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Nach den beiden Supermächten USA und Sowjetunion (heute Russland) begannen in den 80 er Jahren auch Europa und Japan ein eigenes Programm zur Erforschung des Sonnensystems zu etablieren. Weitere 20 Jahre später folgen diesen die beiden bevölkerungsreichsten Staaten: China und Indien. Chang' e-1 ist Chinas erste Raumsonde, sie hat den Mond als Ziel. Der Name Chang' e-1 (chinesisch 嫦娥一号 Cháng'é Yīhào) stammt von der chinesischen Mondgöttin Chang-e, die in einem chinesischen Märchen eine Fee zum Mond fliegen lässt. Wie die Nummerierung -1 andeutet soll dies nur die erste von mehreren Sonden sein.
Die gesamten Projektkosten betragen 1.4 Millionen Yuan, etwa 184 Millionen US-$. Das ist für westliche Dimensionen relativ preiswert, orientiert man sich jedoch an den Preisen für die chinesische Trägerraketen angeboten werden, ist dies ein sehr kostenintensives Programm.
Die Raumsonde basiert auf dem Dongfanghong III Satelliten (DFH-3),
einem chinesischen Kommunikationssatelliten. Die Startmasse beträgt 2350 kg. Die
Lagekontrolle benutzt als Sensoren einen Beschleunigungsmesser, einen Sternsensor und
einen Sensor der den Mond im UV Licht wahrnimmt. Sowie als Inertialsystem ein Set von
Gyroskopen. Die Aktoren zur Lagekontrolländerung sind Reaktionsschwungräder und
Lagekontrolldüsen. Das System arbeitet autonom ohne Eingriffe von der Erde aus.
Der Bordcomputer soll über Selbstdiagnose und automatische Korrektur von erkannten Fehlern verfügen. Die Software für die Kontrolle und das Datenmanagement wurde von schon entwickelten Satelliten übernommen aber an die Mission angepasst, z.B. um ein autonomes Arbeiten der Heizungen an Bord zu erlauben wenn der Satellit im Mondschatten ist. Aufgrund der längeren Zeit im Schatten und der tieferen Temperatur (der Mond strahlt viel weniger als die Erde IR Strahlung auf der Nachtseite ab galt besonderes Augenmerk der gesamten Temperaturkontrolle durch passive Maßnahmen wie Oberflächenbehandlung wie auch aktive Maßnahmen wie Louver oder Heizelemente. An der sonnenzugewandten Seite gibt es Temperaturen von bis zu +170°C im Schatten auf der abgewandten Seite gehen sie bis auf -130 °C herunter.
Daten werden mit 3 MBit/s übertragen. Insgesamt mindestens 3 Terabyte im ersten Jahr. Gesendet wird wahrscheinlich im S-Band bei 2.3 GHz, da dies die einzige Frequenz ist die alle 4 Bodenstationen gemeinsam nutzen können. Für die normale Kommunikation werden 12 m Antennen benutzt. Für VLBI Tests weitere größere Antennen. Die Datenrate beträgt bei Telemetrie in zwei Kanälen 8 und 64 Bit/s. Kommandos werden mit 250 Bit/s zu Chang E-1 gesendet. Ein X-Band (8.4 GHz) Sender ist ebenfalls an Bord der Sonde. Dieser wird für VLBI Messungen benutzt.
Einige Dinge erinnern sehr stark an die Sowjetpropaganda in den sechziger Jahren. So soll die Sonde 30 Lieder, darunter die Nationalhymne und chinesische Volkslieder vom Mond zur Erde senden, wie dies schon Luna 10 mit der internationale tat. Dazu passt auch, dass es von dem gesamten Projekt nur spärliche Informationen gibt. Hinsichtlich Öffentlichkeitsarbeit teilt Chang' e-1 das Schicksal aller anderen chinesischen Projekte - Es gibt fast keine technischen Detailinformationen.
Die Startmasse liegt bei 2350 kg, die Trockenmasse bei etwa 950-1000 kg.
