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.

Bei diesem Versuch wurde nur die Rückkehrkapsel getestet. Die Rolle des Servicemoduls übernahm die unter dem Namen „Yuanzheng 1A“ bekannte zusätzliche Oberstufe der Changzheng-7-Trägerrakete. Diese mit einer hypergolen Treibstoffmischung betriebene Stufe kann, im Gegensatz zu den regulären Raketenstufen, mehrmals gezündet werden und wird normalerweise dafür verwendet, Satelliten in höhere Bahnen zu befördern. 10 Minuten nach dem Start um 20 Uhr Ortszeit trennte sich die Yuanzheng-1A mit der darauf montierten Testkapsel von der Trägerrakete und begab sich in einen erdnahen Orbit von 200 × 394 Kilometern Höhe, wie er in etwa auch bei bemannten Flügen eingenommen wird. Nach der 13. Umkreisung, am 26. Juni 2016 um 15:04 Uhr Peking-Zeit, leitete die Yuanzheng-1A mit einer erneuten Zündung die Rückkehr zur Erde ein.

Anschließend änderte die Raketenstufe ihre Lage, sodass der Boden der Rückkehrkapsel um 50° gegen die Horizontale geneigt war. Um 15:17 Uhr trennte sich die Rückkehrkapsel in einer Höhe von 170 km von der Yuanzheng-1A, die danach in einem sicheren Orbit deponiert wurde. Das in diesem Fall vom Kosmodrom Jiuquan aus gesteuerte Netzwerk der Bodenstationen übernahm die Kontrolle über die Kapsel. In einer Höhe von 20 km löste der Stabilisierungsfallschirm aus, der die Kapsel in eine korrekte Lage brachte. Dieser wurde daraufhin abgeworfen, der Bremsfallschirm löste aus, der wiederum den Hauptfallschirm aus seiner Kammer oben an der Kapsel zog. Um 15:41 Uhr landete die Rückkehrkapsel – nach erstem Augenschein unbeschädigt – auf dem Ostwind-Landeplatz in der Badain-Jaran-Wüste unweit des Kosmodroms. Um 23 Uhr kam die geborgene Kapsel mit einem Lastwagen auf dem Kosmodrom Jiuquan an.

Testflug 2020

Ein erster, unbemannter Testflug eines Raumschiffs in annähernd realer Größe fand im Mai 2020 statt. Hierzu wurde ein 8,8 m langer und 21,6 t schwerer Prototyp verwendet, der am 5. Mai 2020 um 18:00 Ortszeit (10:00 UTC) mit dem ersten Exemplar der Raketenvariante Changzheng 5B vom Kosmodrom Wenchang gestartet wurde. 488 Sekunden, also etwa 8 Minuten nach dem Start trat das Raumschiff planmäßig in die Umlaufbahn ein. Um eine möglichst große Startmasse für die Erprobung der Trägerrakete zu erhalten, wurde das Servicemodul des Raumschiffs voll betankt. Im weiteren Verlauf nutzten die Techniker im Raumfahrtkontrollzentrum Peking diesen Treibstoff, um den Orbit des Raumschiffs schrittweise zu erhöhen, bei jedem Umlauf ein Stück mehr, bis schließlich eine stark elliptische Umlaufbahn von 300 × 8000 km erreicht war. Dort wurden weltraumwissenschaftliche Experimente durchgeführt, die zum Teil in Zusammenhang mit der geplanten Raumstation standen. So wurde bei einem Schmiermittel-Experiment das Wanderungsverhalten von Abriebpartikeln in der Schwerelosigkeit erforscht, ein Ethernet nach dem TTE-Standard mit einer Übertragungsrate von 1000 Megabit/s getestet, es wurde ein 3D-Drucker für langfaserigen Verbundwerkstoff erprobt, mit dem sich die Raumfahrer ihre eigenen Ersatzteile drucken können sollen, sowie ein akustisches Ortungsgerät, das Hintergrundgeräusche ignorieren und die – in der Kapsel an verschiedenen Stellen simulierten – Geräusche eines Aufpralls und der durch ein eventuelles Leck entweichenden Luft lokalisieren kann. Am 8. Mai 2020 gegen Mittag Ortszeit gab das Raumfahrtkontrollzentrum Peking die Steuerbefehle zum Einschwenken in die Rückkehrbahn. Um 12:21 hatte das Raumschiff die Bremsmanöver vollendet und die Rückkehrbahn erreicht. Gut eine Stunde später, um 13:33 trennte sich die Rückkehrkapsel vom Servicemodul.

