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Tianwen-1 Mars Mission

Tianwen-1, übersetzt „„Himmelsfrage 1“ ist Chinas zweite Marsmission. Schon 2011 erfolgte ein Start mit Yinghuo 1, ein Tochersatellit der russischen Phobos Grunt Mission. Er ging mit dieser Raumsonde schon nach dem Start 2011 verloren. Während Yinghuo 1 eher beschränkte Forschungsziele hatte, handelt es sich bei Tianwen-1 um die schwerste Marsmission seit Jahren, bestehend aus einem Orbiter, Lander und Rover. Leider gilt für die chinesische Mission das Gleiche wie für die letzten Mondsonden – man findet jenseits knapper Texte für Nachrichtenmedien kaum Informationen über die Sonde. Konnte ich für Chang‘e-1 noch zumindest bei den Experimenten auf Veröffentlichungen der beteiligten Wissenschaftler zurückgreifen die diese beschreiben, so fehlen diese bei Tianwen-1 vollständig. Es ist auch zu erwarten, dass nach dem Einschwenken in den Orbit und die Landung es jeweils einige Bilder geben, wird die veröffentlicht werden und man dann von der Mission nichts mehr hört – zumindest war es bei allen Mondsonden Chinas bisher so.

Die Sonde

China wird wahrscheinlich auf ihrer Chang‘e-Mission aufbauen, die einen ähnlichen Aufbau hatte. Auch hier gab es einen Orbiter, der im Mondorbit verblieb, eine Landestufe die die Aufgabe hatte die Mondoberfläche zu erreichen, aber auch Experimente trug und als Relais für den Rover diente und den Rover selbst. Wenig ist über die Sonden bekannt. Es ist nach Abbildungen aber ein ähnliches System, wie bei Chang'e - der Rover sitzt auf der Landeplattform und rollte dann auf Fahrrampen herunter. Die USA setzten für ihre Rover ein anderes System ein – bei den MER Rovern war die Landeplattform ganz flach und die beiden Rover Curiosity und Perseverance waren unter der Landeplattform angebracht und wurden auf die Oberfläche abgeseilt, bevor die Landeplattform sich seitwärts entfernte und zerschellte. So entfällt aber sehr viel der Landemasse auf die Plattform selbst.

Der Orbiter hat ein Haupttriebwerk mit 3 kN Schub, daneben acht größere Korrekturtriebwerke mit je 120 N Schub und zwölf Lagereglungstriebwerke in vier Gruppen von je drei Triebwerken (eines pro Raumachse) von je 25 N Schub.

Die Antenne mit 2,5 m Durchmesser sendet im X-Band zur Erde. Je nach Entfernung und Stellung der Planeten beträgt die Datenrate 16 bis 4096 kbit/s. Mit ausgebreiteten Solarpaneelen (6 Stück) hat er eine Spannweite von 13,6 m.

Die Raumsonde ist die schwerste Marssonde überhaupt – vorher hielten diesen Rekord Mars 2+3 die 4.650 kg wogen (Phobos 1+2, Mars 96 und Phobos Grunt waren beim Start noch schwerer – bis zu 6.220 kg, aber sie verbrauchten einen Teil des Treibstoffs schon, um die Erde zu verlassen). Auch verglichen mit modernen Missionen wiegt die Sonde viel. Der europäische Trace Gas Orbiter wiegt 4.332 kg. Der fast zeitgleich gestartete Mars Rover Perseverance wiegt 4.140 kg. Allerdings haben diese beiden Projekte nur eine der beiden Aufgaben von Tianwen-1 nämlich nur Orbiter und nur Landung.

Die Landesonde bremst zuerst wie alle Marslandesonden passiv durch eine aerodynamische Hülle mit Hitzeschutzschild ab. Danach werden Fallschirme entfaltet. Auch diese werden abgeworfen, weil sie nicht ausreichend sind, um eine zufriedenstellende Landegeschwindigkeit in der dünnen Marsatmosphäre zu erreichen. Danach werden Retroraketen zur Verlangsamung eingesetzt und zum Schluss Airbags aufgeblasen – damit setzte Tianwen-1 alle Landetechniken ein die es gibt. Bisherige Missionen setzten in der letzten Phase entweder auf Airbags (Mars Pfadfinder, MER Rover, Beagle 2) oder Triebwerke (alle anderen Missionen der USA). Ein Grund für das Abschalten der Triebwerke dürfte sein, das man so nicht die Marsoberfläche kontaminieren möchte oder das Aufwirbeln von Staub verhindern will. Allerdings ist die Nutzung von Airbags unbestätigt. Verfügbare Videos und Zeichnen zeigen keine Airbags. Auffällig an der veröffentlichten Abbildung ist die stark spitzkegelförmige Gestalt des Landeteils. Jede Landesonde besteht aus einem stumpfkegelförmigen Ladenschild und einer spitzkegelförmigen Backshell, doch bei US-Sonden sind diese beiden Kegel nicht so unterschiedlich in Höhe und Winkel. Das Haupttriebwerk der Landesonde ist das gleiche wie für die Chang'e Sonden und hat einen Schub von maximal 7,5 kN ist aber im Schub reduzierbar.. Der 3,4 m große Hitzeschutzschild basiert auf dem bei den bemannten Shenzhou Raumschiffen eingesetzten, ist aber anders als dieser nicht monolithisch sondern hat eine weitere Trägerstruktur aus 70.000 Bienenwaben (Sechsecken) die mit dem ablativ abbrennenden Material gefüllt sind.