Die Experimente an Bord von Chang' E-1 sind:
Das Gesamtgewicht der Experimente beträgt 130 kg. Es handelt sich um 25 Detektoren in 8 Instrumenten. Details sind dazu spärlich. Die Datenmangen beziehen sich auf nachverarbeitete, sogenannte Level I Daten - diese sind deutlich größer als die Rohdaten der Sonde durch Zusatzinformationen und fehlende Kompression.
Diese CCD Kamera macht Aufnahmen eines Gebiets vor, beim Überflug und danach. Aus diesen 3 Aufnahmen will man dann Stereoskope Aufnahmen erzeugen. Das ist deutlich aufwendiger als die direkte Zuordnung von gleichzeitig gewonnen Bildern aus mehreren Blickwinkeln wie es die deutsche HRSC oder die indische TMC an Bord von Chandrayaan tun. Die Stereokamera bildet einen 60 km breiten Streifen mit einer Auflösung von 120 m/Pixel ab. Verwendet wird ein CCD Chip mit 512 x 512 Pixeln. Die spektrale Empfindlichkeit liegt zwischen 0.5 und 0.75 µm. Sie liefert während der einjährigen Mission 800 Gigabyte an Daten.
Das abbildende Spektrometer bildet einen 25.6 km breiten Streifen mit einer Auflösung von 200 m/Pixel ab. Es deckten den Wellenlängenbereich von 0.48 bis 0.96 Mikrometern ab. Die Datenmenge dieses Instrumentes ist die Hauptmenge aller Daten es sind 7680 Gigabyte während des einjährigen Betriebs.
Das Gammastrahlenspektrometer liefert Daten über das Vorkommen der radioaktiven Elemente Thorium, Uran und Kalium. Die Röntgenstrahlen liefern Daten über das Vorkommen der Elemente Natrium, Schwefel und Nickel. Kombinierte Daten vom Gammastrahlen und Röntgenstrahlenspektrometer ergeben dann Hinweise auf das Vorkommen von Eisen, Titan, Aluminium und Magnesium. Das Gammastrahlenspektrometer erfasst Gammastrahlen zwischen 0.3 und 9 MeV ab mit einer Energieauflösung von 8 % bei 0,662 MeV Energie. Das Röntgenstrahlenspektrometer deckt den Bereich von 0.5 bis 60 keV Energie ab, mit einer Energieauflösung von 3.3 % bei 5.9 kEV Energie. Die Auflösung am Boden liegt bei 170 x 170 km beim Gammastrahlenspektrometer und 10 x 10 km beim Röntgenstrahlenspektrometer. Erwartet werden 140 Gigabyte vom Gammastrahlenspektrometer und 150 Gigabyte vom Röntgenstrahlenspektrometer während der Primärmission.
Das Mikrowellenradiometer wird Strahlung in 4 Wellenlängen empfangen die aus verschiedenen Tiefen der Oberfläche stammt und neben der Temperatur auch Informationen über die Tiefe und Albedo des Regoliths liefert. Die benutzten Wellenlängen sind 3.0 GHz ± 0.1 GHz, 7.8 GHz ± 0.3 GHz, 10.35 ± 0.5 GHz und 37 ± 0.5 GHz. Die Bodenauflösung liegt bei 56 km im 3 GHz Band und sonst bei 30 km. Etwa 50 Gigabyte an Daten fallen während des einjährigen Betriebs an.
Die Detektoren für geladene Teilchen dienen vor allem der Beobachtung des Sonnenwindes. Der Detektor für hochenergetische Teilchen hat zwei Kanäle für Elektronen mit unterschiedlicher Energieschwelle. Für Protonen gibt es sechs Kanäle für Energien von 4-400 MeV und für Alphateilchen drei Kanäle zur Erfassung.
| Kanal 1 | Kanal 2 | Kanal 3 | Kanal 4 | Kanal 5 | Kanal 6 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Elektronen | >0.0095 MeV | > 2.2 MeV | ||||
| Protonen | 4 MeV | 400 MeV | ||||
| Alphateilchen | 13-130 | 34-260 | 117-730 |
Der Detektor für niedrigenergetische Teilchen hat 48 Energiekanäle und erfasst Teilchen
von 0.5 bis 20 keV Energie. Das Gesichtsfeld beträgt 3.4 x 180 Grad. Beide Detektoren
zusammen liefern etwa 80 Gigabyte an Daten im ersten Jahr.
