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Chang’E 3

Einführung

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 war Chinas erste Raumsonde, sie hat den Mond als Ziel. Der Name Chang' e (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. Der ersten Mondsonde Chang'E 1 folgte die weitgehend baugleiche Chang E'-2, die dank einer stärkeren Trägerrakete nach ihrer Mondmission in den L-1 Librationspunkt aufbrach, dort verweilte um dann den Asteroiden Toutaris in naher Distanz zu passieren.

Mit Chang E'-3 wird nun das nächste Projekt angegangen: die Mondlandung. Auch ihr wird eine baugleiche Backupsonde, Chang E'4 folgen. Die nächste Generation (Chang E'-5) soll dann schon Bodenproben zur Erde bringen.

Chang E'-3

Chang E' 3Die bisher letzte Raumsonde Chinas zum Mond startete am 1.12.2013. Trägerrakete war diesmal eine Lange Marsch 3B. Die Buchstabennummerierung korrespondiert nicht mit der Leistungsfähigkeit, die lange Marsch 3B ist die leistungsfähigste chinesische Rakete. Die Nutzlast für Mondmissionen wurde nicht angegeben, doch in den GTO transportieren sie folgende Maximalnutzlasten:

Trägerrakete Startete ... Nutzlast GTO
Chang Zheng 3A Chang E'-1 2.600 kg
Chang Zheng 3B Chang E'-3 5.500 kg
Chang Zheng 3C Chang E'-2 3.700 kg

Die Startmasse wird mit 3.800 kg angegeben, die Landemasse mit 1.200 kg, der Rover Yutu "Jadehase" soll nur 120 kg wiegen, was relativ wenig ist verglichen mit der Landemasse. Zum Vergleich: Die Luna Sonden mit den Lunochods wogen bei der Landung noch 1.800 kg, die Lunochods machten davon 750 kg aus. der Lander hat eine Spannweite von 4,76 m von Bein zu Bein. Er erhebt sich 83 cm über die Oberfläche. Das minimiert die Aufheizung durch die tagsüber bis über 100°C heiße Mondoberfläche.

Abbildungen zeigen einen zentralen zylinderförmigen Tank mit einem großen Haupttriebwerk und vier kleineren Triebwerken an der Unterseite. Dieser Tank wird von einem viereckigen Gitterrohrrahmen umgeben, an dessen Enden je ein Landebein mit einem relativ großen Landeteller befestigt ist. An zwei Seiten findet man ausfaltbare Solarpanel, an zwei anderen die Rampen die heruntergelassen werden um Yutu herunterfahren zu lassen. An der Seite sind kleinere RCS-Triebwerke zu sehen, an der Oberseite eine kegelförmige Mittelgewinnantenne und eine parabolische Hochgewinnantenne. Der Lander soll 12 Monate auf dem Mond arbeiten, was wenn er diese Dauer erreicht, ein neuer Rekord ist. Der bisherige Rekord für einen Lander beträgt 322 Tage und wurde von Lunochod 1 aufgestellt.

Chang E'3 auf der MondoberflächeDa auf dem Mond 13 Tage lang Nacht herrscht und die Temperaturen an der Oberfläche dann weit unter -100°C fallen können gab es Spekulationen über die Energieversorgung der beiden Raumgefährte. Die Lunochods hatten Polonium-210 an Bord. Bei einer Halbwertszeit von 138 Tagen gibt es pro Gramm anfangs 140 Watt Wärme ab (nach 138 Tagen auf die Hälfte absinkend) ab. Einige Quellen spekulieren, das Po-210 genutzt wird um beide Fahrzeuge nicht zu sehr auskühlen zu lassen und so z.B. das Gefrieren der Batterie zu verhindern. Andere Quellen vermuten das Lander und Rover einen RTG benutzen. In den USA setzen diese Pu-238 als Wärmequelle ein. Sie werden auch genutzt um Strom zu gewinnen. Eine offizielle Verlautbarung ob radioaktives Material verwendet wird gibt es aber nicht. Auf der anderen Seite überstanden zahlreiche Surveyor Raumsonden die erste Mondnacht, und diese hatten nur Solarzellen zur Energieversorgung. Eine einfache Schaltung kann z.B. den Kommandoempfänger aktivieren sobald es genügend Strom von den Solarpanels geben und dann kann man die Systeme von der Missionskontrolle in Beijing aus nach und nach aktiveren. Vor Einbruch der Mondnacht würde man sie abschalten. Zusätzlich ist die Landesonde von mehrlagiger Isolationsfolie umgeben.

