Tianwen-1 () ist nach Yinghuo-1 die zweite von der Volksrepublik China gebaute Marssonde. Sie besteht aus einem Orbiter, einem Landegerät und einem Rover. Die Sonde wurde am 23. Juli 2020 mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 5 gestartet und erreichte am 10. Februar 2021 als erste chinesische Marssonde eine Umlaufbahn um den Planeten.Andrew Jones: China’s Tianwen-1 enters orbit around Mars. Spacenews, 10. Februar 2021. Der Rover Zhurong landete am 14. Mai 2021 um 23:18 Uhr UTC in der Utopia Planitia.
Seit Anfang Juni 2021 fuhr der Rover mehr oder weniger in Richtung Süden und versuchte das Ufer des Meeres zu erreichen, das die Utopia Planitia vor etwa 1,8 Milliarden Jahren möglicherweise war. Der Orbiter, der zunächst als Relaissatellit für den Rover fungiert hatte, wurde am 8. November 2021 in seinen eigentlichen Missionsorbit gebracht, von wo er vor allem die Ionosphäre und Magnetosphäre, aber auch die Oberfläche des Mars untersucht. Im Mai 2022 wurde der Rover planmäßig in einen „Winterschlaf“ versetzt. Am 12. Juli 2023 war Sommerbeginn auf der Nordhalbkugel des Mars. Die Wissenschaftler hofften, dass dann genügend Wärme und elektrische Leistung zur Verfügung steht, um den Rover wieder in Betrieb setzen zu können.
Name Der Name bezieht sich auf ein Qu Yuan (340–278 v. Chr.) zugeschriebenes Gedicht, in dem dieser die damalige Astronomie hinterfragte, wie sie auf Wandgemälden in den Ahnentempeln der Chu-Könige dargestellt war: „Warum ist die Ekliptik in 12 Abschnitte eingeteilt?“ Qu Yuan stellte sich Fragen betreffs des Himmels. Im Originalgedicht bleiben die Fragen ohne Antworten;Helwig Schmidt-Glintzer: Geschichte der chinesischen Literatur. Scherz Verlag, Bern 1990, S. 36 f. Tianwen-1 und ihre Nachfolgesonden sollen nun Antworten finden. Video mit englischen Untertiteln.
Stellung innerhalb des Marsprogramms Erste Vorgespräche für das Marsprogramm der Volksrepublik China gab es im Juni 2005. Der offizielle Start des Programms fand am 26. März 2007 mit der Unterzeichnung eines Partnerschaftsvertrags zwischen der China National Space Administration und der staatlichen russischen Raumfahrtorganisation Roskosmos statt. Das erste Ziel des Marsprogramms war die Entwicklung und der Bau eines Mars-Orbiters. Die russische Raumsonde Phobos-Grunt, die den chinesischen Orbiter Yinghuo-1 mitführte, kam jedoch nach dem Start am 9. November 2011 nicht über einen Parkorbit hinaus und verglühte am 15. Januar 2012 zusammen mit Yinghuo-1 über dem Ostpazifik. In der Folge begann China ein eigenes Mars-Projekt.
Yinghuo-1 sollte die Marsoberfläche fotografieren, um geeignete Orte für eine spätere Landung ausfindig zu machen. Abgesehen davon hatten Wu Ji, der Chefwissenschaftler bei Yinghuo-1, und Wang Chi, der für die Nutzlasten der Sonde zuständig war, die Mission primär auf eine Erforschung der Mars-Ionosphäre ausgelegt. Diese beiden Aufgaben von Yinghuo-1 übernahm beziehungsweise übernimmt nun der Orbiter von Tianwen-1. Zur Vorbereitung der Roverlandung kartografierte er drei Monate lang die Marsoberfläche. Chefwissenschaftler und Ionosphärenspezialist Wan Weixing stellte die Nutzlasten für die Beobachtung des Weltraumwetters des Mars zusammen.
Planung, Entwicklung und Bau der Komponenten mini|Komponenten der Sonde Tianwen-1 wurde wie die Sonden des Mondprogramms von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gebaut, wobei die Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie den Orbiter beisteuerte. Die wissenschaftlichen Nutzlasten (Instrumente) wurden unter Aufsicht des Nationalen Zentrums für Weltraumwissenschaften der Akademie der Wissenschaften in Peking entwickelt. Neben ihrer wissenschaftlichen Aufgabe dient die Marsmission auch der Erprobung neuer Technologie, die benötigt wird, um in den 2030er Jahren Marsproben zurück zur Erde zu bringen.
