Japanischer H

May 28, 2023

Die H-IIA-Trägerrakete von Mitsubishi Heavy Industries bereitet sich, während ihre Karriere zugunsten der H3 eingestellt wird, auf den Flug des Roboter-Mondlanders Smart Lander for Investigating Moon (SLIM) und der X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) vor ) Röntgenteleskop auf seinem 47. Flug. Nach diesem Flug, dem zweiten im Jahr 2023 für die H-IIA, hat die H-IIA noch drei Flüge vor sich, bevor sie in den Ruhestand geht.

Der Start des H-IIA-Fahrzeugs F47 von der LA-Y1-Startrampe im Tanegashima Space Center, Japan, war für Montag, den 28. August, um 00:26 UTC geplant. Aufgrund des Wetters wurde es jedoch geschrubbt. Das Startfenster für diese Mission dauert bis zum 15. September.

Unmittelbar nach dem Start wird die H-IIA eine ostwärts gerichtete Flugbahn über dem Pazifik fliegen. Die beiden Feststoffraketenbooster des H-IIA sollen etwa zur T+1:48-Marke freigegeben werden, während der Kern und sein LE-7A-Triebwerk, das flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff als Treibstoffe verwendet, bis etwa T+6:35 in Betrieb sein werden.

Nach der Stufentrennung würde die zweite Stufe, ausgestattet mit einem LE-5B-Triebwerk und mit der gleichen Treibstoffkombination wie die LE-7A, bis etwa 15 Minuten nach dem Start brennen. Die beiden Nutzlasten werden irgendwann nach dem Abschalten des Motors der Bühne getrennt.

Das Röntgenobservatorium XRISM soll in eine 550 Kilometer lange kreisförmige erdnahe Umlaufbahn mit einer Neigung von 31 Grad zum Äquator gebracht werden. Der SLIM-Mondlander wird ebenfalls in der gleichen Umlaufbahn platziert, nutzt aber seine eigenen Triebwerke, um zum Mond zu gelangen.

XRISMUS

Die Hauptnutzlast dieses Fluges ist das XRISM – das Observatorium ist eine Ersatzmission, die 2016 nach dem Ausfall des Röntgenobservatoriums Hitomi wenige Wochen nach Erreichen der Umlaufbahn gestartet wurde. Hitomi befand sich in der Inbetriebnahmephase und hatte einige Testbeobachtungen gemacht, als falsche Informationen von einem Sensor und Softwareprobleme dazu führten, dass sich das Raumschiff im Orbit drehte und auseinanderbrach.

Künstlerische Darstellung des Röntgenobservatoriums XRISM im Orbit. (Quelle: JAXA)

Das Scheitern von Hitomi hätte dazu führen können, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft für einen langen Zeitraum von Anfang der 2020er bis Ende der 2030er Jahre kein Röntgenobservatorium im Orbit hatte. JAXA startete das XRISM-Projekt im Juni 2016, drei Monate nach Hitomis Scheitern. NASA, ESA und große Universitäten auf drei Kontinenten arbeiten bei dem Projekt zusammen.

Röntgenastronomie wurde erst in den letzten 60 Jahren betrieben, da Röntgenstrahlen aus dem Weltraum durch die Erdatmosphäre gedämpft werden. Seit Jahrtausenden beobachtet die Menschheit den Himmel im sichtbaren Licht mit eigenen Augen und seit Jahrhunderten mit optischen Mitteln. Das Aufkommen der Raumfahrt hat die Beobachtung von Sternen, Galaxien und dem Hintergrund des Universums in Wellenlängen ermöglicht, die für Astronomen vor den 1960er Jahren unzugänglich waren.

Das elektromagnetische Spektrum. (Quelle: NASA)

Das erste japanische Röntgenobservatorium, Cygnus X-1, wurde 1979 in Betrieb genommen, und Japan hat eine Reihe von Röntgenteleskopen erfolgreich geflogen. XRISM wird sich anderen weltraumgestützten Observatorien wie dem Chandra-Röntgenobservatorium, XMM-Newton, NuSTAR und IXPE im Orbit anschließen. Diese Raumsonden beobachten alle das Universum im Röntgenspektrum, tun dies jedoch auf unterschiedliche Weise, die sich gegenseitig ergänzt.

Röntgenstrahlen werden von Objekten wie explodierenden Sternen, Schwarzen Löchern, Radiogalaxien, Pulsaren und anderen Hochenergiephänomenen erzeugt. Die wissenschaftlichen Ziele von XRISM bestehen darin, Galaxienhaufen zu untersuchen, wie sich die Struktur des Universums entwickelt, wie sich Materie im interstellaren Raum ausbreitet, wie Energie durch das Universum transportiert wird und wie sich Materie unter starken Gravitations- und Magnetfeldern verhält, die auf der Erde nicht erzeugt werden können.