Der Laserentfernungsmesser benutzt einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometer. einmal pro Sekunde sendet er einen Impuls von kleiner als 10 Nanosekunden Dauer aus, der durch ein Galiläisches Teleskop auf 0.6 Millirad aufgefächert wird. Dies entspricht in 200 km Höhe einem Kreis von 120 m Durchmesser auf dem Mond. Die Laufzeit wird so genau gemessen, dass man von diesem 120 m Kreis die Entfernung auf 5 m genau kennt. Durch Streuung ist die Bodenauflösung dann noch etwas geringer. Man erhält also eine Höhenkarte von 200 m horizontaler und 5 m vertikaler Auflösung. Zusammen mit der Stereokamera soll dieses System ein dreidimensionales Bild der Oberfläche erzeugen.
Schon 1998 gab es den Wunsch der Führung nach einem Mondprogramm, aus
dem schlussendlich Chang'e entstand. Die Entwicklung des Roboters begann 2004.
Die Mission wurde mehrfach verschoben. Erstmals erfuhr man im Westen von einem chinesischen Mondprojekt im August 2005, als man den Starttermin für 2006 ankündigte ohne jedoch den Namen der Sonde oder ein genaues Datum zu erwähnen. Schon einen Monat später wurde dies jedoch auf 2007 korrigiert. Chang'e-1 sollte dann eine weitere Sonde folgen die weich landen soll. Dies soll 2010 erfolgen und für 2020 sollen Bodenproben zur Erde zurückgeführt werden. Am 17.9.2007 gab der stellvertretende Direktor des Komitees für Wissenschaft und Technik der chinesischen Rüstungsindustrie, Sun Laiyan gegenüber Radio China International an, dass die Raumsonde sich nun auf dem Startgelände befindet und noch vor Jahresende starten soll. Eine neue Trägerrakete mit einer höheren Nutzlast als das bisherige Spitzenmodell Langer Marsch 2F befindet sich dafür und bemannte Programme in der Entwicklung.
Trägerrakete soll eine Lange Marsch 3A sein. Diese hat eine Nutzlast von 1280 kg für eine Transferbahn zum Mond. Sie wurde in ihrer Zuverlässigkeit erhöht und um weitere redundante Systeme erweitert. Die Wahl erfolgte, weil die LM-3A bislang 7 DFH-3 Kommunikationssatelliten transportiert hat. Diese Plattform also an die Rakete angepasst ist. Chang' e-1 aber 2350 kg wiegt kann die Sonde nicht direkt zum Mond gesandt werden. Die Rakete setzt dagegen die Sonde in einem niedrigen Orbit aus, dessen erdfernster Punkt nach und nach angehoben wird bis er bei 400.000 km Entfernung liegt.
Der erste Orbit liegt bei 500 x 51000 km Höhe und hat eine Umlaufszeit von 16 Stunden. Der nächste führt bis 71000 km hinaus (24 stunden Umlaufszeit), es folgt ein 120.000 km Orbit (Umlaufszeit 48 Stunden) und zuletzt ein Orbit mit 400.000 im Entfernung von der Erde, wobei der Mond passiert wird. Gründe für diese Vorgehensweise war, dass man sich an die Entfernung erst herantasten wollte (bislang Erfahrungen mit maximal 80.000 km Entfernung von der Erde) und so auch mit den Ionendetektoren den irdischen Strahlungsgürtel und seine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind vermessen kann. Diese Phase dauert 8-9 Tage.
