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Tianwen-3 (chinesisch 天問三號 / 天问三号, Pinyin Tiānwèn Sānhào – „Himmelsfrage 3“) ist eine geplante Probenrückführmission der Nationalen Raumfahrtbehörde Chinas im Rahmen des Marsprogramms der Volksrepublik China. Im Jahr 2028 soll eine Trägerrakete vom Typ Changzheng 5 vom Kosmodrom Wenchang einen Orbiter mit einer Rückkehrkapsel auf den Weg zum Mars bringen, eine Changzheng 3B vom Kosmodrom Xichang einen stationären Lander mit Probenentnahmegeräten und einer Aufstiegsstufe, die die Bodenproben in die Marsumlaufbahn befördert. Das Zielgebiet liegt auf der Nordhalbkugel des Mars.[1] Im Juli 2031 sollen die zurückgebrachten Proben auf der Erde eintreffen.[2]

Übersicht

Das Marsprogramm der Volksrepublik China in seiner am 11. Januar 2016 von Premierminister Li Keqiang genehmigten Form sah ursprünglich vier Schritte vor:

• Umkreisung
• Landung
• Patrouille
• Rückkehr

Bereits im August 2016 beschloss man jedoch, die ersten drei Schritte in einer Mission zusammenzufassen, die 2020 starten sollte.[3][4] Das war dann die Sonde Tianwen-1, die plangemäß am 23. Juli 2020 vom Kosmodrom Wenchang abhob;[5] der Rover Zhurong landete am 14. Mai 2021 in der Utopia Planitia.[6] Für die „Rückkehr“, also die Probenrückführung vom Mars wurden an der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie, der Herstellerfirma der Sonden, verschiedene Konzepte diskutiert, teils mit einem einzigen Raketenstart, teils mit mehreren, lange Zeit mit einem Rover für die Probenentnahme.[7]

Nach dem erfolgreichen Abschluss der Mondproben-Rückführmission Chang’e 5 im Dezember 2020 entschloss man sich, auf den Rover zu verzichten und die Probenentnahme wie bei jener Mission von einem stationären Lander aus vorzunehmen, womit eine weit größere Bohrtiefe erreicht werden konnte. 2022 kam dann ein hundeähnlicher, auch für unebenes Gelände geeigneter Roboter für eine mobile Probenentnahme hinzu. In der am 8. September 2021 verabschiedeten Version des Planetenerkundungsprogramms soll die Mission nun mit zwei Flügen erfolgen.[8] Anlässlich des chinesischen Tags der Raumfahrt am 24. April 2022 gab Zhang Rongqiao, der Technische Direktor des Marsprogramms, bekannt, dass der Name der Mission „Tianwen-3“ lauten würde (Tianwen-2 ist eine Mission zu dem erdnahen Asteroiden (469219) Kamoʻoalewa und dem Hauptgürtelkometen 311P/PANSTARRS).[9]

Aufbau

Lander und Aufstiegsstufe

Lander und Aufstiegsstufe von Tianwen-3 werden in einer von Tianwen-1 übernommenen, konusförmigen Hitzeschutz-Kapsel transportiert. Die Bahnkorrekturmanöver während des Flugs zum Mars werden von einer unter dem Konus angeordneten Antriebsstufe durchgeführt, die den Strom für ihre Bordsysteme, Telemetrie etc. über zwei Solarmodule bezieht. Diese Komponente der Mission soll auf dem Kosmodrom Xichang in Sichuan mit einer Trägerrakete vom Typ Changzheng 3B/E gestartet werden, die auch die 3,8 t schweren Mondsonden Chang’e 3 und Chang’e 4 auf den Weg brachte. Anders als bei Tianwen-1 verfügt der Lander von Tianwen-3 – ebenfalls eine relativ einfache, flache Plattform – über eine eigene Stromversorgung mittels zweier an den Seiten angeordneter, ausklappbarer Solarmodule. Dies ist nötig zum Betrieb der Probenentnahmegeräte über einen Zeitraum von zweieinhalb oder sechs Monaten (siehe unten „Geplanter MIssionsablauf“).[2]