Der Rover ist rein solarbetrieben – bei den Mondlandern Chang‘e setzte man für die Landesonde RTG ein, um eine minimale Stromversorgung auch bei der Mondnacht und genügend Abwärme für die temperaturempfindlichen Systeme, wie Batterien, zu haben. Die Landeplattform scheint anders als bei Chang‘e keinerlei Experimente zu tragen. Anders als bei den beiden US-Rovern scheint der Rover keine Möglichkeit haben durch Bohren oder andere Oberflächenbearbeitung eine frische, nicht von Staub bedeckte Oberfläche vor der Analyse freizulegen. Es fehlt jeder Hinweis über einen mechanischen Arm mit daran angeschlossenen Bohrern und Bürsten oder Experimenten. Der Rover hat eine Größe von 2 × 1,65 × 0,8 Meter. Eine drehbare Hochgewinnantenne auf einem Mast dient zur Kommunikation mit dem Orbiter. Dieser setzt eine Parabolantenne für die Kommunikation ein. China hat für die Kommunikation in Argentinien eine eigene Antenne aufgebaut, nutzt aber auch das europäische DSN-Netzwerk auf drei Kontinenten und das ESTRACK Netzwerk für das Tracking nach dem Start. Primär erfolgt der Datentransfer aber über eine Bodenstation in China, die schon für Yinghuo fertiggestellt wurde, und bei den Chang‘e-Mondonden zum Einsatz kam. Reguläre Hilfe leistet die ESA bei den Bahnbestimmungen, da ihr Netzwerk über drei Kontinente reicht anders als Chinas VLBI-Stationen, die nur auf Chinas Boden stehen. China ist also nicht ganz autonom, aber fast, anders als die UAE, die für ihre Hope Mission über eine US-Firma einfach Services des NASA DSN angemietet haben. Auch bei den Instrumenten sind andere Nationen beteiligt: Das Institut für Weltraumforschung, IWF in Graz leistet Hilfe beim Magnetometer, indem es beim Kalbrieren unterstützt. Man hat schon die Entwicklung des Magnetometers mit unterstützt. Die CNES liefert ebenfalls ein Kalibrationsziel für das LIBS-Spektrometer, dasselbe wie bei Curiosity, somit sollen die beiden Datensätze leichter verglichen werden können.

Die Trägerrakete

Die Raumsonde wird von der Langer Marsch 5 gestartet. Die Serie „Langer Marsch“ (Chang Zheng, abgekürzt CZ) sind von China neu entwickelte Raketen mit den Treibstoffen, LOX/Kerosin und LOX/Wasserstoff. Sie wurden als Trägerraketen neu entwickelt anders als die Typen der Serie Langer Marsch 2 bis 4, die aus Interkontinentalraketen entstanden und sehr toxische Treibstoffe einsetzen. Es ist eine Familie von sechs Typen, die sich durch die Größe und Anzahl der Booster und eingesetzter Oberstufe unterscheiden. Zuerst werden aber nur zwei Typen eingeführt, die Langer Marsch 5 und 5B.

Die Version Langer 5 ist die leistungsfähigste chinesische Trägerrakete. Sie kann 14 t in einen GTO, 8,8 t in einen Mondtransferorbit und 6 t in den GEO befördern. Die Energie für die Bahn zum Mars liegt zwischen der Energie für einen GEO- und Mondkurs, der Autor errechnet eine Nutzlast von 7,5 t für die Bahn von Tianwen-1. Die Rakete hätte also eine noch weitaus schwerere Sonde transportieren können.

Die Langer Marsch 5 hatte einen Fehlschlag beim zweiten Flug, das Triebwerk der Zentralstufe wurde neu designt und sie flog nach zweieinhalb Jahren erfolgreich. Der Start von Tianwen-1 war erst der fünfte Einsatz dieser Rakete.

Die Experimente

Es gibt dreizehn Experimente auf dem Orbiter und Rover. Sieben auf dem Orbiter (allerdings auch mit einigen Teilexperimenten) und sechs auf dem Rover. Die Landeplattform scheint keine Experimente zu tragen.

Der Orbiter hat zwei Kameras zur Untersuchung der Geologie und Morphologie des Mars. Die Medium Resolution Camera liefert Farbaufnahmen mit einer Auflösung von 100 m. Die hochauflösende Kamera bis zu 2 m scharfe Aufnahmen. Sie wird auch für die Auswahl der Landeplätze genutzt. Die mittelauflösende Kamera setzt einen 12 MPixel (4.096 x 3.072 Pixel) Sensor mit einer RGB-Maske ein. Ihre Auflösung beträgt weniger als 100 m aus 400 km Entfernung, entsprechend die Bildgröße 410 x 307 km. Es handelt sich also um eine Weitwinkelkamera.

Die hochauflösende Kamera bildet aus 265 km Distanz einen Streifen von 9 km Breite ab und scheint einen (TDI?-)Zeilensensor zu verwenden. Aus 265 km Distanz beträgt die Auflösung 2,5 m bei Schwarz/weiß und 10 m bei Farbaufnahmen. Die Angabe der Breite eines Streifens und die unterschiedliche Auflösung für Farbe und Schwarz-Weiß deuten auf einen TDI-Sensor hin, den auch andere Orbiter wie der MRO einsetzen.

