Blog

Jul 18, 2023

Chandrayaan

Mit der erfolgreichen Mondlandung der Chandrayaan-3-Mission ist Indien erst das vierte Land, dem dieses Kunststück gelungen ist. BENGALURU, Indien – Ruhige Momente nervenzerreißender Spannung wichen jubelnder Freude

Mit der erfolgreichen Mondlandung der Chandrayaan-3-Mission ist Indien erst das vierte Land, dem dieses Kunststück gelungen ist

BENGALURU, Indien – Im Missionskontrollzentrum der Indian Space Research Organization (ISRO) wichen ruhige Momente nervenzerreißender Spannung Jubelrufen, als die Raumfahrtbehörde ihren Mondlander – und Indien – in die Annalen der Geschichte schickte. Am 23. August um 12:33 Uhr UTC landete der Roboterlander der indischen Chandrayaan-3-Mission namens Vikram auf dem Mond in der Nähe seines Südpols. Chandrayaan-3 wurde am 14. Juli gestartet und war das Ergebnis einer Verdoppelung der ISRO-Wette auf eine Mondlandung nach dem unglücklichen Absturz ihrer Chandrayaan-2-Mission im Jahr 2019. Da die Raumsonde nun sicher auf dem Mond ist, haben sich die Bemühungen von ISRO ausgezahlt Indien ist nach der ehemaligen Sowjetunion, den USA und China das vierte Land, dem eine sanfte Mondlandung gelungen ist.

Der gesamte Mondabstieg von Chandrayaan-3 musste völlig autonom erfolgen. Während dieser entscheidenden Phase der Mission benötigen die Signale etwa drei Sekunden, um vom Lander zur Erde und wieder zurück zu gelangen – eine zu lange Verzögerung, als dass erdgebundene ISRO-Ingenieure die Landung zuverlässig steuern könnten. Vikrams Aufgabe bestand also darin, seine hohe Umlaufgeschwindigkeit auf Null zu reduzieren, damit er bis zu einer sicheren Landung so nah wie möglich an seiner beabsichtigten Flugbahn blieb. Dazu musste das Zünden seiner Triebwerke auf der Grundlage kontinuierlicher Messungen von Entfernung, Geschwindigkeit und Ausrichtung orchestriert werden.

Um die Landung dieses Mal aufrechtzuerhalten, baute ISRO in Chandrayaan-3 weitaus mehr Redundanzen und Sicherheitsvorkehrungen ein als in Chandrayaan-2. In einem Vortrag am 5. August, in dem diese Änderungen detailliert beschrieben wurden, betonte ISRO-Chef S. Somanath, dass Chandrayaan-3 mehr Treibstoff und ein besseres Leit-, Navigations- und Kontrollsystem mitführe, um selbst größere Abweichungen von den geplanten Routen zu korrigieren. „Für Chandrayaan-3 gab es Verbesserungen an 21 Subsystemen. Diese Veränderungen wurden durch zahlreiche helikopter- und kranbasierte Bodentests verstärkt“, sagt Nilesh Desai, Direktor des Space Applications Center (SAC) der ISRO in Ahmedabad, Indien.

Offenbar gipfelten diese Verbesserungen in der triumphalen Landung von Chandrayaan-3. Dieser Erfolg war keine Selbstverständlichkeit, insbesondere wenn man bedenkt, dass vier der letzten sechs Mondlandeversuche in den letzten fünf Jahren gescheitert sind. Der letzte Misserfolg ereignete sich am 19. August, als die russische Raumsonde Luna-25 eine Fehlzündung ihrer Triebwerke hatte und auf den Mond stürzte – eine brutale Erinnerung daran, dass es immer noch riskant ist, in einem Stück auf die Mondoberfläche zu gelangen. Damit reiht sich Luna-25 in die Ruinen der Raumsonde Beresheet des israelischen Unternehmens SpaceIL, der indischen Raumsonde Chandrayaan-2 und der Raumsonde Hakuto-R des privaten japanischen Unternehmens ispace ein. Zum Glück folgte zumindest das Ergebnis von Chandrayaan-3 dem der chinesischen Lander Chang'e 4 und Chang'e 5, den einzigen anderen Erfolgen der letzten Zeit.

