Relaissatellit (Chang’e 7)
Relaissatellit (chinesisch 中繼衛星 / 中继卫星, Pinyin Zhōngjì Wèixīng) ist der Arbeitstitel eines Relaissatelliten der Nationalen Raumfahrtbehörde Chinas, der 2024 mit der Mission Chang’e 7 zum Mond starten und dort in einem um 54,8° zum Mondäquator geneigten, stark elliptischen Orbit von 300 × 8600 km stationiert werden soll. Damit soll die Kommunikation mit den auf der Mondrückseite operierenden Komponenten der Mission (Lander, Rover, Kleinsonde) ermöglicht werden.[2]
| Relaissatellit | |
|---|---|
 | |
| Typ: | Relaissatellit |
| Land: |  Volksrepublik China |
| Betreiber: | CNSA |
| Missionsdaten[1] | |
| Masse: | 600 kg |
| Größe: | 140 × 140 × 85 cm (Gehäuse) |
| Start: | 2024 (geplant) |
| Startplatz: | Kosmodrom Wenchang |
| Trägerrakete: | Langer Marsch 5 |
| Betriebsdauer: | 8 Jahre (geplant) |
| Status: | in Entwicklung |
| Bahndaten[1] | |
| Umlaufzeit: | 12 h |
| Bahnneigung: | 54,8° |
| Apogäumshöhe: | 8600 km |
| Perigäumshöhe: | 300 km |
Übersicht
Im Jahr 2024 soll der 4. Schritt des Mondprogramms der Volksrepublik China beginnen, die Erkundung der Polregion. Für den Standort der Mondbasis hat man sich bereits auf den südlichen Rand des Südpol-Aitken-Beckens auf der erdabgewandten Seite des Mondes festgelegt. Während das Raumfahrtkontrollzentrum Peking bislang nur zwei Roboter auf der Mondrückseite zu betreuen hatte (Lander und Rover von Chang’e 4), geht man für den 4. Schritt – auch im Hinblick auf die mit Roskosmos geplante Internationale Mondforschungsstation – von bis zu zehn Robotern aus, die dort gleichzeitig aktiv sind, was eine aufwendige Kommunikationsinfrastruktur notwendig macht.
Zunächst soll der seit 2018 in einem Halo-Orbit um den Lagrange-Punkt L2 des Erde-Mond-Systems kreisende Relaissatellit Elsternbrücke durch einen weiteren Relaissatelliten ergänzt werden. Die Elsternbrücke hat den Vorteil, dass dank der rund um die Erde verteilten Bodenstationen des Chinesischen Tiefraumnetzwerks eine ständige Verbindung mit der Rückseite des Mondes besteht. Der Nachteil ist, dass Halo-Orbits um die Lagrange-Punkte L1 und L2 inhärent instabil sind[3] und der Satellit daher etwa alle 9 Tage 80 g Treibstoff für ein kleines Bahnkorrekturmanöver verbraucht. Daher wurde für den neuen Relaissatelliten ein sehr stabiler elliptischer Orbit um den Mond selbst gewählt, bei dem er, da der mondfernste Punkt seiner Bahn über der erdabgewandten Seite der südlichen Polregion liegt, für gut acht Stunden, also zwei Drittel seines zwölfstündigen Orbits, Sichtverbindung mit der geplanten Landezone hat.
Für die Zukunft ist geplant, das System zunächst durch einen zweiten derartigen Relaissatelliten zu ergänzen, dann um weitere Satelliten in verschiedenen Orbits, im Hinblick auf die Navigation bei einer bemannten Landung auch um den erdnahen Lagrange-Punkt L1.[1]
Aufbau
Der in betanktem Zustand rund 600 kg schwere Satellit mit einer geplanten Lebensdauer von mindestens acht Jahren beruht auf dem CAST-100-Satellitenbus der Hangtian Dong Fang Hong Satelliten GmbH.[4] Er wird nach Plänen der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie von derselben Gruppe um Chefkonstrukteur Zhang Lihua (张立华, * 1970) gebaut, die bereits für den Relaissatelliten Elsternbrücke verantwortlich war. Das Gehäuse besitzt die Maße 140 × 140 × 85 cm, dazu kommen noch zwei Solarzellenflügel mit insgesamt sechs Modulen. Die Galliumarsenid-Tripelzellen liefern 1000 W elektrische Leistung; für die Zeiten, wo sich der Satellit im Schatten befindet, steht ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem Ladungsspeichervermögen von 90 Ah zur Verfügung.