Die Sonde wog beim Start insgesamt ungefähr 5 t, davon entfielen 3175 kg auf den betankten Orbiter. Der Lander wog zusammen mit dem Rover ohne den Hitzeschild 1285 kg.
Orbiter Nachdem Premierminister Li Keqiang das Projekt am 11. Januar 2016 genehmigt hatte und die Aufgaben verteilt worden waren, begannen die Ingenieure in Shanghai unter der Leitung von Zhang Yuhua (张玉花, * 1968) mit der Konstruktion des Orbiters. Man wählte hierfür die Form einer dicken sechseckigen Münze mit einem Loch in der Mitte, wobei die Innenwand der Öffnung, über die der Druck beim Start und während der Bahnregelungsmanöver auf den Lander übertragen wird, nach ersten Versuchen nicht röhren- sondern konusförmig, auf den Lander hin zulaufend gestaltet wurde. Tests ergaben, dass auf diese Art bei gleichem Gewicht die Tragkraft der Konstruktion auf 130 % der Anforderungen stieg. Im breiten Ende der Öffnung befinden sich kugelförmige Treibstofftanks und das Haupttriebwerk vom Typ YF-37 mit einer Schubkraft von 3 kN und einem spezifischen Impuls von 3155 m·s−1. Zwischen dem Tragkonus und der sechseckigen Außenwand sind die elektronischen Systeme und die von ausklappbaren Solarmodulen gespeisten Akkumulatoren angeordnet.
Ein erster Prototyp wurde gebaut und mit an der Außenwand montierter Parabolantenne (horizontaler Durchmesser 2,5 m) sowie ausgeklappten Solarzellenflügeln (Spannweite 13,6 m) Stoß- und Temperaturtests unterzogen. Nachdem diese Tests zur Zufriedenheit ausgefallen waren, wurde 2018 ein mit der endgültigen Version identischer Prototyp gebaut, an dem die Elektronik getestet wurde, vor allem auf elektromagnetische Verträglichkeit, aber auch auf das Funktionieren der Schnittstellen für die Kommunikation des Orbiters mit der Trägerrakete, dem Rover und den Bodenstationen. Dann wurde der für die Mission bestimmte Orbiter gebaut und mit der Lander-Rover-Gruppe integriert. Das Fluxgate-Magnetometer an Bord des Orbiters wurde von Wissenschaftlern der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technik in Hefei gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz gebaut.
Lander mini|Die Landeplattform Der Lander benutzte für den Abstieg einen Fallschirm, hauptsächlich aber ein regelbares Bremstriebwerk mit 7,5 kN Schubkraft. Die Grundversion des Triebwerks, das YF-36, wurde für das Mondprogramm der Volksrepublik China entwickelt und kam seit Chang’e 3 (2013) bei allen chinesischen Mondlandungen zum Einsatz. Das ab 2016 entwickelte Haupttriebwerk des Marslanders, „YF-36A“ genannt, beruhte auf dem YF-36, wurde aber – bei gleicher Schubkraft – in Abmessungen und Gewicht um zwei Drittel verkleinert. Während das Triebwerk der Mondsonden mit ihrem relativ großen Gehäuse 1,4 m hoch war, war das Haupttriebwerk des Marslanders – eine flache Plattform, auf der der Rover ruhte – nur 50 cm hoch.
Die Bodenplatte des Hitzeschilds hatte einen Durchmesser von 3,4 m. Der ablative Hitzeschild war ähnlich demjenigen der Landekapsel der Shenzhou-Raumschiffe ausgelegt, wurde aber mit einer Bienenwabenstruktur verstärkt. Für Tianwen-1 wurde die Rezeptur des Materials so geändert, dass es einerseits kräftiger wurde, andererseits aber auch eine geringere Dichte besaß, also leichter wurde. Außerdem wurde das stützende Bienenwabengitter an den stark gekrümmten Stellen, sozusagen den „Kanten“ der Bodenplatte, verstärkt, um sie angesichts der dort angreifenden aerodynamischen Kräfte formstabil zu halten. Die insgesamt 70.000 Wabenlöcher wurden bei der Herstellung der Bodenplatte mit dem Material ausgegossen. Der obere, um 20° nach innen geneigte Teil des Hitzeschilds bestand dagegen aus einem nicht-ablativen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff von mittlerer Dichte, hoher Festigkeit und hoher Wärmeisolation. Darauf war wiederum eine ablative Farbschicht aufgetragen, die nicht nur dem Hitzeschutz diente, sondern den Lander auch vor den klimatischen Einflüssen auf dem Kosmodrom Wenchang mit seiner salzhaltigen Luft und vor Materialverlust durch Ausgasen im Vakuum schützte.
