mini|hochkant|Modell des Raumschiffs
Mengzhou (),Chinese lunar lander and new crew spaceship names revealed. China Daily, 26. Februar 2024. vormals unter dem Arbeitstitel bemanntes Raumschiff der neuen Generation () bekannt, ist das Nachfolgemodell des chinesischen Shenzhou-Raumschiffs. Es handelt sich um ein teilweise wiederverwendbares Mehrzweckraumschiff, das drei Raumfahrer in einen Mondorbit oder – zu einem späteren Zeitpunkt – sieben zur Chinesischen Raumstation bringen kann.
Geschichte Um 2010 hatten Verantwortliche des Bemannten Raumfahrtprogramms der Volksrepublik China bei internen Gesprächen erstmals vorgeschlagen, ein vielseitig einsetzbares Raumschiff zu entwickeln, bei dem mit einer Basisversion die verschiedensten Missionen geflogen werden könnten. 2013 stellte Zhang Bainan, Chefingenieur der Hauptabteilung bemannte Raumfahrt der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie, aus jungen Kadern der für das Shenzhou-Raumschiff zuständigen Entwicklergruppe – abgesehen von ihm selbst lag das Durchschnittsalter der Ingenieure bei knapp 30 Jahren – ein Team zusammen, das sich mit den diesbezüglichen Vorplanungen befasste (das Shenzhou-Raumschiff war seit dem erfolgreichen Test des Andocksystems im November 2011 weitgehend ausgereift). Ein erstes Konzept wurde am 31. März 2015 in den Acta Aeronautica et Astronautica Sinica der Fachwelt vorgestellt. Damals ging man von zwei Typen aus: einem Raumschiff mit einem Startgewicht von 14 Tonnen für Operationen in erdnahen Umlaufbahnen sowie – mit abwerfbaren Zusatzantrieben – Missionen zu Asteroiden und zum Mars (ein Gedanke, der später zugunsten von modularen Raumschiffen verworfen wurde), außerdem einem Raumschiff mit 20 Tonnen Startgewicht für den Einsatz bei bemannten Mondlandungen (mit einer separat gestarteten Mondlandefähre). Für den Besatzungswechsel in der Chinesischen Raumstation sollte das Raumschiff bis zu 6 Personen befördern können.
Um alle geplanten Einsätze zu ermöglichen, legte man als Mindestanforderung fest, dass die Lebenserhaltungssysteme des Raumschiffs 21 Tage lang unabhängig arbeiten und das Schiff, angedockt an eine Raumstation oder – bei einer Marsmission – das Wohnmodul eines zusammengesetzten Großraumschiffs, bis zu zwei Jahre lang im Weltall verbleiben kann. Aus Sicherheits- und Kostengründen wählte man von Anfang an ein Konzept mit nur zwei Komponenten – Rückkehrkapsel und Servicemodul – und verzichtete auf ein zusätzliches Orbitalmodul wie beim Shenzhou-Raumschiff.
2017 begann man mit der Entwicklung eines Prototyps, was von Zhang Bainan im März 2018 öffentlich bekanntgegeben wurde. In Interviews enthüllte der Ingenieur, dass es sich um ein wiederverwendbares Modell handeln würde. Es sei gleichermaßen für Flüge zum Mond wie zum Mars geeignet. Gleichzeitig wies er darauf hin, dass die Shenzhou-Raumschiffe nun in Serie gefertigt würden und im Zusammenhang mit der zu errichtenden Raumstation noch lange in Gebrauch bleiben würden. Auf der 5. Konferenz zur bemannten Raumfahrt in Xi’an am 23./24. Oktober 2018 – veranstaltet von der Polytechnischen Universität Nordwestchinas und dem Büro für bemannte Raumfahrt der Abteilung für Waffenentwicklung der Zentralen Militärkommission (CMSA) – wurde das bemannte Raumschiff der neuen Generation schließlich erstmals im Detail der Öffentlichkeit vorgestellt. Nachdem man 2016 bereits einen Testflug mit einem verkleinerten Modell des Raumschiffs unternommen hatte (siehe unten), war im Dezember 2019 ein realer Prototyp fertiggestellt, der im Mai 2020 einen Testflug absolvierte.
Am 31. August 2023 startete das Büro für bemannte Raumfahrt einen Wettbewerb, bei dem natürliche und juristische Personen Namensvorschläge für das Raumschiff einreichen konnten.