„Wir haben jetzt eine enorme Verantwortung, Indien und die Welt auf einem Niveau zu inspirieren, das nicht geringer ist als diese Landung“, sagte Sankaran Muthusamy, Direktor des UR Rao Satellite Center (URSC), des ISRO-Zentrums, das den Bau und die Integration des Chandrayaan-Satellitenzentrums leitete. 3 Raumschiffe und Mission.

Der etwa 19 Minuten lange Mondabstieg von Chandrayaan-3 umfasste vier Hauptphasen. Die erste, die „grobe Bremsphase“, begann, als sich die Raumsonde in ihrer Umlaufbahn 30 Kilometer über dem Mond und etwa 750 Kilometer unterhalb der Reichweite von ihrem Landeplatz befand. Indem Chandrayaan-3 alle vier 800-Newton-Haupttriebwerke etwa 12 Minuten lang zündete, bis es eine Höhe von 7 km erreichte, reduzierte es seine hohe Horizontalgeschwindigkeit von etwa 1,7 Kilometern pro Sekunde um etwa 80 Prozent.

Als nächstes folgte eine kurze, aber entscheidende 10-sekündige „Lagehaltephase“, in der sich der Lander mithilfe seiner acht kleineren Triebwerke stabilisierte, um für seine verschiedenen Landesensoren eine stabile Sicht auf die drohende Mondoberfläche zu erhalten.

Für Höhenmessungen stützte sich Chandrayaan-3 auf zwei Höhenmesser, einen mit Lasern und einen mit Mikrowellen. Obwohl Laserhöhenmesser häufig bei mehreren Mondlandern eingesetzt werden, können sie manchmal ungewöhnliche Höhen melden, wenn ein Lander beispielsweise über bergiges Gelände oder große Krater fliegt. „Stattdessen konnte Chandrayaan-3 dank der größeren Stellfläche des Mikrowellen-Höhenmessers abrupte Höhenänderungen besser tolerieren“, erklärt Priyanka Mehrotra von SAC, die leitende Systementwicklerin des Ka-Band-Mikrowellen-Höhenmessers von Chandrayaan-3.

Die redundante Altimetrie von Chandrayaan-3 ist besonders relevant, da die Laseraltimetrie bei der gescheiterten Landung des ersten Mondlanders von ispace am 25. April eine Rolle spielte. Als dieser Lander über den Rand des Atlaskraters flog, um sich dem darin liegenden Ziellandeplatz zu nähern, meldete sein Laserhöhenmesser korrekt eine erhöhte Höhe von etwa 3 km, was der Tiefe des Kraters entspricht. Doch die Bordsoftware, die bestimmte abrupte Werte herausfiltern soll, um die Bewegung des ispace-Landers stabil zu halten, lehnte die Messung als fehlerhaft ab. Der japanische Lander dachte, er sei näher an der Oberfläche, als er tatsächlich war, und bremste langsam weiter ab, bis ihm der Treibstoff ausging und er in eine ruinöse Bruchlandung stürzte.

Während der Haltungshaltephase geriet Chandrayaan-2 ins Stocken. Seine Triebwerke lieferten aufgrund eines unzureichend funktionierenden Schubregelventils, das im Laufe der Zeit zu Navigationsfehlern führte, einen etwas größeren Schub als erwartet. ISRO hatte den Bordcomputer so konzipiert, dass er solche „abweichenden“ Pfade erst nach Ende der Fluglagehaltephase korrigiert. Doch die Abweichung wurde schnell so groß, dass der Lander sie trotz seiner Fähigkeit, seinen Schub zu drosseln, nicht rechtzeitig korrigieren konnte.

Als Reaktion darauf stellte ISRO sicher, dass Chandrayaan-3 solche Abweichungen von seiner beabsichtigten Flugbahn viel schneller erkennen und korrigieren konnte als sein gescheiterter Vorgänger. Der Lander von Chandrayaan-3 nutzte außerdem ein neues Instrument namens Laser-Doppler-Velocimeter (LDV), um überhaupt präziser navigieren zu können. „Während es für einen Mondlander andere Möglichkeiten gibt, seine Geschwindigkeit zu messen, bietet ein LDV eine direkte Messung der Geschwindigkeit in Bezug auf den Boden, wodurch ein Lander die Anhäufung von Navigationsfehlern erheblich reduzieren kann“, sagt William Coogan, Chefingenieur des Mondlanders bei Firefly Aerospace, einem privaten Unternehmen, das über das Commercial Lunar Payload Services (CLPS)-Programm der Raumfahrtbehörde mit der NASA zusammengearbeitet hat, um in den Jahren 2024 und 2026 wissenschaftliche und technologische Nutzlasten zum Mond zu liefern.