Bei Passage des Mondes zündet das Triebwerk erneut um in einen ersten Orbit einzuschwenken, der dann nach und nach angepasst wird bis der endgültige Orbit erreicht wird. Auch dieser wird in 3 Stufen erniedrigt: Zuerst wird eine 12 Stunden Bahn eingeschlagen, dann eine 3.5 stunden Bahn und dann eine 127 min Bahn in 200 km Höhe. Man hat einen 100 km Orbit erwogen, doch dieser ist nur für ein halbes Jahr stabil. Da man die Ziele der bildverarbeitenden Instrumente auch in 200 km Höhe erreichen kann wurde dieser gewählt. Der Orbit ist polar und über 1 Jahr stabil.
Erstmals will China Very Long Baseline Interferometry (VLBI) nutzen um die Position von Chang'e-1 im Mondorbit zu bestimmen. Es gibt dazu vier Bodenstationen die eine fast 5000 km breite große Raute bilden:
Die Daten der Sonde sollen auch anderen Forschern zur Verfügung stehen. Es gibt Gespräche mit der CNES und ESA über eine Zusammenarbeit, so denkt man über das Benutzen von Bodenstationen der ESA nach. Kourou mit seiner 15 m Antenne könnte in den ersten Tagen im erdnahen Orbit bei de Kommunikation helfen. Das Datenformat der NASA PDS wurde von China übernommen, so dass Forscher auf die Daten genauso wie auf NASA Daten zugreifen können.
Die Chang'e-1 Mission hat den typischen Charakter einer Erstlingsmission. Es ist nicht der große technische Sprung. Man erkennt dies wenn man vergleichbare Experimente an Bord von Chang'E-1 mit denen an Bord der indischen Raumsonde Chandrayaan-1 oder dem amerikanischen Lunar Reconnaissance Orbiters vergleicht. Die Auflösung von Laser-Altimetern oder Kameras ist bei beiden Missionen höher. Man merkt das vorsichtige Vorgehen auch dem stufenweisen Anheben des Orbits zum Mond (eine Vorgehensweise die auch Indien durchführt), während die amerikanische LRO Mission direkt zum Mond fliegen wird. China hat weitere Pläne wie schon erwähnt und immer wieder gibt es auch Gerüchte über eine bemannte Landung (entsprechende Abbildungen gibt es zumindest auf der Website von Chang'E-1). Derzeit ist ein bemanntes Programm aber von China nicht durchführbar, weder finanziell noch technisch.
Am
24.10.2007 startete dann Chang'E-1. Der Start war einen Tag vorher
angekündigt worden, 2-3 Wochen vorher gab es sogar Tickets zu kaufen für
einen Sitzplatz in der ersten Reihe, wobei man ende Oktober als Starttermin
angab - recht ungewöhnlich für das chinesische Weltraumprogramm, das
normalerweise Starts erst bekannt gibt wenn sie erfolgt sind. (In Sachen
Öffentlichkeitsarbeit verhält sich China in etwa wie Russland vor der
Öffnung vor Gorbatschow: Misserfolge werden verschwiegen oder unter den
Teppich gekehrt, es gibt nur sehr wenige Informationen über die Missionen.
Übertragen wurde der Start wieder zeitversetzt um eine Stunde - Man hat dies
nach dem öffentlich übertragenen Fehlstart einer CZ-2E mit einem Intelsat
Satelliten, bei dem es viele Tote gab, eingeführt.
Die erste Bahn hat eine Höhe von 200-600 km. Am nächsten Tag dem 25.10.2007 zündete Chang'E-1 sein eigenes Triebwerk für 130 Sekunden und erreichte nun eine 16 Stunden Bahn mit 200-50.000 km Entfernung von der Erde. Am 26.10.2007 folgte das nächste Anheben der Bahn auf 70.000 km Höhe, mit einer Umlaufszeit von 24 Stunden und am 29.10.2007 folgte das Anheben auf 120.000 km mit einer Umlaufszeit von 48 Stunden. Chinas offizielle Organe feierten dies als einen bedeutenden Schritt, schließlich lag die größte Erdentfernung eines chinesischen Satelliten bislang bei 80.000 km - Vergleichen mit dem was andere Nationen erreicht haben denkt man hier an eine Abwandlung von Armstrongs Spruch "Es ist ein kleiner Schritt für die Raumfahrt, aber ein großer für China". Nachdem westliche Medien nun die chinesischen Mondpläne erneut aufgriffen.