Aufbau und Funktionsweise Das Raumschiff der neuen Generation besteht in seiner überarbeiteten Version von 2022 aus einer konischen Rückkehrkapsel mit einem Durchmesser von 5 m an der Basis sowie einem schlankeren Servicemodul, an das beim Start zwei ausklappbare Solarzellenflügel mit jeweils dreieinhalb Solarmodulen angelegt sind. Das Servicemodul ist als Oberstufe in die speziell für dieses Raumschiff konstruierte Changzheng 10 integriert und besitzt eine, ähnlich einer Nutzlastverkleidung abwerfbare, Außenhülle mit 5 m Durchmesser. Die Rückkehrkapsel ist dagegen nicht verkleidet. Wie die Shenzhou-Raumschiffe ist das Raumschiff der neuen Generation in der bemannten Konfiguration mit einer Rettungsrakete versehen. Ohne die Rettungsrakete besitzt das Raumschiff eine Startmasse von 26 t.
Das Servicemodul besitzt vier mit der hypergolen Treibstoffkombination Methylhydrazin und Distickstofftetroxid arbeitende Haupttriebwerke mit einem Vakuumschub von jeweils 15 kN. Das „1.5 tf“ genannte Triebwerk, bei dem die Brennkammer durch ein Kühlmittel von außen gekühlt wird, ist ohne das Befestigungsgestell 1,53 m hoch, der Düsendurchmesser am unteren Rand beträgt 92 cm; das Düsenflächenverhältnis liegt bei 80. Das Mischungsverhältnis von Treibstoff zu Oxidator beträgt 1:1,65, der Brennkammerdruck 1 MPa und der spezifische Impuls im Vakuum 3093 m·s−1. Bei einem Dauertest über 1000 Sekunden, also 16,5 Minuten, unter atmosphärischen Bedingungen bei 20 °C Außentemperatur erwärmte sich das Kühlmittel für die Brennkammer des druckgasgeförderten Triebwerks um 82 °C. Anschließend wurde das Triebwerk in einer Vakuumkammer getestet, wo der Luftdruck vor der ersten Zündung 1,9 Pa betrug, was einer Höhe von 76 km entsprach. Das Triebwerk wurde neunmal hintereinander in Gang gesetzt und abgeschaltet, mit einer maximalen Brenndauer von 100 Sekunden. Auch dieser Test verlief zur vollen Zufriedenheit.
Der Treibstofftank des Servicemoduls besteht aus zwei Schichten, mit einer Innenauskleidung aus einer Aluminiumlegierung und einer Außenwand aus einem Verbundwerkstoff-Gewebe. Auf diese Art ließ sich ein relativ großer Oberflächenspannungstank realisieren. Für die Lageregelung während des Fluges besitzt das Raumschiff ein automatisches Steuersystem, das über Lageregelungstriebwerke seine Position im Verhältnis zur Erde auf allen drei Achsen stabil hält und hochpräzise Bahnveränderungs- und Bremsmanöver ermöglicht. Zur Lageregelung beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre besitzt die Rückkehrkapsel vom Shanghaier Institut für Weltraumantriebe hergestellte Triebwerke mit 400 N Schubkraft, die mit dem umweltfreundlichen Treibstoff Hydroxylamin und Salpetersäure als Katalysator (HAN) arbeiten.
Das Servicemodul wird vor dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre abgetrennt und verglüht. Teure elektronische Systeme sind nach Möglichkeit in der Rückkehrkapsel untergebracht, die nach der Landung in der Inneren Mongolei im Kern wiederverwendet werden kann. Hierzu wird die abnehmbare Außenhülle, die als Hitzeschutz beim Wiedereintritt in die Atmosphäre dient, entfernt und die innere Metallstruktur mit einer frischen Außenhaut versehen. Die Rückkehrkapsel ist so gebaut, dass sie auch auf einer Wasseroberfläche landen kann. Langfristig ist geplant, ein Seegebiet im Südchinesischen Meer als Landeplatz auszuweisen und das Kosmodrom Wenchang auf Hainan zu Chinas neuem Raumfahrtzentrum auszubauen. Um bis zu zehn Verwendungen zu ermöglichen – Berechnungen zufolge das wirtschaftliche Optimum – wurde die Kapsel unter anderem mit Airbags als Landehilfe ausgestattet. Diese verringern die Aufprallwucht auf einen Bruchteil und schonen somit das Raumschiff.