Nach der Ankunft beim Mars, dem Abtrennen der Antriebsstufe und der Landung erfolgt eine stationäre Probenentnahme mit Bohrer und Baggerarm. Anders als bei der Mondsonde Chang’e 5 wird hier jedoch nicht mit einem rotierenden Bohrgestänge gearbeitet, sondern mit einem an einem Seil hängenden Bohrhammer, der eine größere Bohrtiefe ermöglicht.[10] Das gelockerte Material wird mit aus der Marsatmosphäre vor Ort erzeugter Druckluft in den Probenbehälter geblasen. Während die Baggerschaufel von Chang’e 5 fest mit der „Hand“ verbunden war und nach dem Prinzip des Hochlöffelbaggers den Boden abtrug,[11] ist die Schaufel von Tianwen-3 über ein zusätzliches Gelenk mit der Hand verbunden und kann wie bei einem Tieflöffelbagger mit großer Kraft in den Boden gedrückt werden.[12] Dazu kommt noch ein vom Prinzip her der Asteroidensonde Tianwen-2 vergleichbarer, hundeähnlicher Roboter mit vier Beinen, wobei die „Vorderfüße“ sowohl zur Fortbewegung als auch zur Probenentnahme dienen.

Das eingesammelte Material wird in eine auf der Landerplattform waagrecht gelagerte, zweistufige Rakete verladen, an deren Spitze sich die eigentliche Aufstiegsstufe befindet. Um letztere in eine Kreisbahn um den Mars zu befördern, wo sie die Proben an den Orbiter übergeben kann, muss eine Geschwindigkeit von 4,5 km/s erreicht werden (auf der Erde beträgt die Kreisbahngeschwindigkeit 7,8 km/s).[1] Die für Flugkörper relevante Atmosphäre des Mars reicht bis in eine Höhe von etwa 100 km, die Luftdichte beträgt dort bei gleicher Höhe 1 % – 10 % der irdischen Atmosphäre. Ein Flugkörper hat bei einem Start von der Marsoberfläche nicht nur gegen die Schwerkraft, sondern auch gegen den Strömungswiderstand der Luft anzukämpfen, wobei letzterer am größten ist, wenn die Aufstiegsstufe Überschallgeschwindigkeit erreicht hat. Als Maß für die Geschwindigkeit wird die Mach-Zahl verwendet, die unabhängig von der Höhe ist. Die Ingenieure der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gehen davon aus, dass die höchste Geschwindigkeit der Aufstiegsstufe in der Marsatmosphäre Mach 4,5 betragen wird, was (aufgrund der niedrigeren Schallgeschwindigkeit auf dem Mars) etwa 1 km/s entspricht. In Bezug auf die Form der Aufstiegsstufe wurden Anfang 2022 zwei Möglichkeiten diskutiert: eine kurze Kapsel oder eine längliche Raketenform, beide aus aerodynamischen Gründen mit stark abgeflachter Spitze. Am Ende entschied man sich für eine 1 m lange, vorne abgerundete Kapsel mit einem Durchmesser von 1,5 m und Flüssigkeitstriebwerk. Hier trägt der Strömungswiderstand der Luft etwa 18 % zu dem zu überwindenden Geschwindigkeitsverlust während des Aufstiegs bei. Durch kluge Formgebung der Spitze lässt sich der Luftwiderstand reduzieren, und die Fluglage ist stabil.[13]

Bei der Trägerrakete entschied man sich für eine zweistufige Ausführung mit jeweils einem Feststofftriebwerk.[14] Hierbei stellt sich das Problem, dass die nächtlichen Temperaturen auf dem Mars auch in der warmen Jahreszeit auf −60 °C absinken. Feste Treibstoffe, die auch bei diesen Temperaturen noch zuverlässig arbeiten, müssen erst noch entwickelt werden. Damit sich die Triebwerksflamme beim Start optimal entfalten kann, muss die Rakete in einem relativ flachen Winkel schräg nach oben gestartet werden, sodass die Flamme über den hinteren Rand der Plattform hinausschießt, ohne die Triebwerksdüse zu beschädigen; ein senkrechter Start ist nicht möglich. Dies bringt hohe Anforderungen an die anschließende Lageregelung der Rakete mit sich. Auch die Position des Landers, also der „Startrampe“, auf der Marsoberfläche muss präzise bestimmt werden, um beim Rendezvous im Orbit möglichst wenig Bahnkorrekturmanöver durchführen zu müssen.[1]