Zwei Radargeräte an Bord des Orbiters und Rovers sollen die Menge und Verteilung von Eis unterhalb der Marsoberfläche messen. Radarstrahlen dringen je nach Frequenz bis zu einige Kilometer unter die Oberfläche ein und Eis absorbiert und reflektiert Radarstrahlen anders stärker als Gestein. Ähnliche Radarexperimente werden schon an Bord des MRO und Mars Express eingesetzt, auch der Perseverance Lander hat ein Bodenradar für die Durchleuchtung des Untergrunds. Eingesetzt werden auf dem Orbiter Radarwellen mit einer Frequenz von 10 bis 20 und 30 bis 50 MHz. Sie sollen bis zu 100 m in den Untergrund vordringen und die räumliche Auflösung im Untergrund liegt bei etwa einem Meter. Sie haben jeweils Stabantennen von 6 m Länge. Die Sendeleistung beträgt 100 Watt. Während der interplanetaren Phase wurden die Antennen passiv genutzt: ein Niedrigfrequenzempfänger zwischen 10 Kuh und 10 MHz empfing kosmische Wellen die von verschiedenen Quellen im Universum stammen. Dies erinnert an dir russischen Marssonden, die auch zahlreiche Experimente an Bord hatten die nur während des Flugs zum Mars aktiv waren.

Der Lander hat zwei Radargeräte an Bord. Die Zentralwellenlänge des niederfrequenten Bodenradars 55 MHz mit einer Bandbreite von 40 Mhz. Es kann bis zu 100 m in Eis vordringen, bei wasserfreiem Felsen liegt die maximale Tiefe bei 10 m. Es erfasst die Dicke von Eisschichten im Meterbereich. Wesentlich weniger tief, nämlich nur 10 m (Eis), bzw. 3 m (Gestein) dringt das höherfrequente Bodenradar ein. Es arbeitet bei 1,3 GHz Wellenlänge mit einer Bandbreite von 1 GHz. Dafür misst es die Dicke von Eisschichten im Zentimeterbereich.

Die chemische und mineralogische Zusammensetzung des Mars wird vom Orbiter aus durch eine ein Spektrometer durchgeführt und vom Landesegment durch ein Spectral Surface Package und eine Multspektralkamera. Das Spektrometer auf dem Orbiter arbeitet in zwei Frequenzbereichen: zwischen 0,34 und 1,05 Mikrometern Wellenlänge im sichtbaren Bereich und daran angrenzenden nahen Infrarot mit einer spektralen Auflösung von 10 nm und als zweiter Bereich im nahen Infrarot zwischen 1,0 und 3,4 nm. Hier beträgt die Auflösung 12 nm im Bereich 1,0 bis 2 nm und darüber 25 nm. Insgesamt 72 Spektralkanaäle stehen zur Verfügung. Die räumliche Auflösung liegt je nach Messbereich bei 2565 - 3200 m und 1060 bis 3200 m.

Die Multispektralkamera auf dem Rover liefert scharfe Bilder ab einer Distanz von 1,5 m. Ihr Sensor mit 2.048 x 2.048 Pixeln kann die Szene durch einen von neun Filtern aufnehmen:

Das Mars Surface Composition Detection Package auf dem Rover benutzt die Technik von LIBS um eine chemische Analyse durchzuführen. LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectrometer) sendet einen gepulsten Laserstrahl auf einen nahen Felsen. Die Energie des Lichtes ionisiert Atome, die dann ein Plasma bilden und Licht aussenden, wenn sie wieder Elektronen einfangen, um ihre Elektronenhülle zu vervollständigen. Das emittierte Licht wird von einem Teleskop gebündelt und ein Spektroskop, das das Licht in seine Wellenlängen aufteilt stellt fest, von welchem Element das Spektrum stammt. Es wird ein Emissionsspektrum erhalten, das einzelne Spektrallinien aufweist. So gibt z.B. ionisiertes Natrium nur bei 589 nm Wellenlänge Licht orangener Farbe ab. LIBS wird auch auf den beiden US-Rovern eingesetzt in der Chemcam von Curiosity und Supercam von Perseverance. Optimal arbeitet das Instrument in einer Distanz von 2 bis 5 m zum Untersuchungsobjekt, es kann ein Spektrum bis in 10 m Distanz aufnehmen. Erwartet wird die Detektion von 10 häufigen Elementen: (Si/Al/Fe/Mg/Ca/Na/O/C/H/Mn/Ti/S). Eine Kamera mit einer Auflösung von 100 µrad – das sind 0,2 mm aus 2 m Entfernung nimmt die Szene auf und dient zum Nachjustieren des Lasers und zur Dokumentation. Die Detektion erfolgt durch ein im infraroten empfindliches Spektrometer, das ein Spektrum zwischen 850 und 2400 nm mit einer Wellenauflösung von 12 nm aufnimmt. Das Gesichtsfeld des dem Spektrometer vorgeschalteten Teleskops beträgt 1 mrad, also 2 mm aus 2 m Entfernung.