Gegenüber dem derzeitigen Shenzhou-Raumschiff wurde auch das Funksystem verbessert. Bei Shenzhou reißt während des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre der Funkkontakt mit dem Missionskontrollzentrum für eine gewisse Zeit ab. Ursache ist die stark erhitzte und dadurch ionisierte Luft um die Rückkehrkapsel, welche die Funksignale abschirmt. Die verbesserten Kommunikationssysteme des Raumschiffs der neuen Generation können, gut geschützt durch funkdurchlässige Hitzeschutzfenster, das isolierende Plasma durchdringen und während des gesamten Abstiegs den Kontakt mit den Bodenstationen aufrechterhalten.
Für die Rückkehr vom Mond muss die Raumkapsel einen Wiedereintritt mit einer Geschwindigkeit von 11,2 km/s bewältigen können. Als die ersten Pläne für das neue Mehrzweckraumschiff entstanden, verfügte China noch über keine geeigneten leichten Materialien für einen ablativen Hitzeschild. Die in den 1960er Jahren entwickelten Hitzeschilde aus mit Phenolharz getränkten Geweben aus Kohlenstofffasern können zwar sehr hohen Temperaturen widerstehen, haben aber eine Massendichte von etwa 1,5 g/cm³, was bedeutet hätte, dass der Hitzeschutz für eine Wiedereintrittskapsel der geplanten Größe (etwa das Doppelte der Rückkehrkapsel des Shenzhou-Raumschiffs) einen beträchtlichen Teil des Gesamtgewichts ausgemacht hätte. Daher entwickelte man einen sogenannten „Phenol-imprägnierten Carbonfaser-Ablator“ (PICA) aus Kurzschnittfasern, der nur eine Massendichte von 0,27 g/cm³ besitzt und zum Beispiel – in Kachelform – auch 2011 bei der Kapsel des Mars Science Laboratory der NASA verwendet wurde. Bei gleicher Hitzeschutzwirkung wiegt dieses Material um 30 % weniger.
Tests Testflug 2016 Am 25. Juni 2016 wurde beim Erstflug der Trägerrakete Changzheng 7 vom Kosmodrom Wenchang auf Hainan ein auf das 0,63-fache verkleinertes Modell der neuen Rückkehrkapsel in den Orbit befördert. Das Modell hatte eine konische Form mit einem Durchmesser von 2,6 m am breiten Ende, eine Höhe von 2,3 m und ein Gewicht von 2,6 Tonnen. Die Kapsel bestand aus drei Komponenten:
Einer halbkugelförmige Spitze mit Fallschirmkammer, Fallschirmauswurfgeräten, Navigationssatelliten-Antenne und Antenne für die Kommunikation durch das isolierende Plasma beim Wiedereintritt. Einer Außenwand mit dem in vier Paneele unterteilten ablativen Hitzeschild, der auf Formplatten mit einer Bienenwaben-Struktur geklebt und an den Verstärkungsstreben der eigentlichen Kabinenwand festgeschraubt war. Außen an der Wand befanden sich kleine Triebwerke für die Lagesteuerung und Sensoren für den Luftstrom. Einer Bodenplatte aus Metall, darunter ein Gitterträgersystem und darunter der Hitzeschild. Auf der Bodenplatte, im Inneren der Kabine, waren Datenverarbeitungsgeräte, die Stromversorgung und Messgeräte für den Luftstrom angebracht. Unten auf dem Hitzeschild befanden sich pneumatische Sensoren.
Bei dem Test ging es zum einen darum, das Flugverhalten der konischen Rückkehrkapsel beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zu erproben (die Shenzhou-Raumschiffe verwenden eine glockenförmige Rückkehrkapsel). Für den Fall, dass die Kapsel mit der Spitze zuerst in die Atmosphäre eintauchte, gab es einen Überschall-Stabilisierungsfallschirm, der die Kapsel aufrichten würde, sodass sie mit dem hierfür vorgesehenen breiten Ende bremsen konnte. Außerdem wollte man die beim Bau des neuen Raumschiffs verwendeten Materialien testen, nicht nur den Phenol-imprägnierten Carbonfaser-Ablator für den Hitzeschild, sondern auch die neue Legierung, aus der die Kabine selbst gefertigt war. Dieses Material war sowohl fester als auch leichter als die bislang bei Raumflugkörpern verwendete Aluminium-Magnesium-Legierung. Im Inneren der Kapsel gab es keine Lebenserhaltungssysteme, und zahlreiche elektronische Komponenten für die Auslösung der Fallschirme etc. waren aus zurückgekehrten Shenzhou-Raumschiffen ausgebaut und nach Überprüfung wiederverwendet worden.