Orbiter und Wiedereintrittskapsel

Bei dieser mit einer Trägerrakete vom Typ Changzheng 5 auf dem Kosmodrom Wenchang in Hainan gestarteten Komponente der Mission orientiert man sich ebenfalls an Tianwen-1 sowie an der Mondsonde Chang’e 5. In der zentralen Öffnung eines sechseckigen, über zwei Solarmodule mit Strom versorgten Raumflugkörpers sitzt die Wiedereintrittskapsel, in die nach erfolgter Probenentnahme, Rückstart und Rendezvous im Marsorbit der Behälter mit den Bodenproben transferiert wird.[15] Der betankte Orbiter von Tianwen-1 wog 3,2 t, Orbiter und Wiedereintrittskapsel von Chang’e 5 mit reichlich Treibstoff für die Folgemission 3,9 t, die Trägerrakete Changzheng 5 kann 5 t in einen Mars-Transferorbit befördern.

Geplanter Missionsablauf

Im Juni 2022 wurden zwei Missionsprofile in Erwägung gezogen. Ähnlich wie bei einem Hohmann-Transfer befinden sich in beiden Fällen die Erde zum Zeitpunkt des Starts, die Sonne und der Mars zum Zeitpunkt der Ankunft auf einer Linie. Bei einem Start kurz vor dem eigentlichen Hohmann-Fenster Ende Dezember 2028/Anfang Januar 2029 könnte der Lander mit mäßigem Energieaufwand bei Herbstbeginn (3. September 2029) auf der Nordhalbkugel des Mars landen,[16][17] die Probenentnahme müsste dann aber während der achtmonatigen Staubsturmsaison erfolgen, wo durch den hohen Staubgehalt in der Luft weniger Strom für die solarbetriebenen Geräte zur Verfügung steht (der Rover Zhurong wurde am 18. Mai 2022, drei Monate nach Herbstbeginn, in einen siebenmonatigen „Winterschlaf“ versetzt). Bei einem Start um die Jahreswende 2030/2031 würde die Ankunft kurz vor Winterbeginn (16. Dezember 2031) erfolgen, wo durch die niedrigen Temperaturen die Umweltbedingungen noch schlechter sind. Daher erwägt man in einem alternativen Konzept, den Start des Landers auf Mai 2028 vorzuverlegen. Durch die ellipsenförmigen Bahnen von Erde und Mars ergibt sich dabei eine wesentlich längere Flugzeit und es besteht die Gefahr, dass sich zum Beispiel der Fallschirm des Landers nach 26 Monaten gefalteter Aufbewahrung in Kälte und Vakuum nicht korrekt öffnet.[18] Andererseits würde man, wie bei Tianwen-1, im Frühling ankommen und hätte optimale Arbeitsbedingungen auf der Planetenoberfläche.

In beiden Versionen soll die ursprünglich stark elliptische Umlaufbahn, die der Orbiter nach der Ankunft beim Mars zunächst hat, durch Atmosphärenbremsung in eine niedrige Kreisbahn verwandelt werden.[14] Hierbei soll der Orbiter über einen Zeitraum von sechseinhalb Monaten immer wieder in die obere Atmosphäre des Mars eintauchen, um so seine Geschwindigkeit schrittweise zu reduzieren.[1] Der Orbiter von Tianwen-1 wird Ende 2022 das theoretische Ende seiner geplanten Lebensdauer erreicht haben. Dann soll mit ihm die Atmosphärenbremsung erprobt werden. Wenn die Absenkung des Orbits gelingt, kann Tianwen-1 noch detailliertere Daten sammeln und so, neben der Technologieerprobung, die Missionsplanung für Tianwen-3 unterstützen.[19] Beim Lander soll ein einmaliger Atmosphäreneinfang direkt aus der Transferbahn stattfinden. Der Nachteil hierbei ist, dass ein zusätzlicher, entweder aufblasbarer oder mechanisch aufgespannter und problemlos abwerfbarer Hitzeschutz für dieses Manöver nötig ist, bei dem der Lander dem Mars bis auf 50 km nahekommt. Der Vorteil ist, dass der Lander unmittelbar den Zielorbit für die Landung erreicht.[1]