Das Resolve-Instrument, eines von zwei wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von XRISM. (Quelle: Larry Gilbert/NASA)

Um diese Ziele zu erreichen, ist XRISM mit zwei Instrumenten ausgestattet, die beide an einer speziellen Röntgenspiegelbaugruppe befestigt sind. Das Resolve-Spektrometer ist für hochdetaillierte Messungen der Temperatur und Zusammensetzung eines Röntgenstrahlen emittierenden Objekts konzipiert und kann detaillierte Doppler-Messungen durchführen, um zu bestimmen, wie sich Objekte im Universum bewegen.

Um seine Beobachtungen durchführen zu können, muss Resolve auf -273,1 Grad Celsius gekühlt werden, was knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt. Dies geschieht mit einem Dewar-Gefäß, das mit superflüssigem Helium gefüllt ist. Das Instrument beobachtet „weiche“ Röntgenstrahlen, die längere Wellenlängen haben als „harte“ Röntgenstrahlen, für deren Beobachtung Raumfahrzeuge wie IXPE konzipiert sind.

Der Xtend-Röntgenbildgeber ist wie Resolve für die Beobachtung weicher Röntgenstrahlen konzipiert. Xtend verfügt über ein Sichtfeld, das den Vollmond einfangen und größere Himmelsobjekte abbilden kann. Das Instrument ähnelt dem, das auf Hitomi verwendet wurde.

Das Röntgenobservatorium XRISM wird Vibrationstests unterzogen. (Quelle: JAXA)

Die Raumsonde XRISM wiegt 2.300 Kilogramm, ist acht Meter lang und hat einen Durchmesser von drei Metern. Darüber hinaus werden sich die beiden Solarpaneele von Spitze zu Spitze neun Meter erstrecken. Nachdem das Raumschiff die Umlaufbahn erreicht hat, wird es eine kritische Betriebsphase geben, in der die Lagekontrollfähigkeit von XRISM getestet wird.

In einer Inbetriebnahmephase werden die Subsysteme des Raumfahrzeugs getestet und in einer siebenmonatigen Leistungsüberprüfungsphase werden die wissenschaftlichen Instrumente bewertet. Sobald dies abgeschlossen ist, beginnen die wissenschaftlichen Beobachtungen. Die Hauptmission ist auf zwei Jahre angelegt, eine Verlängerung der Mission wird geprüft.

Künstlerische Darstellung des SLIM-Mondlanders auf dem Mond. (Quelle: JAXA)

SCHLANK

Im Anschluss an die erfolgreiche Landung von Chandrayaan-3 wird Japan versuchen, sich den Vereinigten Staaten, der Sowjetunion, China und Indien in den Kreis der Nationen anzuschließen, die Sonden erfolgreich auf dem Mond gelandet haben. Der SLIM-Lander wird versuchen, dort erfolgreich zu sein, wo frühere japanische Landungsversuche mit den Missionen Hakuto-R und OMOTENASHI scheiterten.

SLIM ist die sekundäre Nutzlast auf diesem Flug. Das Projekt ist eine Weiterentwicklung des Landers SELENE-B, der um die Jahrhundertwende vorgeschlagen wurde, und SLIM wurde 2012 vorgeschlagen. Die kritische Designüberprüfung des Raumfahrzeugs erfolgte im Jahr 2019, und sein Starttermin verschob sich parallel zum Flug der XRISM-Nutzlast.

Der SLIM-Lander wiegt nach dem Betanken rund 700 Kilogramm und ist um einen über zwei Meter langen zylindrischen Treibstofftank herum gebaut, der hypergolische Treibstoffe enthält. Das Raumschiff ist mit zwei Haupttriebwerken mit einer Schubkraft von 500 Newton sowie zwölf Triebwerken mit einer Schubkraft von etwa 20 Newton ausgestattet.

Der SLIM-Mondlander wird vor seinem Flug einer Bearbeitung unterzogen. (Quelle: JAXA)

Die Raumsonde benötigt eine langsame, treibstoffeffiziente Flugbahn, die SLIM in etwa vier Monaten zum Mond bringen würde. Dies ähnelt dem HAKUTO-R-Lander und unterscheidet sich von größeren Landern wie den Raumsonden Chang'e oder Chandrayaan, die weniger Zeit brauchten, um den Mond zu erreichen.

Sobald SLIM die Mondumlaufbahn erreicht, wird es dort bis zu seinem Landeversuch etwa einen Monat verbringen. Im Gegensatz zur Chandrayaan-3-Mission ist SLIM nicht auf die Südpolarregion ausgerichtet. Der Landeplatz befindet sich in Mare Nectaris und liegt auf 13,3 Grad südlicher Breite und 25,2 Grad östlicher Länge an den Hängen des Shioli-Kraters.

Wenn die Deorbitverbrennung von SLIM abgeschlossen ist, wird es ein auf Gesichtserkennungstechnologie basierendes System verwenden, um autonom zu seinem Landeplatz zu navigieren. Die Raumsonde verfügt über eine Bordkarte mit Beobachtungsdaten des SELENE-Orbiters. Anhand dieser Daten vergleicht es die erkannten Geländemerkmale und ist mit einem Landeradar, einem Laserentfernungsmesser und einer Navigationskamera ausgestattet, um dem integrierten Computer wichtige Informationen zu liefern.