Die Umgebung des Mars, seien Atmosphäre und Ionosphäre werden durch eine Wetterstation auf der Oberfläche und zwei Teilchenanalysatoren an Bord des Orbiters untersucht die Ionen und Atome in der Ionosphäre bei Passieren des marsnächsten Punktes direkt bestimmen. Der eine Teilchendetektor erfasst die Teilchen mit niedriger Energie wie sie in der Ionosphäre vom Mars vorkommen und vom Mars selbst stammen. Niedrig-energetische Ionen werden von 5 eV bis 25 keV erfasst mit einer Energieauflösung von 15 % bei einem Gesichtsfeld von 90 x 360 Grad und einer Winkelauflösung von 11,2 x 22,5 Grad. Erfasst werden Teilchen mit einer Atommasse von 1 bis 40, also die Elemente bis Argon aber auch ionisierte Moleküle wie CO⁺. Neutrale Teilchen, also Atome und Moleküle werden von einem zweiten Teildetektor mit einem Gesichtsfeld von 15 x 160 Grad und einer Winkelauflösung von 10 x 25 Grad erfasst. Er ist empfindlich bis zur Atommasse 32. Die Energieauflösung beträgt 100 % bei einem Bereich von 50 eV bis 3 keV.

Der andere Detektor für hochenergetische geladene Teilchen misst geladene Teilchen mit höher Energie, wie sie im Sonnenwind vorkommen (Elektronen 0,1 bis 12 MeV, 16 Kanäle, logarithmisch gestaffelt, Protonen 2 bis 100 MeV, ebenfalls 16 Kanäle, Alphateilchen und schwere Ionen 25 bis 300 MeV, 16 Kanäle. Die Energieauflösung beträgt 15 % dE/E bei den niedrigeren Kanälen. Für schwere Ionen, erfasst werden bis zur Kernladungszahl 26, also Eisen liegt sie abhängig vom Energiegehalt und der Kernladungszahl bei 25 bis 60 %. Dieser Detektor hat ein Gesichtsfeld von 90 x 360 Grad und kann die Richtung eines Teilchens auf 22,5 Grad genau bestimmen.

Das Magnetfeld des Mars wird durch jeweils ein Magnetometer an Bord des Rovers und Orbiters bestimmt. Sie haben einen Messbereich von maximal 2.000 nT, bei einem Eigenrauschen von 0,01 nT und einer Auflösung von 0,1 nT. Die Reproduzierbarkeit einer Messung erreicht 0,1 nT.. Beim Orbiter befinden sie sich an einem 3 m langen ausfahrbaren Mast um das Eigenmagnetfeld des Orbiters besser abzuschirmen.

Die Wetterstation (Mars Climate Station) besteht aus einem Thermometer, einem Barometer, einem Aerometer (Windrichtung- und Windstärkemesser) und einem Mikrofon. Das Thermometer bestimmt die Temperatur auf 0,1 ° C genau, bei einem Messbereich von -120 bis +50°C. Der Druckmesser den Luftdruck zwischen 1 und 1500 Pa (Normal beim Mars um die 600 Pa) auf 0,1 Pa genau. Die Windstärke wird auf 0,1 m/s genau bei einer Maximalgeschwindigkeit von 70 m/s bestimmt. Die Windrichtung auf 5 Grad genau.

Das Mikrofon hat zwei Messbereiche von 20 Hz bis 2,5 kHz und 2,5 kHz bis 20 kHz. Gemessen wird wahrscheinlich nur die Intensität, also nicht die Geräusche selbst. Die Sensitivität beträgt 50 mV/Pa, zum Vergleich: Empfindliche Kondensatormikrofone, die in der Tontechnik eingesetzt werden, haben eine Sensitivität von 8 bis 32 mV/Pa, dynamische Mikrofone 1 bis 4 mV/Pa, der dynamische Bereich beträgt mindestens 90 db. Das entspricht dem Lautstärkenunterschied zwischen absoluter Stille und der empfohlenen Lautstärke in Kopfhörern (89 dba). Ein Benzinrasenmäher ist in 1 m Entfernung etwas lauter (96 dba).

Oribter und Rover haben zusätzlich mehrere Einwegkameras. Es sind Kameras mit jeweils zwei Objektiven auf Vorder- und Rückseite. Die Sensoren haben 1600 x 1200 und 800 x 600 Pixel. Die Bilder werden über WLAN übertragen woraus sich eine maximale Distanz von 400 m ergibt. Beim Orbiter werden die Kameras durch einen Stoß vom Orbiter entfernt, drehen sich um die eigene Achse und machen einmal pro Sekunde eine Aufnahme,. beim Rover bleiben sie am Boden liegen. Jede Kamera wiegt 900 g, wovon 680 g auf die eigentliche Kamera und der Rest auf den Befestigungsmechanismus entfällt.

Die Mission

Das Startfenster für die Marsmission öffnete sich am 23.7.2020 und war für 14 Tage offen. Jeden Tag gab es drei Startmöglichkeiten, für die jeweils die Daten an den Bordcomputer der CZ-5 übertrugen wurden. Bei anderen Nationen ist es üblich das man nur das beste der Startfenster eines Tages nutzt. Gleich am ersten Tag brachte die CZ-5 Tianwen-1 problemlos auf einen Kurs zum Mars. Der Start gelang problemlos am ersten Tag, also 23.7.2020.