Hier die angedachten Missionsprofile:

1. Landung im Marsherbst, Flugzeit relativ kurz, Energieversorgung auf dem Mars wegen Staubstürmen schlecht
   • November 2028. Start von Orbiter und Wiedereintrittskapsel
   • Dezember 2028: Start von Lander und Aufstiegsstufe
   • August 2029: Eintritt des Orbiters in die Marsumlaufbahn
   • September 2029: Ankunft von Lander und Aufstiegsstufe beim Mars, Landung bei Beginn der Staubsturmsaison
   • Probensammlung
   • Ende Februar 2030: Start der Aufstiegsstufe mit den Proben
   • März 2030: Rendezvous mit dem Orbiter
   • Anfang Mai 2030: Ende der Staubsturmsaison
   • Mai/Juni 2030: Konjunktion von Erde, Sonne und Mars; Funkstille
   • Oktober 2030: Beginn des Rückflugs zur Erde
   • Juli 2031: Landung der Wiedereintrittskapsel in der Inneren Mongolei
2. Landung im Marsfrühling, Flugzeit relativ lang, Energieversorgung auf dem Mars wegen starker Sonneneinstrahlung gut
   • Mai 2028: Start von Lander und Aufstiegsstufe
   • November 2028. Start von Orbiter und Wiedereintrittskapsel
   • September 2029: Eintritt des Orbiters in die Marsumlaufbahn, Beginn der Staubsturmsaison
   • Anfang Mai 2030: Ende der Staubsturmsaison
   • Mai/Juni 2030: Konjunktion von Erde, Sonne und Mars; Funkstille
   • Juli 2030: Ankunft von Lander und Aufstiegsstufe beim Mars, Landung im Frühling
   • Probensammlung
   • Ende September 2030: Start der Aufstiegsstufe mit den Proben
   • Oktober 2030: Rendezvous mit dem Orbiter
   • November 2030: Beginn des Rückflugs zur Erde
   • Juli 2031: Landung der Wiedereintrittskapsel in der Inneren Mongolei[2]

Am 5. Dezember 2020 gelang der Nationalen Raumfahrtbehörde Chinas bei der Mission Chang’e 5 weltweit erstmals ein autonomes Koppelmanöver im Tiefraum. Bei Tianwen-3 ist der Schwierigkeitsgrad jedoch höher. Das Chinesische Tiefraumnetzwerk kann zwar die Bahndaten des Orbiters bestimmen, nicht jedoch die der Aufstiegsstufe, die über keine Parabolantenne verfügt, mit der Bakensignale zur Erde gesendet werden könnten. Außerdem ist die Aufstiegsstufe von Tianwen-3 mit weniger Elektronik ausgerüstet als diejenige der Mondsonde und kann nur begrenzt mit dem „Mutterschiff“ zusammenarbeiten. Die Positionsbestimmung, Navigation und Steuerung der Aufstiegsstufe muss der Orbiter selbst übernehmen. Da die Trägerrakete die Aufstiegsstufe nur mit mäßiger Präzision in der Marsumlaufbahn aussetzen kann, ist insbesondere die erste Zielerfassung zu Beginn des Manövers für den Orbiter ausgesprochen schwierig.

Sun Zezhou, der Chefkonstrukteur der Sonde, geht davon aus, dass der Orbiter die Aufstiegsstufe auf eine Entfernung von 2000 km erkennt. Der Orbiter meldet die Position der Aufstiegsstufe dem Raumfahrtkontrollzentrum Peking, das ihn mit vier bis sechs Bahnkorrekturmanövern bis auf 60 km an diese annähert. Dann kann der Orbiter die Aufstiegsstufe mit seinem Lidar erfassen und autonom die weitere Annäherung regeln. Dies erfolgt zunächst in drei Bahnmanövern, wobei der Abstand auf 5 km, 1 km und 100 m verkürzt wird. Dort richten sich Orbiter und Aufstiegsstufe präzise aufeinander aus und leiten das Koppelmanöver ein. Anschließend wird der Probenbehälter für den Transport zur Erde in die Wiedereintrittskapsel hinübergeschoben.[1]

Marskalender

Hier der Marskalender für den angesetzten Missionszeitraum:[20][21]