Das Triebwerk muss im Schub stark regelbar sein. Das ergibt sich aus den Missionsanforderungen, aber auch weil die Masse kurz vor der Landung weniger als ein Drittel der Startmasse ist. Anfangs wird die Geschwindigkeit sehr stark abgebremst, danach muss der Lander schweben, wofür man nur wenig Schub braucht weil die Mondgravitation ihn nur um 1,6 m/s beschleunigt. Aus der Brennzeit von 361 s zum Einschwenken in Den Orbit kann man bei einem ΔV von 900 m/s einen Maximalschub von 8,2 kN errechnen, was zu den Angaben eines regelbaren Triebwerks mit 7,5 bis 1,5 kN Schub passt. Es soll einen Pintle Injektor wie das Apollo-Landetriebwerk aufweisen und durch die 60 cm lange Düse ein sehr hohes Expansionsverhältnis. Als Treibstoff wird die lagerfähige Kombination UDMH/Stickstofftetroxyd verwendet.

Chang E'328 kleinere Triebwerke befinden sich an verschiedenen Stellen. Je zwei 10 N Triebwerke sind an den beiden Solarzellen angebracht. Rund um den Sondenkörper gibt es dann acht Blocke mit je drei Triebwerken (je eines pro Raumrichtung) von zweimal 10 N (Rollachse und Seitwärts Bewegung) und 150 N (Längsachse die in Richtung Boden zeigt). Die 150 N Triebwerke dienen auch als Kurskorekturtriebwerke für kleine Antriebsmanöver. Die Landebeine werden vor der Landung so ausgefahren, dass sie im 30 Grad Winkel von der Sonde wegzeigen. Beim Start sind sie direkt unter der Sonde. In ihnen stecken Schockabsorber welche den Rest der Fallgeschwindigkeit aufnehmen.

Das Landesystem soll sehr komplex ausgelegt sein. Nach dem Start bis zur Einleitung der Landung wird die Sonde durch eine redundante Inertialplattform gesteuert, heute üblicherweise ein System von Ringkreiseln, das Informationen über die räumliche Ausrichtung und Geschwindigkeit liefert. Während der Landephase stellen ein Radar und ein Laserentfernungsmesssystem die Entfernung zum Boden fest. Das Radar das im Mikrowellenbereich arbeitet liefert zudem Informationen über die Geschwindigkeit. In etwa 100 m Höhe nimmt der Bordcomputer Bilder aus, untersucht sie an Bord und nutzt die Daten des Mikrowellenradars um eine 3D-Ansicht des Landeplatzes zu generieren und navigiert dann zur sichersten Landestelle. Das klingt nach einem sehr ausgeklügelten Verfahren. In der Endphase liefert ein Gammastrahlendetektor Informationen ob die Oberfläche sehr nahe ist. Kalium-40 emittiert beim Zerfall Gammastrahlen. Bei einem hinreichend kalibrierten Sensor kann eine bestimmte Signalhöhe genutzt werden um das Triebwerk in eine definierten Höhe abzuschalten. Radar und Laser scheiden bei der geringen Entfernung aus. Bei Chang'e-3 findet dies in 4 m Höhe statt.

Zur Kommunikation werden die schon bei Chang E'-2 eingesetzten X-Band Sender und Empfänger genutzt.

Der Rover Jutu

Der Rover Jutu hat eine gewisse Ähnlichkeit mit den beiden NASA Mars Rovern Spirit und Opportunity. Dies führte schon zu Spekulationen über ein Plagiat. Beim genauen Hinsehen wurde aber nur der allgemeine Aufbau übernommen, das heißt ein Chassis mit sechs Rädern, ein zentraler Kasten. Links und rechts Solarpaneele, in einfacher rechteckform anstatt wie bei den MER ausgebreitete Flügel die auch die Oberseite bedecken. Vorne befinden sich die Instrumente, darunter eine Kamera an einem herausfahrbaren Mast. Der Mast trägt je ein Paar Panorama und Navigationskameras. Vorne an der Front gibt es dann noch links und rechts in niedriger Höhe Hazcams, die den Rover vor Hindernissen warnen sollten. Die US-Marssonden setzen deutlich mehr Kameras ein, die auch nach hinten schauen können. Ausgefahren erhebt sich der Mast bis auf 1,5 m Höhe. Die Masse wird je nach Quelle mit 120 kg (am häufigsten genannter Wert) und 140 kg angegeben.