Wie bei jeder Marsmission gibt es Bahnänderungsmanöver (Trajectory Correction Manauevers TCM) um die Bahn zu justieren. Das Erste dieser TCM fand am 1.8.2020 statt und änderte die Geschwindigkeit um 14,85 m/s. Es dient meistens dazu die Bahn nach einer funktechnischen Vermassung zu erreichen die geplant war, schlussendlich gibt es bei jedem Raketenstart leichte Abweichungen von den Sollvorgaben. Daneben zielt man bei der NASA bewusst daneben, damit die zweite Raketenstufe nicht den Mars kontaminiert. Ähnliches könnte auch China durchführen. Etwa zur Hälfte der Reisezeit fandet TCM-2 statt, das himmelsmechanisch diktiert ist und die Aufgabe hat, die Bahnebene an die des Mars anzupassen, das ist energetisch dann am günstigsten. Die restlichen TCM (bis zu drei finden dann kurz vor dem Eintritt in den Orbit, statt um die Bahn fein zu justieren. Je näher man dem Planeten ist, desto weniger kann der Schub der Triebwerke der nicht beliebig reduzierbar ist die Bahn verändern). Meistens benötigt man aber nicht alle TCM, wenn nach dem Ersten schon die Bahn genau genug ist.

Anfang Februar 2021 sollte die Raumsonde den Mars erreichen. Tianwen-1 wird bei Passage des marsnächsten Punktes in einen ersten elliptischen Transferorbit von 400 x 180.000 km einschwenken. Dieser hochelliptische Orbit spricht dafür, dass der Orbiter nicht über ein sehr schubstarkes Triebwerk, wie der Lander verfügt. Daraus ergibt sich eine lange Brennzeit. Tianwen 1 entfernt sich während dieser Zeit weiter vom Planeten und benötigt damit sie mehr Treibstoff um einen Orbit zu erreichen. Eine Lösung den Treibstoffverbauch zu vermindern ist es zuerst einen hochelliptischen Einfangorbit zu erreichen, wie diesen, der eine Umlaufszeit von 11 Tagen hat. Er wird dann durch weitere Zündungen im marsnächsten Punkt abgesenkt. Das gibt auch genügend Zeit, die Raumsonde im Orbit durchzuchecken und die Bahn zu vermessen. In der Apoapsis führt Tianwen-1 dann eine Inklinationsänderung durch, die die Bahnneigung von 11,8 auf 86,9 Grad, also in eine sonnensynchrone Umlaufbahn ändert. Nebenbei kann der Orbiter so die ganze Oberfläche erfassen.

China nutzt nicht Aerobraking wie die NASA oder ESA (beim Trace Gas Orbiter) um den Orbit abzusenken. Bei dieser Technik taucht die Raumsonde in die hohe, aber noch dünne Atmosphäre (zwilchen 100 und 150 km Höhe) ein und wird abbremst, die Energie wird der Bahnenergie entzogen, was die Apoapsis absenkt. Diese Technik spart Treibstoff, verlängern aber die Mission um Monate.

Eine weitere Bahnanpassung führt zum Erkundungsorbit mit einer Periode von zwei Tagen (265 x 60.000 x 86,9 Grad). Aus diesem Orbit heraus wird der Landeplatz gesucht. Die Periode von zwei Tagen erleichtert die Kommunikation mit der Erde, da die Sonde beim marsfernsten Punkt, in dem sie keine Aufnahmen macht, dann jeweils im Empfangsbereich von chinesischen Stationen ist. Zwei Tage Umlaufszeit erlauben es, nach jeder Kommunikationssaison einen Tag lang die Daten zu untersuchen und neues Ziel für die Untersuchung auszuwählen.

Ist der Ladeplatz ausgewählt so erfolgt aus diesem Orbit heraus die Landung. Sie ist vor dem Juli 2021 geplant, erfolgt wahrscheinlich aber schon im April, was zwei bis vier Monate Zeit lässt, um den Landeplatz festzulegen.

Danach ändert der Orbiter erneut die Bahn und erreicht den endgültigen Wissenschaftsorbit von 265 x 15.000 x 86,9 Grad mit einer Periode von 8,2 Stunden. Nach drei Umläufen ist ein Marstag vergangen und der Orbiter passiert erneut die Landestelle und kann Daten vom Lander empfangen und zur Erde übertragen.

Das Einschwenken in einen Orbit vor einer Landung ist ungewöhnlich. Das kam bisher nur einmal vor bei den Viking Missionen. Der Preis der Vorgehensweise ist, dass der Orbiter auch den Lander in den Orbit bringen muss, was zusätzlichen Treibstoff verbraucht. Bei Viking geschah dies, weil die Marsoberfläche nach den Mariner 9 Kartierungen nur auf etwa 1 km genau bekannt war. Die Viking Orbiter hatten immerhin Kameras die 80 m große Hindernisse sichtbar machen konnten. Daher suchte man aus dem Orbit heraus zuerst nach einem Landeplatz. Eine ähnliche Überlegung dürfte China haben. Die hochauflösende Kamera kann immerhin 2 m große Details abbilden. Nebenbei ist dies Chinas erste Raumsonde zum Mars. Um einen Landeplatz präzise zu treffen (den China auch auf Basis der frei verfügbaren Daten der US-Orbiter mit ähnlicher oder noch besserer Auflösung auswählen konnte) benötigt man eine gute bahntechnische Auswertung. Dazu benötigt China Empfangsantennen auf mehreren Kontinenten, was sie nicht haben und Erfahrung mit der Technik des Delta-DOR. Die direkte Landung erschien wohl zu riskant und da die Sonde immer noch nicht das Nutzlastlimit der CZ-5B erreicht nahm man eben mehr Treibstoff für den Orbiter mit. Er ist daher mit 3.175 kg Startmasse auch der schwerste Teil der Mission. Für diese Theorie spricht auch die relativ großen Landellipsen in Utopia Planitia von jeweils 100 x 40 km Größe – zum Vergleich. Die Landeellipse von Mars 2020, die zeitgleich zum Mars aufbricht, ist 20 x 25 km groß und während der Landung wird die Sonde durch weitere Maßnahmen die Unsicherheit des Landepunktes auf einen Kreis von weniger als 10 km Durchmesser reduzieren. Bei der Landung ohne in einen Orbit einzutreten wäre die Landeellipse aber noch größer gewesen.