Ereignis	2028/'29	2030/'31
Winterbeginn	12. März 2028	28. Januar 2030
Konjunktion	21. März 2028	25. Mai 2030
Frühlingsbeginn	17. August 2028	5. Juli 2030
Aphel	19. Januar 2029	7. Dezember 2030
Sommerbeginn	3. März 2029	20. Januar 2031
Herbstbeginn	3. September 2029	22. Juli 2031
Perihel	29. Dezember 2029	16. November 2031

Einzelnachweise

1. 天问三号火星采样返回任务计划2028年由两发火箭发射. In: memeta.co. 20. Juni 2022, abgerufen am 21. Juni 2022 (chinesisch).
2. Andrew Jones: China aims to bring Mars samples to Earth 2 years before NASA, ESA mission. In: spacenews.com. 20. Juni 2022, abgerufen am 20. Juni 2022 (englisch).
3. 蒋建科: 我国预计在2020年左右发射一颗火星探测卫星. In: spacechina.com. 12. August 2016, abgerufen am 7. Mai 2022 (chinesisch).
4. 中国火星车这个样. In: edu.cn. 24. August 2016, abgerufen am 7. Mai 2022 (chinesisch).
5. 倪伟: 高起点出征，天问一号奔火星. In: bjnews.com.cn. 23. Juli 2020, abgerufen am 7. Mai 2022 (chinesisch).
6. 我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功. In: cnsa.gov.cn. 15. Mai 2021, abgerufen am 7. Mai 2022 (chinesisch).
7. 孟林智 et al.: 无人火星取样返回任务关键环节分析. In: jdse.bit.edu.cn. 6. April 2016, abgerufen am 7. Mai 2022 (chinesisch).
8. Andrew Jones: China Space News Update #12. In: getrevue.co. 25. Oktober 2021, abgerufen am 7. Mai 2022 (englisch).
9. 王金志: 五十多年发展未来可期！中国航天梦下一站在哪儿？ In: xinhuanet.com. 25. April 2022, abgerufen am 26. April 2022 (chinesisch).
10. 姜生元 et al.: 地外天体潜入式探测典型案例分析及展望. (PDF; 82,2 MB) In: jdse.bit.edu.cn. 4. November 2015, S. 75, abgerufen am 21. Juni 2022 (chinesisch).
11. Chang’e 5 Spacecraft Overview. In: spaceflight101.com. Abgerufen am 21. Juni 2022 (englisch).
12. Heinz-Herbert Cohrs: Hoch baggernd oder tief löffelnd. In: baublatt.de. Abgerufen am 21. Juni 2022.
13. Li Qi et al.: Study on Effect of Aerodynamic Configuration on Aerodynamic Performance of Mars Ascent Vehicles. In: spj.sciencemag.org. 29. Januar 2022, abgerufen am 30. Januar 2022 (englisch).
14. HLL IAF WORLD SPACE AWARD: ACHIEVEMENTS OF THE TIANWEN-1 MISSION - IAC 2022 - Wednesday 21 September (ab 0:39:14) auf YouTube, 26. September 2022, abgerufen am 29. September 2022.
15. Andrew Jones: China is planning a complex Mars sample return mission. In: spacenews.com. 4. November 2021, abgerufen am 7. Mai 2022 (englisch).
16. 着陆火星——当年一起吹过的牛，只有中国实现了. In: zhuanlan.zhihu.com. 16. Mai 2021, abgerufen am 21. Juni 2022 (chinesisch).
17. Mars' Calendar. In: planetary.org. Abgerufen am 22. Juni 2022 (englisch).
18. “天问一号”总设计师孙泽洲：专门为着陆失败做了准备 (ab 0:04:55) auf YouTube, 24. Mai 2021, abgerufen am 22. Juni 2022.
19. 单晓冰: “天问一号”环绕器进入遥感使命轨道 开展火星全球探测. In: ce.cn. 9. November 2021, abgerufen am 21. Juni 2022 (chinesisch).
20. Martian Seasons and Solar Longitude. In: mars.lmd.jussieu.fr. Abgerufen am 24. Juni 2022 (englisch).
21. Mars Date (Year and Solar Longitude) to Earth Date Conversion. In: mars.lmd.jussieu.fr. Abgerufen am 24. Juni 2022 (englisch).

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