Jutu 1Die "Reifen" des Fahrwerks sind anders als bei den MER leicht und bestehen aus einem Drahtgeflecht. Da der Rover auf dem Mond nicht mal 20 kg wiegt, reicht das aus um das Gewicht zu tragen. In den Reifen ist eine V-förmige Riffelung angebracht mit der er mehr Halt gewinnen soll. Jedes Rad hat auch einen eigenen Antriebmotor. Die beiden vorderen und hinteren auch einen Drehmotor mit dem der Rover wenden kann oder Kurven durchfahren kann. Sie Software soll den Rover entlang eines vorher übertragenen Pfades steuern und dabei Haltepunkte ansteuern bei denen Messungen vorgenommen werden. Yutu wird also relativ autonom sein, obwohl dies beim Mond nicht nötig ist. Bei einer Reaktionszeit bedingt durch die Signallaufzeit von 3 Sekunden könnte er wie die Lunochods von einem Bodenteam aus gesteuert werden. Die Räder haben keine gemeinsame Achse, sondern sind einzeln aufgehängt. Damit können sie jedes Hindernis überfahren das klein genug ist, ohne den Bodenkontakt zu verlieren. Sie werden von Gleichstrom-Elektromotoren angetrieben. Das Fahrwerk ist ausgelegt um Steigungen von bis zu 20 Grad zu überwinden. Hindernisse von maximal 30 cm Höhe können überfahren werden. Eine Gesamtfahrstrecke von 10 km kann erreicht werden. Maximal 200 m können pro Stunde zurückgelegt werden. Die Spurbreite beträgt 105 cm, die Breite der Räder 14,5 cm.

Vorne ist auch ein Arm mit drei Gelenken (entsprechend dem menschlichen Arm: Schulter, Ellbogen, Handgelenk). Er erlaubt es das an ihm angebrachte Alphateilchen/Röntgenstrahlenspektrometer (APXS) an Felsen zu platzieren und so deren chemische Zusammensetzung zu bestimmen.

Mit drei Antennen kann der Rover kommunizieren. Eine omnidirektionale Antenne erlaubt eine Kommunikation mit den Parabolantennen des BACC (Beijing Aerospace Control Centre) auch wenn die zweite Hochgewinnantenne nicht ausgerichtet ist, z.B. wenn er fährt oder ein Felsen neben ihm den direkten Funkweg blockiert. Hier ist die Datenrate gering. Die meisten Daten sollen über die ausrichtbare Hochgewinnantenne übertragen werden. Mit dem Lander kann er im UHF-Band kommunizieren, dafür kann er sich aber nicht sehr weit von diesem entfernen, maximal einige Kilometer, als maximale Distanz werden 3 km angegeben Die Antennen brauchen Sichtkontakt und der ist wegen der stärkeren Krümmung der Mondoberfläche (nur ein Viertel des Erddurchmessers) und der geringen Höhe ist dies nur auf kurze Distanz gegeben. Mit beiden Antennen sollen auch interferometrische Messungen möglich sein.

Eine Betriebszeit von 3 Monaten ist vorgesehen. Während eines Mond-Tages (27 Erdtage) ist er dreizehn Tage aktiv und befindet sich in einem "Schlafmodus" während der vierzehntägigen Mondnacht. An den aktiven tagen ist ein Funkkontrakt zwischen 11 und 17 Stunden pro Tag möglich. Es gibt zwei Empfangsantennen in China die sowohl Daten empfangen wie auch senden können. Die neueste ESA Deep Space Station in Malague wird die Operationen unterstützen und erlaubt es mehr Daten zu empfangen. Sie kann aber keine Kommandos übertragen (oder darf das nicht). Es gibt drei Projektteams die sich um den Rover kümmern. Eines für die Steuerung und die Fahrt, ein zweites für die wissenschaftlichen Fragestellungen und Stopps für Experimente und ein drittes für die Analyse des Verhaltens und Notsituationen. Dieses hat auch eine Nachbildung in einer simulierten Mondumgebung zur Verfügung mit der man Experimente durchführen kann. Der Rover soll aber auch Autonomiefeatures haben. Die Hazard Cams verhindern eine Kollision mit großen Felsen. Die OnBoard Software soll die gefahrloseste Route herausfinden, sowie ihn an eine Probenstelle heranführen. Sie wertet dazu die Kamerabilder aus.