Der Rover tritt so mit einer Geschwindigkeit von 4,8 km/s in die Marsatmosphäre ein, weniger als die zeitgleich gestartete US-Mission Mars 2020 (6,1 km/s). In 290 s bremst der Hitzeschutzschild die Landesonde auf 465 m/s ab. Danach wird der Fallschirm entfaltet und der Hitzeschutzschild abgeworfen. Er bremst die Landeplattform auf 95 m/s in rund 90 Sekunden ab, bis auch er abgeworfen wird und dabei die Backshell mitnimmt. Den Rest der Geschwindigkeit vernichtet ein einzelnes, im Schub reduzierbares Triebwerk, wobei Radarsensoren die Distanz und Geschwindigkeit relativ zur Oberfläche messen.

Die primäre Missionszeit des Rovers beträgt 90 Sols (Marstage, etwa 93 Erdtage), der Orbiter soll über ein Marsjahr (689 Erdtage) den roten Planeten untersuchen.

Aktuelle Berichterstattung

Ich kann aus Zeitgründen nicht alle Missionen im Detail verfolgen. Zudem gibt es seitens China nur wenige Informationen zu ihrem Raumfahrtprogramm.

Der Start erfolgte am 23.7.2019 mit einer Langen Marsch in einen  1.02 x >1.60 AU x 1.1 Grad geneigten solaren Orbit mit einer hyperbolischen Exzessgeschwindigkeit (c₃) von 12,05 km²/s². Am 1.8.2020 erfolgte eine erste Bahnkorrektur, am 20.12.2020 die zweite. Beides Mal wurden vier der acht 120 N Triebwerke für 20 Sekunden gezündet. Dies diente auch zum Test der Triebwerke. Zwei weitere Korrekturen am 28.10.2020 und 5.2.2020 wurden mit den kleineren 25 N Lagereglungstriebwerken durchgeführt, ebenfalls nicht nur zur Bahnänderung sondern auch als Triebwerkstest.

Im September 2020 wurde die Kamera TW-1 Deployable Camera (TDC) in Betrieb genommen und nahm den Lander auf Die ist eine Ingenieurskamera wie sie inzwischen oft in Raumfahrzeugen eingesetzt werden und die die Aufgabe haben die Raumsonde zu fotografieren und so Beschädigungen bzw. das ordentliche entfalten von Antennen oder Auslegern zu dokumentieren.

Am 5.2.2021 übertrug die hochauflösende Kamera ein erstes Marsbild noch aus 2,2 Millionen km Distanz zur Erde. Am 10.2.2021 zündete Tianwen-1 für 15 Minuten die großen Triebwerke und schwenkte in einen ersten Marsorbit ein. Er hatte einen marsnächsten Punkt von 400 km, einen marsfernsten von 180.000 km und eine Bahnneigung von 10 Grad zum Marsäquator. Dieser Orbit hat eine Periode von 10 Tagen. im marsfernsten Punkt angekommen, zündete das Haupttriebwerk erneut und erhöhte die Bahnneigung zu einer polaren Umlaufbahn und senkte gleichzeitig den marsnächsten Punkt auf 265 km Entfernung ab. Zwei weiter Bahnmanöver am 20.2.2021 beim ersten Durchlaufen des marsnächsten Punktes senkte die Umlaufbahn ab, ein drittes Feinjustiermanöver drei Tage später am 23.2.2021 führte zum finalen 265 x 59.000 x 86,9 Grad Orbit. Weitere Manöver senkten den marsfernsten Puinkt auf 15.000 und zuletzt 12.000 km ab. Dieser hat einer Periode von 7,8 Stunden. Diese Vorgehensweise ist umsichtig, da so nach jedem Manöver die Bahn vermessen werden kann aber auch etwas unschlüssig. Im Normalfall sind nur drei Manöver nötig:

• Ein Manöver erstes um in einen vorläufigen Marsorbit einzuschwenken
• Ein zweites, wenn die Sonde am marsfernsten Punkt der Bahn angekommen ist um die anfängliche Bahnneigung von 10 auf 86,9 Grad zu erhöhen. Dies führt man bei minimaler Geschwindigkeit durch.
• Ein drittes beim erneuten Durchlaufen des marsnächsten Punktes um die Bahn abzusenken.

