Tianzhou () ist ein Raumflugkörper der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie. Er dient primär als Versorgungsraumschiff für die Chinesische Raumstation, unterstützt diese mit seinen Solarmodulen bei der Stromversorgung sowie – über die Phased-Array-Antenne auf der Zenitseite – bei der Kommunikation und fungiert, während er angekoppelt ist, als bewohnbares Modul der Raumstation. Außerdem kann Tianzhou CubeSats aussetzen sowie Nutzlasten für Technologieerprobung und wissenschaftliche Experimente mitführen und wird in diesem Fall nach der Entladung zu einem separat fliegenden Raumlabor. Die Tianzhou-Raumschiffe, die es in verschiedenen Versionen gibt, werden alle mit Trägerraketen vom Typ Langer Marsch 7 gestartet.
Entwicklungsgeschichte Am 21. September 1992 billigte der Ständige Ausschuss des Politbüros der Kommunistischen Partei Chinas das bemannte Raumfahrtprogramm der Volksrepublik China, nach dem Datum auch „Projekt 921“ genannt. In drei Schritten wollte man zu einer ständig besetzten Raumstation kommen: Start und Landung von bemannten Raumschiffen Rendezvous-Manöver mit einem zeitweise bewohnten Raumlabor Bau der ständig besetzten Raumstation
Ende 2010, knapp ein Jahr vor dem Start des Raumlabors Tiangong 1, führte das Büro für bemannte Raumfahrt eine Ausschreibung für ein Transportraumschiff durch, das die Versorgung der modularen Raumstation übernehmen sollte, deren Entwicklung am 27. Oktober 2010 begonnen hatte. Basierend auf ihren Erfahrungen mit den Shenzhou-Raumschiffen und Tiangong 1 reichte die Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie ein im Wesentlichen auf dem Raumlabor basierendes Konzept ein, das nach kurzer Diskussion angenommen wurde.
Daraufhin wurde bei der Firma eine junge Entwicklergruppe zusammengestellt, deren Leitung Bai Mingsheng (白明生, * 1966) übertragen wurde. Bai Mingsheng war 1988 nach seinem Abschluss an der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking zur Akademie für Weltraumtechnologie gekommen und seit 1992 als Konstrukteur beim bemannten Raumfahrtprogramm tätig. Im Laufe der folgenden Wochen arbeitete die Entwicklergruppe ein verfeinertes Konzept aus, das am 27. Januar 2011 in einem firmeninternen Genehmigungsverfahren gebilligt wurde. Die damaligen Vorstellungen von dem Frachtraumschiff entsprachen bereits weitgehend der späteren Realität: mehr als 9 m lang, ein maximaler Durchmesser von 3,35 m, eine Startmasse von 13 t und eine Nutzlastkapazität von 6,5 t. Der Durchmesser war zum einen durch den Raum in der Nutzlastverkleidung der für den Frachter vorgesehenen Trägerrakete Langer Marsch 7 bedingt, deren Bau im Januar 2011 genehmigt worden war. Außerdem konnte der Frachter mit dem bei vielen chinesischen Raketen verwendeten Standardmaß von 3,35 m nicht nur per Schiff, sondern notfalls auch mit der Eisenbahn transportiert werden.
mini|Zapfventil (rot) mit Tankstutzen (rechts) Eines der wichtigen Probleme, die gelöst werden mussten, war der Betankungsvorgang. Hierbei entschied man sich für ein ähnliches Prinzip wie es auch bei den sowjetisch-russischen Progress-Raumtransportern verwendet wird. Das inerte Gas (Helium), das zur Treibmittelförderung für die druckgasgeförderten Triebwerke des zu betankenden Raumflugkörpers verwendet wird, wird mit einem Kompressor aus dem weitgehend leeren Tank zurück in seine Gasflasche gepumpt. Dadurch wird im Tank ein Unterdruck erzeugt. Die Druckdifferenz zum entsprechenden Tank im Frachter beträgt mindestens 0,5 MPa, der leere Tank saugt das Treibmittel aus dem Frachter. Das Helium für die Druckgasförderung der Triebwerke wird nicht verbraucht, sondern kann wiederverwendet werden. Um die Zapfventile des Frachters in die Tankstutzen des zu betankenden Raumflugkörpers einzuführen, entschied man sich, anders als beim Progress, gegen eine Pneumatik, sondern für einen Schrittmotor. Bei dieser Methode war es nicht nötig, schwere Gasflaschen mitzuführen, es gab weniger Rohrverbindungen, die dicht gehalten werden mussten, und beim Einführen der Zapfventile gab es keine Aufprallkraft.