fDer Rover  ist über die Mondnacht inaktiv. Er geht in einen Schlafmodus. Es gibt Hinweise das er von RHU, Radioisopic Heater Units am Einfrieren gehindert wird. Diese enthalten kleine Mengen eines rasch zerfallenden Nuklids. Je kürzer die Zerfallszeit desto mehr Energie wird abgegeben. Eine Nebenbedingung ist, das die Strahlung nicht die Elektronik stören darf. Das ist gegeben wenn ein reiner Alphazerfall vorliegt. Das ist gegeben bei den Transuranen, weshalb die USA Plutonium-238 mit einer Halbwertszeit von 98 Jahren eingesetzt wird. Aber auch Americium 241 mit einer Halbwertszeit von 432 Jahren eignet sich, allerdings ist dessen Wärmeabgabe fünfmal kleiner. Russland setzte Polonium-210 ein, auch dieses zerfällt mittels Abgabe von Alphateilchen. Allerdings ist seine Halbwertszeit mit 138 Tagen viel kürzer. Man braucht so weniger Material (muss es wegen der hohen Zerfallswärme sogar mit inertem Material mischen, denn schon Pu-238 wird 1260 Grad an der Oberfläche heiß), wegen der kurzen Halbwertszeit nimmt die Wärmeabgabe aber in etwas mehr als drei Monaten auf die Hälfte ab. Da für den Rover nur drei Monate Betriebsdauer - anstatt 12 Monate wie beim Lander - angegeben werden, könnte es sein, das Po-210 eingesetzt wird.

Experimente des Landers

Der wesentlich größere Lander trägt ebenfalls Experimente. Sie beschäftigen sich allerdings weniger mit der Mondoberfläche als vielmehr Astronomie, anderen Mondphänomenen und der Erde.

Lunar Based Optical Telescope KLUT)

So trägt er ein Cassegrain Teleskop mit 300 mm Spiegeldurchmesser. Dieses LOT (Lunar-based Optical Telescope) dient photometrischen Messungen. Es sollen Sterne auf ihre Helligkeitsschwankungen und Oberflächentemperaturschwankungen untersucht werden, es soll nach extrasolaren Planeten gesucht werden. Dazu werden die von dem Teleskop mit einem 47-20 Matra Marconi CCD gewonnenen Bilder ausgewertet. Bei 1024 x 1024 Pixeln von je 13 Mikrometern Kantenlänge beträgt das Gesichtsfeld bei 450 mm Brennweite 1,36Grad. Es kann bei Temperaturen von -20 bis +40°C betrieben werden. Empfindlich ist es zwischen 245 und 340 nm. Eine Nachführung ist nicht vorgesehen, doch wegen der langsamen Rotation können auch so Sterne bis zur 13.ten Größenklasse aufgenommen werden.

Extreme UV Camera

Die Extreme UV Camera soll den Plasmatorus der Erde untersuchen. Von der Erde aus verliert die Atmosphäre Atome, die vom Sonnenwind ionisiert werden und dann als Plasma die Erde umgeben. Die dichte nimmt zur Sonne hin ab, bis es eine grenze gibt ab der der Sonnenwind dominiert. Auf der anderen Seite wird die Plasmasphäre durch den Sonnenwind zu einem Schweif auseinandergezogen. Die Kamera nutzt eines der Ionen, den ionisierten Wasserstoff um die Plasmasphäre zu fotografieren. Ionisierter Wasserstoff (eigentlich nur ein Proton) emittiert eine Resonanzstrahlung bei einer Wellenlänge von 30,4 nm. Dies liegt im extremen UIV und gerade bei dieser Wellenlänge ist die EUV Kamera empfindlich. Sie hat ein Gesichtsfeld von 15 x 15 Grad und eine räumliche Auflösung von 0,1 Grad. Aus Monddistanz sind dies rund 100.000 km und eine räumliche Auflösung von 660 km. Sie nutzt einen EUV Photonenzähler als Sensor, der durch einen Motor in zwei Achsen durch das Gesichtsfeld bewegt wird. Ein Bild entsteht so aus vielen einzelnen Messungen. Die Kamera hat daher nur eine zeitliche Auflösung von 10 Minuten, so lange dauert das Bild zu erzeugen. Sie wiegt 16,5 kg.

Landekamera

Am Boden des Landeapparates befindet sich die Decent Kamera. Sie macht zwischen 2 und 4 km Höhe Aufnahmen des Bodens die vom Bordcomputer ausgewertet werden. Sie setzt einen CMOS-Sensor mit 1024 x 1024 Pixeln mit einer Pixelgröße von 6,7 µm ein. Sie kann bis zu 10 Aufnahmen pro Sekunde anfertigen, dafür nur in Graustufen. Sie werden vom Bordcomputer während des Abstiegs ausgewertet um den besten Landepunkt zu suchen. Die Kamera hat ein Gesichtsfeld von 45,3 Gad bei einer Fokuslänge von 8,5 mm, eine Bodenauflösung von 160 Bogensekunden entsprechend 1,6 m in 2 km Höhe. 4.600 Aufnahmen mit einer Rate von 10 fps werden beim abstieg angefertigt. Dazu kommt die Terrainkamera

Experimente des Rovers

Bei einer Landemasse von 120 bis 150 kg trägt Jutu beachtliche 20 kg Experimente. Zum Vergleich: Die mit 180 kg Landemasse wesentlich schwereren MER Opportunity und Spirit hatten nur eine Instrumentenzuladung von 5 kg. Allerdings arbeiten diese auch auf dem Mars, mit einer höheren Gravitation (höherer Stromverbrauch für den Antrieb), kühleren Temperaturen (Heizung erforderlich) und die Solarpanels liefern weniger Leistung.