Den letzten Erdorbit hat dann die Sonde ausgelassen und am 5.11.2007 mit
einer 22 Minuten dauernden Zündung des Bordtriebwerks einen ersten 200 x
8600 km hohen Orbit erreicht mit einer Reduzierung der Geschwindigkeit um
360 m/s. Die Experimente sollen nach Erreichen des endgültigen Orbits in 200
km Höhe am 18.11.2007 in Betrieb genommen werden.
Etwa einen Monat später veröffentlichte China das erste Bild von Chang' E-1 vom Mond am 26.11.2007. Danach wurde es sehr still von der Sonde. Bekannt wurde nur noch, dass sie am 1.3.2009 auf der Mondoberfläche aufschlug. Ob die Sonde dies aktiv durchführte oder vorher ausgefallen war ist unbekannt. Mondorbits sind an sich instabil. Innerhalb von drei Monaten müsste eine Sonde aus einem 200 km Orbit auf der Mondoberfläche aufschlagen, da Störungen von Erde und Sonne die Bahnen recht schnell in elliptische Bahnen verwandeln und der mondnächste Punkt so bald an die Oberfläche wandert.
Die Sonde soll 1.400 TBit zur Erde gesandt haben und ein komplettes 3D-Modell des Mondes mit der Terrainkamera erstellt haben. Die Datenmenge erscheint bei der hohen Datenrate von 3 MBit/s sehr gering. Das entspricht nur einer Übertragungszeit von 500.000 s, recht wenig wenn man bedenkt, dass die Sonde 15 Monate im Orbit war (nur rund 1.100 s Sendedauer pro Tag).
Am 1.10.2010, drei Jahre nach Chang'E-1 startete die zweite chinesische Mondsonde mit einer Langen Marsch 3C. Es war der 61.ste Jahrestag der Gründung der Volksrepublik China. Während es über die erste Sonde zumindest einige Informationen im Vorfeld gab, weis man über das zweite Modell noch weniger. Chang'E-2 soll Technologien für die Landung erproben, die mit Chang'E-3 geplant ist. Die Sonde wird sich dabei bis auf 16 km der Oberfläche nähern und hochauflösende Aufnahmen anfertigen.
Ähnliches praktizierte auch die NASA bei der Apollo 10 Mission die sich bis auf 16 km dem Mond näherte und die erste Zündung zur Absenkung des Orbits, das letzte Manöver vor der eigentlichen Landung durchführte. Dabei gewannen die Astronauten auch Bilder des Landeorts von Apollo 11. Es ist möglich das Chang'E-2 dasselbe für die nächste Sonde tut.
Nach einer Kurskorrektur am 4.10.2010 schwenkte Chang'E-2 am 6.10.2010 in einen Mondorbit ein. Der erste Orbit hatte eine Umlaufsdauer von 12 Stunden. Am 9.10.2010 wurde er zirkularisiert und die chinesische Mondsonde erreichte einen kreisförmigen Orbit in 100 km Höhe.
Das Kamerasystem soll aus 100 km Entfernung (dem Aposelen) 10 m und aus 15 km Entfernung (dem Periselen) 1,5 m Auflösung besitzen.
Die CZ-3C Rakete platzierte Chang'E-2, deren Masse auf 2.500 bis 2.600 kg geschätzt wird direkt in eine Übergangsellipse zum Mond, den sie dann nach etwa 4-5 Tagen erreicht. Sie unterscheidet sich von der CZ-3A durch vier zusätzliche Booster und hat eine um 50% höher Nutzlast. Das ermöglichte auch den direkten Start zum Mond. Es sind also keine Bahnmanöver wie bei Chang'E-1 nötig. Die Kosten von Chang'E-2 wurden mit 900 Millionen Yuan (134 Millionen Dollar oder 98 Millionen Euro) angegeben.
China’s Lunar Exploration Programme
Space operation system for Chang’E program and its capability evaluation
VLBI tracking for Chang’E-1 lunar mission
Cartography for Lunar Exploration: 2006 Status and Planned Missions
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