Nach der anstrengenden Phase des Haltens der Fluglage trat Chandrayaan-3 in eine dreiminütige „Feinbremsphase“ ein, in der es nur zwei seiner vier Haupttriebwerke nutzte, um bis auf etwa 850 Meter über die Mondoberfläche abzusteigen und dort kurz zu schweben. Diese Pause gab dem Lander die Möglichkeit, Bilder der Oberfläche aufzunehmen und diese mit vorinstallierten Bordsatellitenbildern zu vergleichen, um festzustellen, ob sie sich über der gewünschten Landeregion befand.

„Die Ziellandezone von Chandrayaan-3 erstreckt sich über vier mal 2,5 Kilometer. ISRO-Wissenschaftler und -Ingenieure haben es in 3.900 gleich große Unterabschnitte unterteilt, das Sicherheitsniveau jedes einzelnen für eine Landung sorgfältig bewertet und es als Referenzinformationen in den Lander geladen“, sagt Desai. Zu diesem Zeitpunkt muss Chandrayaan-3 eine dieser beiden Entscheidungen getroffen haben: Wenn es sich oberhalb dieser vorgegebenen Landezone befunden hätte, hätte der Bordcomputer den sichersten möglichen Unterabschnittsbereich identifiziert und sich dann entsprechend auf die Landung zubewegt. Hätte sich Chandrayaan 3 woanders befunden, wäre es mit einer autonomen Landung auf der Grundlage der selbst identifizierten Gefahren aus seinen Bildern statt der vorprogrammierten Landung auf Unterabschnittsbasis weitergefahren. Eine Bestätigung darüber, welche Entscheidung getroffen wurde, wird bekannt gegeben, nachdem ISRO den Landeplatz bestimmt hat.

In der letzten Phase des „Endabstiegs“ senkte sich Chandrayaan-3 auf etwa 150 Meter über die Oberfläche und schwebte dann erneut etwa eine halbe Minute lang, um den Bereich darunter auf Landegefahren zu untersuchen. Da die Oberfläche direkt unter dem Lander zu diesem Zeitpunkt nicht sicher aussah, suchte der Lander einen sichereren angrenzenden Bereich und wich ab, um dort zu landen.

„Das Verarbeitungssystem zur Gefahrenvermeidung wurde für Chandrayaan-3 beschleunigt, um die Entscheidungsfindung des Landers in den kritischen Endphasen deutlich schneller zu machen als für Chandrayaan-2“, sagt Rinku Agrawal von SAC, der das Team leitete, das die Verarbeitungseinheit von entwickelt hat das Gefahrenerkennungs- und -vermeidungssystem.

„Die Gefahrenerkennung und -vermeidung ermöglicht bei Bedarf ein kritisches Umleitungsmanöver in den letzten Momenten, um eine sichere Landung zu gewährleisten“, sagt Ander Solorzano, Flugdirektor der ersten Mondlandemission des Luft- und Raumfahrtunternehmens Astrobotic Technology, die NASA CLPS und internationale Nutzlasten transportieren wird.

Bei der Landung lösten schließlich Sensoren an den Beinen des Landers das Abschalten seiner Haupttriebwerke aus. Chandrayaan-3 steht jetzt hoch auf dem Mond.

ISRO hat die Beine des Landers so konstruiert, dass sie den größten Teil des mechanischen Stoßes beim Aufsetzen absorbieren. Die Agentur testete die Beine auf Mondsimulationsprüfständen auf der Erde, um sicherzustellen, dass der Lander eine hohe vertikale Geschwindigkeit von drei Metern pro Sekunde verträgt – und sogar eine horizontale Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde, wenn er schief aufsetzen würde.