Die beiden Mastcams sollen fähig sein sowohl Aufnahmen wie auch Videos zu machen. Durch zwei Kameras hat Jutu eine Stereoblick, der für die Navigation genutzt werden kann. Sie liefern ab 3 m Entfernung ein scharfes Bild. Drei Kameras, zwei Panoramacameras im Abstand von 27 cm und eine Terrainkamera befinden sich auf dem Rover. Die PCAM hat ein Gesichtsfeld von 19,7 x 15,4 Gread, bei 2.352 x 1.728 Pixel (Auflösung 32 Bogensekunden).

Neben den Stereokameras die einen 3D-Umblick liefern, gibt es am Arm einen Bodenprobennehmer. (Lunar Soil Probe), über den es aber keine näheren Informationen gibt.

Bodenradar

Neben dem Rover befinden sich zwei Antennen für ein Radar, das bei 60 MHz und 500 MHz Impulse in den Boden sendet und das Echo erfasst. Das GPR (Ground Penetrating Radar) sollte bis zu 30 - 100 Tiefe in den Boden schauen können, je nach Dichte der Oberfläche. Es soll die Dichte der Bodenschicht erfassen, nach Felsen oder Lavaströmen im Untergrund suchen, weiterhin sollte es Dichtevariationen erfassen können.

Das GPR hat zwei Kanäle. Einen niederfrequenten mit einer Wellenlänge von 60 MHz. Seine Tiefenauflösung beträgt etwa 25 m. Er dringt besonders tief in den Boden ein. Bei lockerem Regolith, einer Staubschicht die eine niedere Dichte aufweist sind 100 m möglich. Bei einer dicken Felsschicht wird noch eine Eindringtiefe von 30 m beobachtet. Der zweite Kanal arbeitet bei einer höhen Wellenlänge von 500 MHz. Er hat daher eine höhere Auflösung von etwa 35 bis 50 cm. Es dringt unter optimalen Voraussetzungen maximal 30 m tief in den Boden vor. Das Instrument wurde auf niedrigen Stromverbrauch und die Arbeit bei Temperaturen von -200 bis +120 Grad Celsius ausgelegt.

VNIS (VIS/NIR Imaging Spectrometer)

Das Spektrometer auf halber Höhe des Chassis hat einen Staubschutz, das es vor Verdreckung schützt. Um das Spektrum zu gewinnen wird ein Telleriumiodidkristall gewonnenen. Er wird von einer hochfrequenzquelle mit einer Frequenz von 40 bis 180 MHz in Schwingung versetzt und die entstehenden Ultraschallwellen verformen ihn. Dadurch bricht er das Licht. Ein Schild lässt nur Wellenlängen passieren die detektiert werden sollen, wobei die Wellenlänge von der Schwingung des Kristalls abhängen. (acousto-optic tunable filter)

Es gibt zwei Detektoren. einen für den sichtbaren Bereich von 450 bis 950 nm. Er hat eine spektrale Auflösung von 8 nm. Ein zweiter im Bereich von 900 bis 2400 nm weist eine Auflösung von 12 nm auf. Das Gesichtsfeld beträgt 6x 6 Grad (visueller Bereich) und 3 Grad (nahes Infrarot). Die Räumliche Auflösung beträgt 8,5 Gad beim sichtbaren Kanal und 3,6 Grad beim I-Kanal. Beim IR-Kanal wird nur eine Messung gewonnen, im sichtbaren Kanal ist der Detektor ein 256 x 256 Pixel CCD. Ein Spektrum hat hier 107 Punkte.

Dieses Spektrometer ist das erste, das auf dem Mond eingesetzt wird. Besonders problematisch war das der Mond andere Lichtbedingungen als die Erde aufweist. Verschiedene Tests der Universität von Shanghai, von der das Instrument stammten sollen gewährleisten, das das Spektrum um nicht mehr als 8% von einem Referenzspektrum das auf der Erde gewonnen wurde abweicht. Das Instrument schaut aus 69 cm Höhe in einem Winkel von 55 Grad auf die Oberfläche.