Tianwen 1 hat dagegen zwei Zwischenbahnen mehr gehabt und auch die Periode des ersten Orbits ist sehr hoch, da besteht schon das Risiko das der chinesische Marsorbiter gar nicht erst in einen Orbit eintritt. Dabei hat Tianwen 1 das schubstärkste Triebwerk aller bisherigen Marssonden. Mit 3 kN Schub ist es achtmal schubkräftiger als das europäischen Trace Gas Orbiters. Zwischenbahnen werden meist gemacht wenn das Triebwerk schubschwach ist, um den Treibstoff zu sparen. Die Vorgehensweise ist erklärbar, wenn die Erfahrung fehlt. Die lange Dauer von 10 Tagen beim ersten Orbit bedeutet auch das 5 Tage zwischen Einschwenken in den Orbit und Erreichen des marsfernsten Punktes vergehen. Genügend Zeit, um durch Vermessung des Funksignals die Bahn zu vermessen. Ebenso bedeuten mehrere Zwischenbahnen auch, dass man sich der genauen Performance des Haupttriebwerks nicht sicher ist und diese erst durch Vermessen der neuen Bahn und Vergleich mit der bekannten Brennzeit ermitteln muss. Zumindest eine Zwischenbahn ist vorgegeben durch die 90 Tage dauernde Relayfunktion zum Rover Zhurong.

Die vorsichtige Vorgehensweise spiegelt sich auch im weiteren Vorgehen wieder. Denn natürlich gibt es Aufnahmen der Landeplätze in ähnlicher Auflösung, sogar besserer von den US-Orbitern MGS und MRO. Die ESA hat ihre Landeplätze ja auch auf Basis dieser öffentlich zugänglichen Daten festgelegt.

Fündig wurde man im schon vorselektierten Primärgebiet – die ISIS Ebene. Ein Bild von Tianwen zeigt weiße gekrümmte Strukturen, es sind wahrscheinlich Sanddünen. Am 3.3.2021 wurde die Landezone bekannt gegeben.

Am 14.5.2021 fand dann die Landung statt. Zuerst senkte der Orbiter den marsnächsten Punkt der Bahn auf 40 km Höhe, dann trennte er den Lander mit dem Hitzeschutzschild marswärts orientiert ab und nach einer halben Stunde erhöhte er wieder den marsnächsten Punk,t um nicht selbst zu verglühen. Dies geschieht mit den 120 N Triebwerken. Die Brenndauer beträgt beim ersten Manöver 2 Minuten. Die Abtrennung des Landers erfolgte nicht sofort, sondern erst nach drei Stunden. Das verkürzt die Freiflugphase, da der Lander anders als der Orbiter keine Triebwerke zur Stabilisierung in dieser Phase hat. Er verfügt aber über eigene Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterien, die nur in dieser Phase aktiv sind und daher wahrscheinlich nicht im Lander selbst montiert sind, sondern in der Backshell.

Der Lander befindet sich nun auf einer Bahn, deren marsnächster Punkt schon so tief liegt, dass er durch die Marsatmosphäre abgebremst wird und nicht mehr in einem Orbit verbleiben kann. In 125 km Höhe gibt es die erste messbare Verzögerung bei einer Geschwindigkeit von 4,8 km/s. In fünf Minuten wird Zhurong abgebremst und der Hitzeschutzschild aus 70.000 mit Phenolharz gefüllten Waben schützt ihn vor dem umgebenden Plasma. Der Eintrittswinkel betrug 11,5 Grad. Während dieser Zeit sinkt die Geschwindigkeit augf 460 m/s ab. Aufgrund der hohen Geschwindigkeitsänderung ergibt sich im normalen Kommunikationsband des Orbiters mit dem Lander, dem X-Band eine starke Frequenzverschiebung durch den Dopplereffekt der mit der Elektronik von Tianwen 1 nicht kompensierbar ist, daher wurde auf das niederfrequente Dezimeter-band ausgewichen, da dort die Frequenzverschiebung kleiner ist, aber auch die Datenrate entsprechend geringer.

In 4 km Höhe öffnet sich der Fallschirm, der die Kombination weiter auf 95 m/s abbremst. Gleichzeitig wird der untere Hitzeschutzschild abgetrennt. Die Marsatmosphäre ist aber zu dünn, um nur mit dem Fallschirm zu landen. In 1,5 km Höhe wurde der Fallschirm wieder abgeworfen und zog dabei die Backshell mit vom Lander. Nun zündet das Haupttriebwerk das den Lander in 90 s auf 3,8 m/s abbremst und die horizontale Driftgeschwindigkeit auf 0,9 m/s senkt. Bisher verläuft die Landung ähnlich wie bei anderen Marssonden. Die weitere Vorgehensweise weicht aber davon ab. In 100 m Höhe angekommen, beleibt der Lander in der Schwebe, die Distanz wird durch einen Laser-Entfernungsmesser bestimmt. Ein Laser-3D-Scanner mit einem Gesichtsfeld von 30 x 30 Grad tastet das voraussichtliche Landegebiet ab und der Bordcomputer sucht in diesem Gebiet eine Zone ohne größere felsen. Mit 20 Triebwerken von jeweils 250 N Schub wird die Restgeschwindigkeit abgebaut und mit sechs von 25 N Schub wird der Lander horizontal bewegt. Diese Vorgehensweise entspricht der Landung der Mondsonden Chang’e-3 und 4. Ebenso wie der Lander selbst viele Subsysteme dieser Sonden übernimmt – inklusive der Tatsache, dass der Lander viel schwerer als der Rover ist, aber nch der Landung nutzlos, da er keine eigenen Experimente hat.

