenntnis: Der Kernkonflikt bei der bemannten Mondlandung war nie „kann man genug Masse zum Mond transportieren“, sondern „kann man in jedem Glied Fehler tolerierende Spielräume vorsehen“. Ein gemeinsamer Start mit einer Rakete scheint über ausreichend Transportkapazität zu verfügen, doch die Redundanz auf Systemebene ist eingeschränkt, der Erfolg oder Misserfolg hängt von einem einzigen Glied ab. Zwei Starts scheinen einen zusätzlichen Arbeitsschritt zu bedeuten, verteilen das Risiko aber statt es zu konzentrieren.

Jedes Gerät soll nur das tun, wozu es am besten geeignet ist

Raumschiff und Landegerät werden getrennt gestartet, sodass sie ihre jeweiligen Stärken voll ausspielen können.

„Mengzhou“ ist das Raumschiff, der „Fernbus“ für die Hin- und Rückreise zwischen Erde und Mond. Es fliegt von der Erde zur Mondumlaufbahn und kehrt von dort zurück zur Erde, wobei es der extremen thermischen Umgebung beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nahe der zweiten kosmischen Geschwindigkeit standhalten muss.

„Lanyue“ ist das Landegerät, das „Pendel-Sonderfahrzeug“ für Starts und Landungen auf der Mondoberfläche. Es muss von der Mondumlaufbahn absteigen, landen, aufsteigen und wieder andocken, wobei es mit großen Temperaturunterschieden auf der Mondoberfläche, Mondstaub und präziser Steuerung in niedrigschwerer Umgebung umgehen muss.

Wenn man diese beiden großen Funktionen in ein einziges Fluggerät integriert, muss es sowohl die Anforderungen an den Wärmeschutz und die Lebenserhaltung für die Hin- und Rückreise zwischen Erde und Mond erfüllen als auch über die Struktur und den Antrieb für Starts und Landungen auf dem Mond verfügen. Jede Kilogramm Hardware-Redundanz muss schon beim Start von der Erde mitgenommen werden, den ganzen Weg bis zum Mond.

Bei getrennter Entwicklung muss „Mengzhou“ keine Gewichtseinbußen für die Struktur zum Starten und Landen auf dem Mond hinnehmen, und „Lanyue“ muss kein zusätzliches Wärmeschutzsystem für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre tragen. Jedes Fluggerät übernimmt nur die Aufgaben, die es wirklich erfüllen muss, sodass Gewicht und Komplexität jeweils in den wirtschaftlichsten Bereich zurückkehren.

Die tiefgreifendere Veränderung liegt in der Entwicklungslogik. Ein für eine einzelne Mission maßgefertigtes Fluggerät lässt sich kaum in anderen Szenarien wiederverwenden; nachdem „Mengzhou“ und „Lanyue“ getrennt entwickelt wurden, können beide zu Serienprodukten weiterentwickelt werden. Die erdnahe Version von „Mengzhou“ kann die Aufgabe des Transports von Astronauten zur Raumstation und zurück übernehmen, und „Lanyue“ kann eine Plattform für den späteren Transport von Fracht zur Mondoberfläche und den Aufbau von Mondforschungsstationen bieten. Auch die Rakete Langer Marsch 10 folgt einem serienmäßigen Entwicklungspfad, wobei abgeleitete Versionen und die Mondlandungsversion die Entwicklungskosten gemeinsam tragen und die Gesamtinvestition verringern. „Zwei Starts“ sparen nicht nur die Entwicklungskosten einer superschweren Rakete, sondern liefern ein ganzes wiederverwendbares Transportsystem.

Die Fähigkeit zum Andocken im Orbit wird genutzt, um die Entwicklungszeit der Rakete einzusparen

Eine elegantere Perspektive ergibt sich aus der ingenieurökonomischen Analyse dieses Konzepts: Chinas Entscheidung für zwei Starts bedeutet im Wesentlichen, dass es die bereits ausgereifte Fähigkeit zum Rendezvous und Andocken im Orbit nutzt, um die Entwicklungszeit und die Unsicherheiten bei einer superschweren Rakete zu ersetzen.

Von Shenzhou, Tianzhou und der Raumstation bis Chang'e-5 – von bemannten Rendezvous und Andockmanövern in erdnahen Umlaufbahnen bis zu unbemannten Rendezvous und Andockmanövern in Mondumlaufbahnen hat die chinesische Raumfahrt das präzise Zusammenfügen zweier Fluggeräte im Orbit nahezu perfekt gemeistert. Diese technische Fähigkeit muss nicht für die Mondlandung neu entwickelt werden, sondern kann direkt auf die bemannte Mondlandungsmission angewendet werden.

Eine superschwere Rakete, die Landegerät und Raumschiff gleichzeitig gemeinsam starten kann, erfordert einen größeren Raketenkörperdurchmesser, mehr parallel geschaltete Triebwerke, höhere Struktureffizienz und damit verbundene Bodentests und Flugverifikationen, die in Jahren gemessen werden. Der Vorteil von „nur einmal starten“ erscheint angesichts dieser Zeitkosten und technischen Risiken unbedeutend.

Zwei Starts verwandeln das Problem von „eine nie dagewesene riesige Rakete bauen“ in „zwei Raketen mit ausreichender Transportkapazität plus einen Satz bereits umfassend verifizierter Andockverfahren im Orbit einsetzen“. Die Transportkapazität der Rakete Langer Marsch 10 auf der Erdbahn-Mond-Transferbahn beträgt nicht weniger als 27 Tonnen, die Gesamtmasse des Landegeräts „Lanyue“ liegt bei etwa 26 Tonnen – das passt genau zusammen. Das ist also kein passives Ergebnis unzureichender Transportkapazität, sondern die genaue Einpassung der Transportanforderungen in einen Bereich, der technisch umsetzbar, serienmäßig weiterentwickelbar und iterierbar ist.