Im April 2019 war man in die Systemintegrationsphase eingetreten und hatte unter der Aufsicht von Sun Zezhou, dem Chefkonstrukteur der Sonde, mit ersten Tests der Lander-Rover-Kombination begonnen. Am 12. Oktober 2019 wurde das erste Foto veröffentlicht, das den Orbiter zeigt, auf dem die Lander-Rover-Kombination montiert ist, welche vom Hitzeschild umgeben ist. Am 14. November 2019 fand auf dem Mehrzweck-Versuchsgelände für Landungen auf fremden Himmelskörpern des Forschungsinstituts für weltraumbezogenen Maschinenbau und Elektrotechnik eine öffentliche Vorführung des Landeablaufs statt, zu dem die Nationale Raumfahrtbehörde etwa 70 Diplomaten und Journalisten aus Ländern eingeladen hatte, mit denen China in der Vergangenheit bei Raumfahrtprojekten zusammengearbeitet hatte (u. a. Deutschland, Holland, Italien, Brasilien, Argentinien, Saudi-Arabien). Mit einer Seilkonstruktion wurde die im Vergleich zur Erde nur ein Drittel betragende Schwerkraft des Mars simuliert. Der Lander reduzierte zuerst seine Geschwindigkeit auf Null, suchte sich zwischen den auf dem Testgelände verteilten Felsbrockenimitaten einen freien Fleck und senkte sich dann dort ab. Video vom Test.
Am 10. April 2020 traf eine Gruppe von Dozenten und Studenten der Fakultät für Raumfahrttechnik der Universität für Luft- und Raumfahrt Nanjing auf dem Kosmodrom Wenchang ein, um die von ihnen konstruierte, sehr robust gebaute Notfallbake an der realen Sonde zu überprüfen. Bei diesem hinten auf der Unterseite der Landerplattform angebrachten Gerät handelte es sich um eine Art Flugschreiber, der nach einer eventuellen Bruchlandung die während des Landevorgangs aufgezeichnete Daten über den Orbiter zur Erde funken sollte, wo man sie analysieren und aus ihnen für die nächste Mission hätte lernen können.
Rover
Der Rover ist groß und mit 240 kg fast doppelt so schwer wie der chinesische Mondrover Jadehase 2. Während auf dem Mond nur ein Sechstel der irdischen Schwerkraft herrscht, liegt dieser Wert auf dem Mars bei etwa einem Drittel. Der Marsrover muss daher robuster gebaut sein und benötigt stärkere Motoren als der Mondrover. Da die nächtlichen Temperaturen auf dem Mars in Äquatornähe mit −85 °C deutlich milder sind als auf dem Mond (bis −180 °C), besitzt der Marsrover kein Radionuklid-Heizelement, sondern bezieht seine Energie über Solarzellen, ergänzt durch zwei chemische Wärmflaschen.
Missionsziele Technische Ziele Einschwenken in eine Marsumlaufbahn, Abstieg durch die Marsatmosphäre, Landung Über einen längeren Zeitraum autonom agierender Orbiter und Lander Steuerung und Datenempfang über eine Entfernung von 400 Millionen Kilometer Erfahrungssammlung für die Entwicklung von Systemen für autonom agierende Tiefraumsonden
Wissenschaftliche Ziele Erforschung der Topographie und geologischen Zusammensetzung des Mars: Erstellung von hochauflösenden Karten ausgewählter Gebiete; Erforschung von Entstehungsursachen und Evolution der geologischen Zusammensetzung des Mars. Erforschung der Eigenschaften des Marsregolith sowie die Verteilung von Wassereis darin: Messung der mineralogischen Zusammensetzung des Marsregolith, von Verwitterung und Sedimentation sowie des Auftretens dieser Eigenheiten über den gesamten Mars; Suche nach Wassereis; Erforschung der Schichtstruktur des Marsregolith. Erforschung der Zusammensetzung des Oberflächenmaterials: Identifizierung der Gesteinsarten auf der Marsoberfläche; Erkundung von sekundären Erzlagerstätten, also magmatischen Erzlagerstätten, die durch Hebung an die Marsoberfläche gelangten; Bestimmung des Mineralgehalts der Erze auf der Marsoberfläche. Erforschung von Ionosphäre, Weltraumwetter und Oberflächenwetter des Mars: Messung von Temperatur, Luftdruck und Windsystemen auf der Oberfläche; Erforschung der Ionosphärenstruktur sowie der jahreszeitlichen Veränderungen des Marswetters.