Die letzte Restgeschwindigkeit fangen Stoßdämpfer im Lander ab. Die Landung begann um 17:00 UTC am 14.5.2021 mit dem Absenken des marsnächsten Punktes und die Landung selbst erfolgte um 23:18 UTC. Die Landestelle liegt bei 109,1 Grad Ost und 25,1 Grad Nord. Die Koordinaten die schon vor dem Start selektiert wurden waren 110,318° östlicher Länge und 24,748° nördlicher Breite, das heißt wie nicht anders zu erwarten, da auch China Zugriff auf die Archive von ESA und NASA hat, hat man anhand der dort verfügbaren Aufnahmen schon ein risikoarmes Gebiet vorselektiert. Es ab es nur eine kleine Verschiebung durch die Aufnahmen von Tianwen 1 um etwa 69 km, vor allem nach Westen.

Dann musste die Welt lange warten, bis man ein Bild bekam. Der Grund war sehr einfach. Da der Orbiter als Kommunikationsrelais vorgesehen ist, er sich durch die Bahnmanöver aber nicht mehr in der Bahn befand, die dafür notwendig war, konnte der Lander nur direkt mit der Erde kommunizieren. Aufgrund der viel größeren Entfernung sank die Datenrate aber so auf 16 Bit/s ab. Er hat anders als US-Rover kein für die Kommunikation mit der Erde ausgelegtes zweites Kommunikationssystem. 16 Bit pro Sekunde reicht nicht für Bilder. Als Tianwen nach einer Bahnkorrektur am 17.5.2021 in der richtigen Position für die Übertragung war konnten Bilder übertragen werden, die von Ingenieurskameras des Landers stammten und so die Umgebung in Schwarz/Weiß und verzerrt zeigten.

Am 22.5.2021 rollte der Rover Zhrong über die beiden Rampen herunter. Vorher nahm er aus der erhöhten Position noch ein 360 Grad Panorama des Landeplatzes auf. Es zeigt eine weitestgehend felsensfreie Ebene. Zwei Ausnahmen gibt es. Zum einen ein kleines Felsenfeld rund um einen Einschlagkrater nahe der Sonde. Zum anderen einen prominenten Felsen der alleine ziemlich wackelig links im Bild zu sehen ist. Am Horizont erkennt man einen Tafelberg oder ein niedriges Bergplateau und zwei kleine Erhebungen. An einigen Stellen ist das Geröll und der Sand abgetragen und man sieht die helle Oberfläche. Insgesamt ist das Landegebiet risikoarm, wie aber schon US-Forscher anhand der Landekoordinaten vorher wussten.

Es folgten weitere Bilder der Umgebung und des Landers. Dann wurde eine Kamera abgeworfen, derselbe Typ der schon auf dem Weg zum Mars die Kombination aufnahm. Die gemachte Aufnahme ist eindrucksvoll, zeigt sie doch Lander und Rover (der nach dem Abwerfen 10 m zurückfuhr), anders als Selfies, welche die US-Rover machen (mit dem Kameras am Arm), komplett. Wie bei dem Abwurf während der Reise ist die Kamera aber wissenschaftlich nutzlos, es geht nur darum öffentlichkeitswirksame Bilder zu machen, was ja auch gelang. Dafür erfährt man von der Mission ansonsten fast nichts.

Am 2.6.2021 nahm Tianwen 1 den Lander selbst auf. Zu sehen sind in 1,5 km Distanz der Hitzeschutzschild, 400 m vom Lander entfernt der Fallschirm und der Backschild. Am 10.6.2021 veröffentlichte die NASA eine Aufnahme der MRO Kamera Hirise, die nochmals höher auflöst. Auf beiden Aufnahmen sieht man helle Verfärbungen, die von dem Entleeren der Tanks nach der Landung herrühren, um eine Explosion der Tanks zu verhindern. Bei dem niedrigen Druck und den tiefen Temperaturen geht der Treibstoff sofort vom gasförmigen in den festen Zustand über und lagert sich als feines Pulver ab.

Tianwen verbleibt während der ersten 90 Marstage in dem 8,2 Stunden Orbit. Da ein Marstag 24,6 Stunden dauert, überfliegt er dreimal pro Marstag die Landestelle, empfängt Daten des Landers und überträgt sie mit den eigenen wissenschaftlichen Daten zur Erde. Danach passt der Orbiter den Orbit an, die Periode sinkt auf 7,8 Stunden und der marsnächste Punkt rutscht auf 11,900 km Distanz.Er nähert sich nun dem Mars unterschiedlich stark (110 bis 400 km). Die nahe Distanz wire vor allem für in situ Feld- und Teilchenmessungen benötigt. Eine ähnliche Strategie fährt auch der US-Orbiter MAVEN.

Links: / Quellen

https://destevez.net/2020/08/tianwen-1-tcm-1/

http://english.nssc.cas.cn/ns/NU/201809/W020180906583004282187.pdf

https://www.space.com/china-mars-mission-tianwen-1-international-partners.html

https://spacenews.com/tianwen-1-launches-for-mars-marking-dawn-of-chinese-interplanetary-exploration/

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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