Der Satellit besitzt vier Haupttriebwerke von jeweils 20 N Schubkraft sowie zwölf Lageregelungstriebwerke mit jeweils 5 N. Alle 16 Triebwerke arbeiten mit dem monergolen Raketentreibstoff Hydrazin. Wenn der Satellit seinen Betriebsorbit erreicht hat, erfolgt die Lageregelung hauptsächlich über vier Reaktionsräder, die nach Erreichen der Maximaldrehzahl mit den Lageregelungstriebwerken drallentsättigt, also wieder gestoppt werden. Zur Orientierung besitzt der Satellit drei Sternsensoren, zwei inertiale Messeinheiten und mehrere digitale Sonnensensoren.
Von der Elsternbrücke übernommen ist eine auf der Oberseite des Gehäuses fest montierte, ausfaltbare Parabolantenne von 4,2 m Durchmesser mit einem Antennengewinn von 44 dBi, über die der Funkverkehr mit der Mondoberfläche läuft. Es stehen 10 gleichzeitig nutzbare X-Band-Kanäle für den Funkverkehr nach unten zum Mond und 10 Kanäle für den Verkehr nach oben zum Satelliten zur Verfügung. Die Datenübertragungsrate für Steuerbefehle vom Satelliten an die Roboter beträgt 1 kbit/s, wenn diese die Daten mit einer Rundstrahlantenne empfangen, und 1 Mbit/s wenn die Roboter eine Parabolantenne auf den Satelliten ausrichten. In der umgekehrten Richtung können Telemetrie- und Nutzlastdaten der Roboter bei Verwendung einer Rundstrahlantenne mit einer Geschwindigkeit von 50 kbit/s nach oben übertragen werden, bei Verwendung einer Parabolantenne mit 10 Mbit/s. Anschließend werden die Signale im Satelliten demoduliert und dekodiert.
Für die Übertragung der Nutzlastdaten an die Bodenstationen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sowohl von den Robotern auf dem Mond als auch vom Satelliten selbst – er trägt als Nutzlast einen bildgebenden Teilchendetektor zur Beobachtung des irdischen Magnetschweifs – wird das Ka-Band genutzt. Mit Quadraturphasenumtastung, einer Verschlüsselung mit Low-Density-Parity-Check-Code und einem Wanderfeldröhren-Verstärker mit 55 W Ausgangsleistung wird eine Datenübertragungsrate von 100 Mbit/s erreicht. Als Antenne wird hier eine kleine Parabolantenne mit 60 cm Durchmesser in kardanischer Aufhängung verwendet, die auf der der Erde zugewandten Seite des Satellitengehäuses montiert ist. Die Übertragung der Telemetriedaten der Roboter und des Satelliten selbst an die militärischen Bodenstationen des Chinesischen Tiefraumnetzwerks sowie die der Steuerbefehle von dort an den Satelliten erfolgt mit der sogenannten „Unified-S-Band-Technologie“ (USB), bei der alle Daten auf einer einzigen Trägerwelle im S-Band gesendet werden. Hierfür besitzt der Satellit zwei USB-Transponder und sechs Rundstrahlantennen für das S-Band.
Die Systeme sind hierbei wechselweise redundant. So können bei einem Ausfall des S-Band-Systems die Telemetrie- und Steuersignale auch über das Ka-Band übertragen werden, und wenn die Ka-Band-Signale während der sommerlichen Regenzeit einer starken Dämpfung durch die Wassertröpfchen in der irdischen Atmosphäre unterliegen, können die Nutzlastdaten auch über das S-Band übertragen werden, allerdings mit einer niedrigeren Datenübertragungsrate. Ähnlich wie bei einem Satellitennavigationssystem wird die sogenannte „Time of Arrival“, also eine Laufzeitmessung der Signale zwischen den an der Kommunikation beteiligten Partnern dazu genutzt, um deren Position im Orbit bzw. auf der Oberfläche des Mondes mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.[1]
Verwendung als Radioteleskop
Die Ausrichtung des für den Satelliten verwendeten CAST-100-Busses kann in weniger als 10 Minuten um 30° verändert werden. Daher beabsichtigt man, die 4,2-m-Antenne während der vier Stunden, die der Satellit bei jedem Umlauf über dem Nordpol des Mondes verbringt, als Radioteleskop zu nutzen. Zu diesem Zweck musste die Ausrichtungsgenauigkeit von 0,1° auf weniger als 0,05° bzw. 170 Winkelsekunden verdoppelt werden. Der Satellit soll im Zusammenwirken mit irdischen Teleskopen für Langbasisinterferometrie mit einer Grundlinie von 400.000 km verwendet werden. Man will die Position und Zusammensetzung von Radioquellen außerhalb der Milchstraße bestimmen, aber auch – als Teil des Chinesischen Tiefraumnetzwerks – die Position von Raumflugkörpern wie der Asteroidensonde Tianwen-2.