Nachdem zunächst einzelne Komponenten des Raumschiffs konstruiert und auf die Belastung im All durch Vakuum, atomaren Sauerstoff und Sonneneinstrahlung sowie durch die Erschütterungen beim Transport zu Land, zu Wasser und beim Start der Rakete getestet worden waren, war Ende August 2014 der erste Prototyp fertiggestellt. Der Frachter war von Anfang an in Modulbauweise konzipiert. Bereits damals hatte man drei verschiedene Frachtmodule angedacht (siehe unten), ein Modul mit Ladeklappe wurde parallel zu der für die ersten Flüge vorgesehenen geschlossenen Version entwickelt. Der erste Prototyp wurde von einer Kommission aus mehreren dutzend Experten nach allen Gesichtspunkten begutachtet, bis im September 2014 die Genehmigung erteilt wurde, einen flugfähigen Prototyp mit hermetisch geschlossenem Frachtmodul zu bauen. Beim Büro für bemannte Raumfahrt wurde das Projekt vom Frachtersystem betreut, das als Aufgabe für den ersten Probeflug Koppelmanöver und Betankungstests mit dem im Bau befindlichen Raumlabor Tiangong 2 festlegte.
Die Akademie für Weltraumtechnologie hatte gerade mit dem Bau des Frachters begonnen, als die Anforderungen geändert wurden. Nun sollte das Raumschiff zusätzlich zum Treibstoff mehrere wissenschaftliche Nutzlasten mit ins All nehmen, für die Befestigungen, Stromversorgung, Datenleitungen und eine Funkverbindung zur Erde vorgesehen werden mussten. Im April 2015 begann man schließlich auf der Basis Tianjin der Akademie für Weltraumtechnologie mit der Endmontage, wobei insbesondere was die Bedienungsfreundlichkeit für die späteren Raumfahrer anging, weitere Verbesserungen umgesetzt wurden. Nach intensiver Überprüfung erhielt der Frachter schließlich im Januar 2017 die Fluggenehmigung.
Name Für die Namensgebung des Raumschiffs lobte das Büro für bemannte Raumfahrt am 8. April 2011 einen Wettbewerb aus, bei dem alle Chinesen, egal ob im In- oder Ausland, vom 25. April bis zum 20. Mai 2011 Vorschläge einreichen konnten. Aus den 9640 eingereichten Vorschlägen traf eine Kommission unter Vorsitz der Schriftstellerin Bi Shumin (毕淑敏, * 1952) eine Vorauswahl von 30 Namen, aus denen dann in einer Internetabstimmung vom 26. Mai bis zum 20. Juni 377.778 Teilnehmer 10 Namen auswählten. Aus Vorschlägen wie „Götterdrachen“, „Drachenschiff“ etc. wählte die Kommission nach zweijährigen Diskussionen schließlich „Tianzhou“ bzw. „Himmelsboot“ aus, weil dieser Name zum einen seine Funktion als „Frachtschiff“ zum Ausdruck brachte und zum anderen auch mit dem bemannten „Shenzhou“- bzw. „Götterboot“-Raumschiff zusammenpasste. Der Name wurde vom Staatsrat der Volksrepublik China genehmigt und am 31. Oktober 2013 offiziell bekanntgegeben.
Aufbau und Funktion Durch die Modulbauweise kann der seit Tianzhou 3 in Serienfertigung hergestellte Frachter relativ einfach für verschiedene Missionsprofile modifiziert werden. Was innerhalb einer Serie immer gleich bleibt, sind die äußeren Abmessungen, das Eigengewicht und die maximale Zuladung. Hier die Werte für die bisherigen Serien (leicht unterschiedliche Angaben in verschiedenen Quellen sind auf Rundungsfehler zurückzuführen):
Tianzhou 3 bisTianzhou 5 Tianzhou 6 bisTianzhou 11 Gesamtlänge 10,6 m 10,6 m Länge Servicemodul 3,3 m 3,3 m Durchmesser Servicemodul 2,8 m 2,8 m Länge Frachtmodul 6,3 m 6,3 m Durchmesser Frachtmodul 3,35 m 3,35 m Spannweite der Solarmodule 14,9 m 14,9 m Zahl der Tanks 8 4 Eigengewicht 6,6 t 6,1 t maximales Frachtgewicht 6,9 t 7,4 t maximales Frachtvolumen 18,1 m³ 22,5 m³ maximale Startmasse 13,5 t 13,5 t Verhältnis Fracht/Startmasse 51,1 % 54,8 %
mini|Das Tankmodul. Die länglichen Gasflaschen enthalten Helium. Bei Tankerversionen, die nach der Kleinserie Tianzhou 6 bis Tianzhou 11 mit nur vier Tanks (siehe unten) je nach Bedarf wieder zum Einsatz kommen werden, stehen im Inneren des Frachters 21 m³ leerer Raum zur Verfügung, wo in Regalen mit einem Fassungsvermögen von insgesamt 18,1 m³ Nahrungspakete etc. verstaut werden können. Dieser Raum ist beheizt/gekühlt und mit Atemluft gefüllt; er kann durch eine Standardluke mit 80 cm Durchmesser im Bordanzug betreten werden. Dahinter befinden sich im zum All hin offenen Servicemodul acht kugelförmige Tanks von jeweils 400 Liter Fassungsvermögen, vier davon für den Treibstoff Methylhydrazin, vier für den Oxidator Distickstofftetroxid. Durch die Trennung der Tanks vom Wohnbereich können bei einem Leck keine giftigen Hydrazindämpfe in die Station gelangen. Bei voller Befüllung der Tanks haben die Treibmittel eine Nettomasse von insgesamt 2 t, wobei die für die Betankung der Station oder den Eigenbedarf des Frachters nötigen Treibmittel flexibel aus allen Tanks entnommen werden können.