Mit einem Spektrometer kann man die mineralogische Zusammensetzung der Oberfläche feststellen, ohne diese zu analysieren. Allerdings ist dies bei Gesteinen die aus vielen Mineralien bestehen oder aus Brocken unterschiedlicher Herkunft bestehen (solche zusammengebackene Gesteine kennt man häufig vom Mond) schwierig, weil die Spektren sich dann überlagern. Das Instrument wiegt 5,4 kg, davon 0,7 kg für den Elektronikteil.

Alphateilchen Röntgenstrahlenspektrometer (AXPS)

Mit einem AXPS sind inzwischen schon zahlreiche Raumsonden bestückt worden, beginnend mit dem Rover Sojourner der zusammen mit Mars Pathfinder landete. Dieses Instrument ist robust, leichtgewichtig und zuverlässig. Das Meßprinzip ist sehr einfach. eine radioaktive Strahlenquelle sendete Alphateilchen aus. Die Strahlungsquelle an Bord des AXPS hat eine Aktivität von 30 Millicurie. Sie treffen auf das Oberflächenmaterial und können dort drei Wechselwirkungen eingehen:

Die meisten AXPS detektieren nur diese Röntgenstrahlen mit einem Sensorkopf. Grund dafür ist das man um genügend rückgestreute Protonen und Alphateilchen für ein Spektrum nachweisen zu können über Stunden bis mehrere Tage messen muss. Ob Jutu, der zumindest während der Mondnacht diese Zeit zur Verfügung hat auch Protonen und Alphateilchen detektiert ist offen. Im normalen Betrieb sind aber nur Messzeiten von 30 Minuten vorgesehen. AXPS können vor allem schwere Elemente mit höheren Ordnungszahlen untersucht werden. Gegenüber leichteren Elementen ist das Instrument "blind". Weiterhin werden die Alphateilchen schon nach kleiner Strecke gestoppt. Man bestimmt so nur die Zusammensetzung einer Oberflächenschicht von wenigen Mikrometern Dicke. Immerhin muss Jutu nicht bis auf Berührung an einen Felsen heranrücken, da der Mond keine Atmosphäre hat die auch Alphateilchen absorbiert. Allerdings ist eine naher Kontakt wünschenswert um nur ein kleines Areal zu untersuchen. Das AXPS steckt daher am Ausleger und wird von diesem an einen Felsen gedrückt.

Missionsablauf

Chang E'3 JutuDer Start der Raumsonde wurde am 2.12.2013 life im Fernsehen übertragen, inklusive Kameraeinblendungen die die Stufentrennung und Abtrennung der Sonde zeigten - eine Novität für China.  Auch wurde erstmals bekannt, dass über 20.000 Personen aus der Zone in der Trümmer bei einem Fehlstart fallen konnten evakuiert wurden. Weitere 160.000 konnten aus sicherer Entfernung dafür den Start vor Ort beobachten. Die Sonde gelangte wie ihre Vorgängerin in eine direkte Mondtransferbahn. Erreicht wurde ein Orbit von 210,3 x 389.105,2 km mit einer Inklination von 28,5 Grad.

Noch am selben Tag fand eine kleine Kurskorrektur statt, gefolgt von einem zweiten am 3.12.2013, weitere Midkurskorrekturen waren nicht mehr nötig. Am 6.12.2013 schwenkte sie in einen 200 km hohen Orbit ein. Die Brennzeit betrug nur 361 s, da der Lander über ein sehr viel leistungsfähigeres Triebwerk als die bisherigen Sonden verfügt. Dieser erste Orbit wurde dann im Perigäum am 10.12.1013 von 100 auf 16 km erniedrigt. Am 14.12.2013 fand dann die Landung statt. Diese umfasste mehrere Phasen. Zuerst zündete der Antrieb im Perilunäum gegen die Bewegungsrichtung und baute so die Kreisbahngeschwindigkeit von 1700 m/s ab. Dann kam in 2 Kilometer Höhe die Gleitphase in der er sich bis fast in sie Senkrechte dreht und die Fallgeschwindigkeit reduziert. In geringer Höhe (100 m) über dem Boden soll der Lander dann schweben und kurz in dieser Zeit den Boden mit seinen Kameras auf Hindernisse untersuchen und die Bilder an Bord auswerten. Findet er keine, so sinkt er nun mit geringer konstanter Geschwindigkeit. Kurz über dem Boden (4 m) wird das Triebwerk abgeschaltet und der Lander fällt die restlichen Meter. Schockabsorber fangen den Stoß auf, der jedoch durch die geringe Gravitationskraft geringer ist. ein Sturz auf 4 m Höhe beim Mond entspricht einem Fall aus Schreibtischhöhe (68 cm) auf der Erde. Der gesamte Lander landet, es gibt also keine Sonde die im Orbit verbleibt. Das Absetzen des Rovers von der relativ hohen Sonde war eine der technischen Herausforderungen. Nach der Landung werden zuerst zwei Rampen ausgefahren, bleiben aber noch in horizontaler Position. Auf sie rollt dann Jutu. Dann werden die Rampen langsam abgesenkt, sodass der Rover rollt. Dabei wird eine bestimmte Geschwindigkeit aufrecht erhalten, damit der Rover nicht zu stark beschleunigt.