Bei der Rückkehr vom Mond wird das Raumschiff vom Lagrange-Punkt L₁, also aus einer Höhe von 326.000 km ungebremst auf die Erde fallen und dort mit einer Geschwindigkeit von 40.320 km/h eintreffen. Ein derartiges Missionsprofil wurde zwar bereits 2014 mit der Sonde Chang’e 5-T1 erprobt, diese war jedoch wesentlich kleiner und einfacher gebaut als die Rückkehrkapsel des neuen Raumschiffs. Nun sollte unter realistischen Bedingungen ein Wiedereintritt in die Erdatmosphäre mit hoher Geschwindigkeit und unter steilem Anflugwinkel versucht werden – bei der Trennung vom Servicemodul schoss die Kapsel zunächst senkrecht nach unten. Wie 2014 wurde ein zweiteiliger Abstieg mit Atmosphärenbremsung durchgeführt, bei dem die Rückkehrkapsel zunächst nur kurz in die Hochatmosphäre eintauchte, durch den Strömungswiderstand der Atmosphäre etwas abbremste und, nachdem sie wieder an Höhe gewonnen hatte, erneut, nun mit langsamerer Geschwindigkeit, zum finalen Wiedereintritt in die Atmosphäre ansetzte. Hierbei traten außen am Hitzeschild Temperaturen von bis zu 1000 °C auf. Zum Vergleich: bei einem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nach einer Rückkehr vom Mond ist der Hitzeschild Temperaturen von bis zu 3000 °C ausgesetzt.

Der Prototyp der Rückkehrkapsel war mit 5,6 t fast doppelt so schwer wie die Shenzhou-Kapsel, die nur einen Bremsfallschirm verwendet. Der Shenzhou-Fallschirm gehört bereits zu den größten der Welt, und es war nicht möglich, seine Oberfläche noch weiter zu vergrößern. Daher wählte man eine Lösung mit zwei statt einem Stabilisierungsfallschirm, drei statt einem Hauptfallschirm, und statt der Bremsraketen sechs rund um den Außenrand der Kapsel angeordnete Airbags. In einer gewissen Distanz über dem Boden bliesen sich die Airbags auf, und um 13:49 Uhr Ortszeit, 16 Minuten nach der Trennung von dem nicht wiederverwendbaren Servicemodul, setzte die Rückkehrkapsel auf dem Ostwind-Landeplatz beim Kosmodrom Jiuquan auf. Bei relativ starkem Wind gelang eine Landung auf der dafür vorgesehenen ebenen Fläche. Nach der Landung bezeichnete die Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie das Raumschiff in einer Pressemitteilung als „embryonale Form“, die nun auf der Basis der bei dem Testflug gesammelten Daten zu einem wahren Mehrzweckraumschiff weiterentwickelt werden würde. Zur Einordnung: beim Shenzhou-Raumschiff fanden nach dem ersten Testflug 1999 noch drei weitere unbemannte Flüge statt, bis 2003 mit Shenzhou 5 der erste Chinese ins All abhob.

Die ausgebrannte Kernstufe der Trägerrakete trat am 11. Mai 2020 um 15:33 Uhr UTC nach 102 Erdumkreisungen über der afrikanischen Atlantikküste ohne eine weitere Eingreifmöglichkeit des Raumfahrtkontrollzentrums Peking wieder in die Atmosphäre ein. Mit einer Länge von 33 m und einem Durchmesser von 5 m war dies seit dem Absturz der sowjetischen Raumstation Saljut 7 am 7. Februar 1991 der größte Raumflugkörper, der ungesteuert in die Erdatmosphäre eintrat. Angesichts der schwer vorhersagbaren Bremswirkung, die die äußeren Schichten der Hochatmosphäre auf die Raketenstufe ausübten, war der konkrete Absturzort schwer zu bestimmen.

Es besteht nicht die Möglichkeit den Orbit so zu legen, dass der Überflug über dicht besiedeltes Gebiete vermieden wird – und so flog die Raketenstufe etwa 15 bis 20 Minuten vor dem Absturz über New York City hinweg. Am Ende fiel dann in einem Dorf in der Elfenbeinküste ein zehn Meter langes Metallteil vom Himmel.

Vier Tage später, am 15. Mai 2020, traf die Rückkehrkapsel wieder bei der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie in Peking ein, wo die Kapsel zunächst auf strukturelle Unversehrtheit untersucht wurde. Ebenso wichtig war aber auch eine Prüfung der elektronischen Systeme, die sich bei diesem Raumschiff zum großen Teil nicht im Servicemodul, sondern in der Rückkehrkapsel befinden. Mit den Überprüfungen sollte festgestellt werden, ob die bei diesem Testflug eingesetzte Kapsel beim nächsten Test wiederverwendet werden kann. Am 29. Mai 2020 wurden die 988 Nutzlasten ausgeladen, die 54 Forschungsinstitute und 21 Privatfirmen mit dem Raumschiff in den Van-Allen-Gürtel geschickt hatten, um sie schwierigeren Bedingungen auszusetzen, als es in den Tiangong-Raumlabors mit ihren erdnahen Umlaufbahnen möglich war, darunter zahlreiche Pflanzensamen und für die Erdölgewinnung genutzte Mikroorganismen. Mitgeflogene Landesfahnen wurden an die pakistanische Botschafterin bzw. den argentinischen Gesandten übergeben, der 3D-Drucker an das Zentrum für Projekte und Technologien zur Nutzung des Weltalls.