Zur routinemäßigen Aufrechterhaltung der Orbitalhöhe, die durch die Anziehungskraft der Erde und die Reibung an den dünnen Gasen der Thermosphäre ohne unterstützende Maßnahmen im Laufe der Zeit absinken würde, besitzt das Kernmodul der Raumstation am Heck vier Hallantrieb-Ionentriebwerke von Typ HET-80. Diese sehr treibstoffsparenden Triebwerke verwenden Xenon als Stützmasse. Das in den Tanks des Frachters transportierte Hydrazin dient nur für die Lageregelungstriebwerke; mit einer Tankfüllung kommt die Station sehr lange aus. Daher wurde zum Beispiel bei der Mission Tianzhou 3 eine Version des Frachters mit nur vier Treibstofftanks eingesetzt, wodurch dann 5,6 t statt 4,7 t andere Fracht transportiert werden konnte. Ab Tianzhou 6 und für alle folgenden Exemplare bis Tianzhou 11 wurde die Rückwand des Frachtabteils nach hinten versetzen, um den durch die geringere Zahl an Tanks freigewordenen Raum für eine Vergrößerung des Ladevolumens zu nutzen. Anstatt Treibstoff kann nun 500 kg mehr Stückgut transportiert werden, das für die Beladung zur Verfügung stehende effektive Frachtvolumen erhöhte sich von 18,1 m³ auf 22,5 m³. Dadurch ließ sich die Zahl der Versorgungsflüge zur Raumstation reduzieren. Anstatt alle sechs Monate muss seit 2023 nur alle acht Monate ein Frachter starten.
mini|Die Chinesische Raumstation im Oktober 2022. Rechts Tianzhou 4. Der Frachter kann mit einem vom Forschungsinstitut 805 der Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie entwickelten Koppeladapter vollautomatische Rendezvousmanöver durchführen, er kann aber auch von der Raumstation aus ferngesteuert werden. Für den Einsatz mit der Chinesischen Raumstation, die wesentlich mehr Masse besitzt als die Raumlabors der Tiangong-Serie, kommt am Koppeladapter seit Tianzhou 2 eine stark verbesserte, einstellbare Stoßdämpfung zum Einsatz. Die Chinesische Raumstation wird unablässig ausgebaut, es gibt dutzende von Modul-Konfigurationen. Insbesondere wenn die Station bei Zwischenschritten eine asymmetrische Form hat, wie zum Beispiel das „L“ im Herbst 2022, treten beim Andocken starke Kräfte in der Nick- und der Gierachse auf.
Einmal angedockt, wird der Frachter auch dazu verwendet, mit seinen vier Haupttriebwerken von jeweils 490 N Schubkraft Bahnveränderungen der Station durchzuführen, um zum Beispiel Weltraummüll aus dem Weg zu gehen. Tianzhou 1 konnte dies nur bis zu einem Gewicht von 8,6 t bewältigen, seit Tianzhou 2 sind vom Frachter gesteuerte Bahnmanöver bis zu einem Gewicht von 180 t möglich, also dem finalen Ausbauzustand der Station zu einer 干-Form. Auch bei der Entsättigung der für die Lageregelung genutzten Momentenkreisel der Raumstation kommen die Haupttriebwerke des Frachters zum Einsatz, erstmals bei der Mission Tianzhou 3.