Für die Verwendung als Radioteleskop ist an der Antenne ein gekühlter X-Band-Empfänger für den Frequenzbereich 8–9 GHz mit einer Rauschtemperatur von weniger als 50 K und vier wählbaren Bandbreiten (64, 128, 256 und 512 MHz) montiert. Um bei einem gegebenen Signal die Laufzeitdifferenz zwischen dem Satelliten und dem irdischen Radioteleskop genau bestimmen und somit die Position der Radioquelle oder des Raumflugkörpers berechnen zu können (die Position des Satelliten selbst kann mit einer Genauigkeit von 30 m bestimmt werden), besitzt der Satellit eine Atomuhr mit einer maximalen Abweichung von 10−12 pro Sekunde bzw. 10−14 pro Tag. Empfänger und Uhr besitzen zusammen eine Masse von 45 kg und haben eine durchschnittliche Leistungsaufnahme von 220 W.[5]
Vergleich der Relaissatelliten
Hier ein Vergleich einiger Kennziffern der beiden lunaren Relaissatelliten:
| Elsternbrücke | Relaissatellit | |
|---|---|---|
| Bus | CAST 100 | CAST 100 |
| Startmasse | 449 kg | 600 kg |
| Stromversorgung | 4 Solarmodule, insgesamt 780 W | 6 Solarmodule, insgesamt 1000 W |
| Akkumulator | 45 Ah | 90 Ah |
| Orbit | südlicher Halo-Orbit um L2 z-Amplitude 13.000 km | elliptischer Orbit um Mond 54,8° 300 × 8600 km |
| Umlaufzeit | 14 Tage | 12 Stunden |
| Sichtverbindung zu Robotern | immer | 8 von 12 Stunden |
| Zahl der Roboter | 2 | 10 |
| Antennen | X-Band-Parabolantenne 4,2 m S-Band-Spiralantenne | X-Band-Parabolantenne 4,2 m 6 S-Band-Rundstrahlantennen Ka-Band-Parabolantenne 0,6 m |
| Satellit-Mond | X-Band 125 bit/s | X-Band 1 kbit/s |
| Mond-Satellit | X-Band 555 kbit/s | X-Band 10 Mbit/s |
| Satellit-Erde | S-Band 4 Mbit/s | Ka-Band 100 Mbit/s |
| Start | 2018 | 2024 (geplant) |
| Betriebsende | 2026 (erwartet) | 2032 (erwartet) |
Einzelnachweise
- Zhang Lihua: Development and Prospect of Chinese Lunar Relay Communication Satellite. (PDF; 3,12 MB) In: sciencemag.org. 27. April 2021, abgerufen am 8. August 2021 (englisch).
- 嫦娥七号将着陆月球南极，喜鹊号中继实现月地通信，其速率有多高？ In: ednchina.com. 28. August 2020, abgerufen am 7. August 2021 (chinesisch).
- 刘磊 et al.: 地月平动点中继应用轨道维持. In: jdse.bit.edu.cn. 20. Oktober 2015, abgerufen am 8. August 2021 (chinesisch).
- CAST 100 Bus. In: cast.cn. 2. Februar 2021, abgerufen am 8. August 2021 (englisch).
- 宋猗巍: 关于开展探月工程四期嫦娥七号任务载荷竞争择优的通知. In: clep.org.cn. 27. August 2020, abgerufen am 9. August 2021 (chinesisch).