Das Andocken in der Mondumlaufbahn ist der wirklich anspruchsvolle Schritt

Zu sagen, dass „zwei Starts klüger sind“, heißt nicht, dass sie einfacher sind. Im Gegenteil: Das Rendezvous und Andocken in der Mondumlaufbahn ist einer der technisch dichtesten Schritte des gesamten Konzepts und zugleich der Preis, der für das „getrennte Starten“ gezahlt werden muss.

Das „Andocken in der Mondumlaufbahn“ ist der anspruchsvollste Teil dieses Konzepts und zugleich eine lang erprobte Fähigkeit der chinesischen Raumfahrt.

Bei Rendezvous und Andockmanövern in der Erdorbit beträgt die Verzögerung der Hin- und Rückkommunikation bei der Bodensteuerung Millisekunden, sodass der Boden in Echtzeit eingreifen kann. In der Mondumlaufbahn beträgt die einseitige Kommunikationsverzögerung mehr als 1 Sekunde, die Hin- und Rückverzögerung kann über 2 Sekunden betragen. Das bedeutet, dass die Bodensteuerung das Andockverfahren in der Mondumlaufbahn nicht so fernsteuern kann wie in erdnahen Umlaufbahnen – die letzte Annäherung, Ausrichtung und Verriegelung muss von den Fluggeräten autonom durchgeführt werden. Die Anforderung an die Andockgenauigkeit liegt im Zentimeterbereich, zudem befindet sich das Fluggerät in der Mondumlaufbahn für einen beträchtlichen Teil jeder Umlaufbahn auf der Rückseite des Mondes, sodass es von der Erde „durch den Mond getrennt“ ist und die Steuerungsverbindung unterbrochen ist.

Noch kniffliger ist die Unumkehrbarkeit des Zeitfensters. Das Rendezvous und Andocken in der Mondumlaufbahn unterliegt mehreren Einschränkungen durch das Rückkehrfenster von Mond zur Erde, Energie- und Lichtverhältnissen. Wenn es einmal nicht gelingt, dauert die Neuorganisation mehrere Tage, sodass man wahrscheinlich das Rückkehrfenster verpasst. Dieses Konzept verteilt das Risiko von der „Startkette“, erhöht aber die Schwierigkeit der „Operationen im Orbit“.

Unbemannte Probeläufe sind ein wichtiger Schritt, um das Andocken in der Mondumlaufbahn zu bewältigen.

Die chinesische Raumfahrt löst das Problem, indem sie das Risiko durch „unbemannte Probeläufe“ vorzeitig beseitigt. Nach Plan wird das Landegerät „Lanyue“ zuerst in unbemanntem Zustand den gesamten Ablauf einer bemannten Mission vollständig durchlaufen: Start, Mondumlaufbahn, Rendezvous und Andocken mit „Mengzhou“, Mondlandung, Aufenthalt auf der Mondoberfläche, Aufstieg, erneutes Andocken. Schlüsseltechnologien sollen so weit wie möglich im Voraus verifiziert werden. Die Schwierigkeit des Andockens in der Mondumlaufbahn ist real, doch seine Unsicherheiten werden durch eine Reihe wiederholbarer, verifizierbarer Schritte schrittweise beseitigt.

Derjenige, der „vorbeigeht, ohne einzutreten“, sichert den Rückhalt

Eine Frage, die die Netznutzer interessiert: Was macht die Person, die im Raumschiff bleibt und die Mondumlaufbahn umfliegt (das ist am einfachsten, das könnte ich auch)? Er ist der Wichtigste von allen.

In diesem Konzept ist „Mengzhou“ der einzige Kanal, der von der Mondumlaufbahn zurück zur Erde führt. Nachdem das Landegerät von der Mondoberfläche aufgestiegen ist, muss es mit dem Raumschiff ein Rendezvous und Andocken abschließen, damit die Astronauten nach Hause zurückkehren können. Die Aufgabe des zurückbleibenden Besatzungsmitglieds ist es, sicherzustellen, dass dieser „Heimkehrkanal“ stets betriebsbereit und im Notfall passierbar ist.

Diese Rolle ist selbst ein Inbegriff der Logik von „zwei Starts“: Es wird nicht angestrebt, dass jede Person die Mondoberfläche erreicht, sondern dass jeder wichtige Knotenpunkt der gesamten Missionskette von einer Person überwacht wird, über Redundanz verfügt und einen Rückhalt hat.

Die Rakete Saturn V „erzielt Wunder durch enorme Kraft“ und brachte das Befehlsmodul, das Servicemodul und das Mondlandefahrzeug des Apollo-Raumschiffs auf einmal in die Flugbahn zum Mond. Ihre Romantik liegt in dem Ehrgeiz, „alles auf einmal zu erledigen“. Unsere Gelassenheit hingegen liegt darin, eine Tür zu öffnen, die man wiederholt durchschreiten kann, und einen Weg zu ebnen, der mehrfach begangen werden kann – von der Mondlandung über den Aufenthalt auf der Mondoberfläche und die Mondforschungsstation bis hin zu weiter entfernter Tiefer Raum.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „Guokr“ (ID: Guokr42), Autor: Liulang Xingchen, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.