Am 14.12.2013 fand dann die Landung Statt. Zuerst reduzierte die Sonde ihre Geschwindigkeit von 1700 m/s auf 0. In 100 m Höhe schwebte sie dann 20 Sekunden lang, kontrolliert von den RCS-Triebwerken. Nach nur einem kurzen Stopp zum Auswerten der Bilder landete Chang E'-3 ohne Probleme. Das einzig auffällige ist, das der Landeort doch stark von den vorher publizierten, aber nicht genau eingegrenzten abwich. Der Lander übertrug beim Abstieg Aufnahmen. Sie und die Aufnahmen nach der Landung zeigen ein weitgehend glattes Terrain ohne viele Felsen aber mit einigen größeren Kratern. Die gesamte Landung dauerte insgesamt 12 Minuten. 4 Minuten später wurden die Solarpanels entfaltet.

Sieben Stunden nach er Landung rollte Jutu von der Rampe.- Kurz darauf übermittelten beide Sonden Bilder voneinander. Zwischen dem 14 und 21 bewegte sich Jutu nur langsam in einem "U" um den Lander herum. Er legte dabei 21 m zurück. An vier Tagen wurde er zwischen dem 16 und 20 heruntergefahren. Es war die Zeit des höchsten Sonnenstandes und man wollte eine zu hohe Erhitzung der Sonde verhindern. Jutu nahm dann an den beiden folgenden Tagen Fahrt auf und bewegte sich in Gegenrichtung zu der in der er von der Rampe rollte. 30 Bilder soll er in den ersten sieben Tagen aufgenommen haben. Daneben gab es Untersuchungen des Bodens durch das ESL-Radar in 30 bis 100 m Tiefe. Da alle Instrumente sehr gut funktionierten, hat man die Untersuchungen ausgedehnt. 500 Kommandos wurden bisher zum Rover übertragen.

Am 22.12.2013 haben Lander und Rover sich zum vierten und letzten Mal gegenseitig fotografiert. Nun soll Jutu den Landeort verlassen und die Umgebung erkunden. Am 27.12.2013 bereiteten sich Lander und Jutu für die einbrechende Mondnacht vor, in der sie heruntergefahren werden. Jutu war zu diesem Zeitpunkt 40 m vom Lander entfernt. Bis zum 12.1. sind beide Raumfahrzeuge nun inaktiv.

Chang E'-3 wurde auch von den beiden US-Orbitern im Mondorbit beobachtet. Die neueste Sonde LADEE suchte nach Hinweisen ob die Landung Staub freigesetzt hat. Die Beobachtung und Analyse von aufgewirbeltem Staub (normalerweise verursacht durch die Einschläge von Kleinstmeteoriten) ist die Aufgabe dieser Mission. Man konnte aber keinen Effekt nachweisen. Entweder reicht die Energie der Triebwerke dazu nicht aus (der staub muss in einige Höhe über der Oberfläche gelangen, damit LADEE ihn gegen den schwarzen Weltraum nachweisen kann) oder die Triebwerke wurden in einer solchen Höhe abgeschaltet, dass sie keinen Staub mehr aufwirbelten.

Dagegen konnte der Orbiter LRO eine Aufnahme des Landeplatzes machen. Ein Vorher/Nachvergleich zeigt deutlich wo Lander und Jutu stehen. Ohne diesen Vergleich wäre es aber schwer gewesen sie zu identifizieren, denn bei einer Auflösung von 1,5 m ist Jutu ein Pixel groß und Chang E'3 2-3 Pixel.

Am 12.1.2013 wachten Jutu und Chang E'3 unabhängig voneinander in einem zeitlichen Abstand von 3 Stunden auf und meldeten sich nach internen Tests bei der Missionskontrolle. Das Aufwachen erfolgte "autonom", ohne Angabe, wie dies erfolgte (es könnte durch einen Zeitgeber erfolgen oder das die Solarzellen genügend Strom abgeben). Nach dem Aufwachen soll die Kamera des Landers ausgefallen sein. Dagegen klappte die Herstellung eines Kommunikationslinks mit Jutu.