Ein Hauptziel von SLIM ist die Demonstration einer präzisen Landung bis auf 100 Meter Entfernung zum Ziel. Wenn diese Fähigkeit erreicht wird, könnten zukünftige Lander Orte erreichen, die derzeit nicht von Raumfahrzeugen besucht werden können. Derzeitige Möglichkeiten zur Mondlandung liegen in der Größenordnung von mindestens mehreren Kilometern der Landeellipse.

Der SLIM-Mondlander wechselt bei der Landung von der Vertikalen in die Horizontale. (Quelle: JAXA)

SLIM wird kurz vor der Landung in eine horizontale Position übergehen und mit fünf festen Landebeinen mit zerbrechlichen Aluminium-Stoßdämpfern auf der Mondoberfläche aufsetzen. Auf der den Landebeinen gegenüberliegenden Seite montierte Dünnschicht-Solarmodule liefern Strom, während ein S-Band-Kommunikationssystem SLIM mit der Erde verbindet.

Das Raumschiff ist mit einer Multiband-Spektralkamera ausgestattet, die die Zusammensetzung der Gesteine ​​rund um den Landeplatz messen soll. Man hofft, dass mineralogische Messungen den Wissenschaftlern dabei helfen können, die Entstehung des Mondes zu verstehen.

Die Sonden LEV-1 und LEV-2, die nach der Trennung von SLIM auf der Mondoberfläche arbeiten werden. (Quelle: JAXA)

Eine kleine Sonde namens Lunar Exploration Vehicle-1 soll sich kurz vor der Landung von SLIM trennen und den Standort fotografieren. SLIM führt außerdem den kugelförmigen Mini-Rover SORA-Q mit, auch bekannt als Lunar Exploration Vehicle-2, der von Tomy entworfen wurde, dem japanischen Spielzeughersteller, der die Transformers-Spielzeuge erfunden hat.

Darüber hinaus hat die NASA einen Spiegelreflektor bereitgestellt, der eine präzise Messung der Entfernung zwischen der Erde und dem Landeplatz ermöglicht, ähnlich wie an Bord von Chandrayaan-3 und den Apollo-Missionen.

Ein großes Ziel von SLIM besteht darin, den Betrieb bis zum Sonnenuntergang des Mondes durchzuführen. Das Mondtageslicht an einem bestimmten Ort dauert etwa 14 Erdentage, und sobald die Sonne untergeht, kann die Mondoberfläche eine Temperatur von minus 130 Grad Celsius erreichen.

Start von H-IIA F44. (Quelle: MHI Launch Services)

H-IIA-Ruhestand

Die H-II-Familie ist seit fast 30 Jahren Japans Arbeitstier-Trägerrakete. Der Erstflug der H-II fand 1994 statt, während die H-IIA erstmals 2001 flog, nachdem die H-II nach einem Startfehler im Jahr 1999 ausgemustert wurde.

Die H-IIB flog erstmals 2009 für HTV-Frachtschiffe zur ISS und flog zuletzt 2020. Insgesamt hat die H-II-Familie neben anderen Nutzlasten Kommunikations- und Wettersatelliten, Mond- und interplanetare Sonden sowie militärische Aufklärungssatelliten gestartet.

Die H-IIA ist das einzige noch aktive Fahrzeug der H-II-Raketenfamilie und wird voraussichtlich durch die H3 ersetzt. Der Erstflug der H3 im März dieses Jahres endete jedoch mit einem Misserfolg, und die zweite Stufe war an dem Misserfolg beteiligt. Die zweite Stufe des H3 ist der H-IIA sehr ähnlich, daher mussten häufige Fehlermodi behoben werden, bevor der XRISM/SLIM-Start fliegen konnte.

Darstellung der H3-Rakete im Flug mit zwei SRB-3-Boostern in ihrer H3-24-Konfiguration. (Quelle: Mack Crawford für NSF/L2)

Nach diesem Flug soll die H-IIA frühestens im Dezember 2023 den Treibhausgas-Überwachungssatelliten GOSAT-GW und frühestens im April 2024 die japanischen militärischen Aufklärungsraumsonden IGS-Optical 8 und IGS-Radar 8 fliegen. Wenn alles gut geht , beendete die H-IIA ihre Karriere mit 49 erfolgreichen Starts in 50 Versuchen, wobei der einzige Misserfolg im Jahr 2003 auf den Verlust eines SRB-Trennsystems zurückzuführen war.

Die H-IIA gehört neben der Ariane 5 zu den großen Trägerraketen, die 2023 ausgemustert werden. JAXA arbeitet daran, die H3 wieder flugbereit zu machen, der Zeitplan dafür ist derzeit nicht bekannt. Sobald die Probleme des H3 gelöst sind, wird er Japans Hauptträgerrakete für wichtige Missionen zur ISS, zu zivilen und militärischen Wetter-, Kommunikations- und Beobachtungssatelliten sowie zu zukünftigen Mond- und interplanetaren Flügen werden.

(Hauptbild: Eine H-IIA auf der LA-Y1-Startrampe in Tanegashima vor dem Start von Himawari-8. Bildnachweis: JAXA)