„Der Touchdown verlief reibungslos; Die Vertikalgeschwindigkeit lag deutlich unter der nominellen Obergrenze von 2 Metern pro Sekunde“, sagte ISRO-Chef S. Somanath bei einer Presseveranstaltung nach der Landung.

Chandrayaan-3 landete kurz nach Sonnenaufgang in der Nähe des Mondsüdpols. Dadurch wird die Lebensdauer der Mission an der Oberfläche auf eine gesamte Mondtageszeit (14 Tage auf der Erde) maximiert, da sowohl der Lander als auch der Rover, den er einsetzen wird, solarbetrieben sind. Um die wissenschaftliche Oberflächenmission von Chandrayaan-3 zu beginnen, wird Vikram seine vier Bordinstrumente aktivieren und den Rover über eine Rampe ausfahren, um mit der Erkundung der geologisch reichen Landeregion zu beginnen.

Chandrayaan-3 trägt zum weltweiten Hype bei, Hardware zum Mond zu schicken, insbesondere zu seinem Südpol. Die bevorstehenden bemannten Artemis-Missionen der USA, das chinesische Roboterschiff Chang'e und die meisten anderen staatlichen und privaten Vorhaben (z. B. die im Rahmen des CLPS-Programms der NASA) planen die Erkundung dieser wertvollen Mondregion. Letztendlich zielen sie darauf ab, Wassereis und andere Ressourcen zu gewinnen, um Langzeitmissionen durchzuführen und möglicherweise sogar Aspekte solcher Operationen zu kommerzialisieren.

Es war also genau der richtige Zeitpunkt, als Indien am 21. Juni das Artemis-Abkommen unterzeichnete, ein von den USA geführtes Rahmenwerk zur kooperativen Monderkundung. Als Unterzeichnerstaat kann Indien nun seine Mondbemühungen beschleunigen, indem es besser mit den USA und anderen Unterzeichnerstaaten zusammenarbeitet. John Thornton, CEO von Astrobotic, sagt: „Ich fühle mich durch die Unterzeichnung der Abkommen durch Indien ermutigt. Es ist sicherlich ein Signal für erweiterte Partnerschaften und gemeinsame Entwicklungen zwischen den beiden Ländern. Je mehr wir das als Spezies tun können, desto größer sind unsere Chancen, gemeinsam erfolgreich zu sein.“

Für seine nächste Mondmission – deren Start vor Ende dieses Jahrzehnts geplant ist – könnte Indien mit Japan, einem weiteren Teilnehmer des Artemis-Abkommens, zusammenarbeiten. Der geplante LUPEX-Rover des Paares würde die Natur, Häufigkeit und Zugänglichkeit von Wassereis am Südpol des Mondes direkt untersuchen und könnte wichtige Daten für künftige bemannte Missionen liefern, die dort im Rahmen des Artemis-Programms der NASA gestartet werden. „LUPEX erfordert eine präzisere Landung mit einem viel größeren Lander. Der Erfolg von Chandrayaan-3 wird als Sprungbrett für Indien dienen, das LUPEX-Landegerät zu bauen und damit eine Schlüsselrolle bei der zukünftigen Erforschung unseres Mondes zu spielen“, sagt S. Megala, stellvertretender Direktor des Mondforschungs- und -erkundungsprogramms der ISRO.

Zunächst muss jedoch die indische Regierung die Beteiligung des Landes offiziell genehmigen. (Japan hat bereits grünes Licht für seinen eigenen Beitrag gegeben.) Und in der Zwischenzeit wird Japan eine weitere eigene Mondmission starten: Der Smart Lander for Investigating Moon (SLIM) des Landes soll am 26. August starten, mit einem Ziel einer Mondlandung später in diesem Jahr, um neue Technologien für präzise und erschwingliche Mondlandungen in komplexem Gelände zu demonstrieren.

jatan mehtaist ein weltweit veröffentlichter, unabhängiger Autor von Weltraumforschungsautoren und Autor von Moon Monday, einem Newsletter, der sich der Berichterstattung über Mondforschungsentwicklungen aus aller Welt widmet.

jatan mehta

Jonathan O'Callaghan

Rebecca Boyle

Meghan Bartels