Jutu untersuchte dann den Mondboden mit dem Bodenradar und einen Felsen mit AXPS um dann vorzeitig am 25.1.2014 zu verstummen. Er sollte vor jedem "Schlaf" seinen Kameramast und die Solarzellen einfahren, tat dies aber zumindest mit einem Solarpanel nicht. Am 13.2.2014, schon in der Mitte des nächsten Tages konnte die Bodenkontrolle erneut einen Kontakt zu Jutu herstellen. Bis dahin hatte er rund 100 m zurückgelegt.

Panorama

Kurz darauf gab es einen Defekt im Bewegungsmechanismus, nachdem der Lander nur rund 300 m zurückgelegt hatte und noch in der Nähe der Landestation war. Von offizieller Seite gab es nun überhaupt keine neuen Nachrichten mehr von der Mission, bis am 4.8.2016 angekündigt wurde, dass der Lander Yutu nach 31 Monaten seinen Dienst eingestellt hat. Er meldete sich nach der am 28.7.2016 zu ende gehenden Mondnacht nicht mehr. Die Hauptsonde ist immer noch aktiv. Die Mission soll insgesamt 7 Terrabyte Daten übermittelt haben. 31 Mondnächte wurden überstanden. Damit ist sie die Mission mit der längsten Betriebsdauer aller Mondlandesonden. Der vorherige Rekord wurde von Luna 17 (Lunochod 1) mit 322 Tagen gehalten. An die höchste Fahrtstrecke (gesetzt von Luna 2 / Lunochod 2) von über 37 km kam Yutu aber nicht heran. Er arbeitete nach offiziellen Angaben bis zum 3.8.2016.

Das UV-Teleskop hatte nach einem Jahr 130.000 Aufnahmen gemacht.

 

Untersuchungen ergaben das der Krater in dem Yutu und Chang E'-3 landeten deutlich jünger als ein Großteil der Mondoberfläche ist. Ein Alter von 2 Milliarden Jahren wurde bestimmt. Sechs Untersuchungen des Bodens mit dem Landeradar ergaben eine 4-6 m dicke Regolithschicht und eine 330 m dicke Felsenschicht.

Chang E'-4 und 5

Das chinesische Programm zur Monderforschung wurde schon vor der ersten Mission von China skizziert. Nach den beiden Orbitern Chang E'1 und 2 sollten mit Chang E'-3 und 4 zwei Lander folgen. Chang E'-4 ist nach offiziellen Präsentationen ein Backup von Chang E'3, analog wie dies bei Chang E'-2 war. Denkbar ist, dass China wie bei dem zweiten Mondorbiter die Gelegenheit mehr Wissenschaft aus dem Projekt herauszuholen. Nach dem Erfolg von Chang E'-3 hat man den Start verschoben, aber dafür ein anspruchsvolleres Ziel ausgesucht: Die Landung auf der Mondrückseite. Da man dafür einen Orbiter braucht der die Daten überträgt (die Mondrückseite ist permanent von der Erde abgewandt) wurde der Start auf 2018 verschoben.-

 Ein Übertragungssatellit soll in der ersten Hälfte 2018 in den L2-Librationspunkt des Erde-MondSystems, 59,861 km außerhalb des Mondes in 444.261 km Entfernung von der Erdmitte stationiert werden. In der zweiten Hälfte 2018 wird dann Chang‘e-4 landen.

Dann folgt mit Chang E'-5 der Versuch Mondproben zur Erde zurückzuführen. Das schaffte bisher unbemannt nur die Sowjetunion mit den Sonden Luna 16,20 und 24. Sollte dies China gelingen so wäre dies ein enormer technischer und politischer Erfolg. Mitte 2016 ist der Start für 2017 geplant.

Letzte Änderung des Artikels: 5.8.2016

Links

Cartography for Lunar Exploration: 2006 Status and Planned Missions

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/chang-e-2

http://www.oosa.unvienna.org/pdf/pres/stsc2011/tech-49.pdf

http://www.opsjournal.org/assets/SecureDocumentLibrary/DocumentLibraryManager/documents/XI%20Luhua%20lunar%20rover.pdf

http://www.astron.nl/moon/pdf/Maohai%20Huang%20-%20Change%20-%20IAU%20GA.pdf

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/chang-e-3

http://www.spaceflightnow.com/china/change3/131227hibernation/

http://www.spaceflight101.com/change-3.html

http://www.raa-journal.org/raa/index.php/raa/article/download/1940/1665

http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4891865

https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2014/pdf/1699.pdf

http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.739.2406&rep=rep1&type=pdf

http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2016/01281656-fun-with-a-new-data-set-change.html

https://arxiv.org/pdf/1502.04287.pdf

 



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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