Wiedereintritt
| left|25px|Begriffsklärung | Dieser Artikel beschreibt den Wiedereintritt eines Raumfahrzeuges in die Atmosphäre eines Planeten, weitere Bedeutungen unter Wiedereintritt (Begriffsklärung) |
Der Vorgang des Wiedereintritts beschreibt die Rückkehr eines Raumfahrzeuges in die Atmosphäre eines Planeten (z.B. Erde, Mars) oder eines Mondes (z.B. Titan).
Bis heute wurde der Vorgang des Wiedereintritt eines bemannten Raumschiffs nur auf der Erde durchgeführt. Im Rahmen einer bemannten Marsmission der ESA (Aurora-Programm) oder der NASA könnte sich dies in Zukunft ändern.
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Technische Aspekte
Der Wiedereintritt geschieht zumeist bei sehr hohen Geschwindigkeiten (Überschall, Hyperschall und höher), bei der die kinetische Energie des Flugkörpers in thermische Energie (ugs. Wärmeenergie) umgewandelt wird (adiabatische Kompression).
Die diesem Vorgang ausgesetzen Raumfahrzeuge sind in ihrer äußeren Form und in ihrem Verwendungszweck sehr unterschiedlich.
Anwendungsgebiete
Ein prominentes Anwendungsgebiet in der bemannten Raumfahrt sind wiederverwendbare Raumfähren (bis jetzt nur vertreten durch das US-Amerikanische Space Shuttle), ebenso jegliche Rückführkapseln (Apollo, Sojus, Shenzhou), die den Wiedereintritt jeweils schadlos überstehen müssen, um die Astronauten nicht zu gefährden.
Jeder Start einer mehrstufigen Rakete hinterlässt ausgebrannte Oberstufen, die nach erfüllter Aufgabe in die Atmosphäre eintreten und teilweise verglühen. Ebenso werden (ausgediente) Satelliten bei einem kontrollierten Absturz durch die entstehende Wärme völlig oder zum größten Teil zerstört, um weiteren Weltraumschrott zu vermeiden. Die Eintrittsbahn wird so gewählt, dass große Teile, die den Wiedereintritt überstehen könnten, ins Meer stürzen. Spektakuläres Beispiel für einen solchen Vorgang war die russische MIR-Weltraumstation. Auch das Hubble-Weltraumteleskop könnte nach dem Ende seiner Betriebszeit zum kontrollierten Absturz gebracht werden, da seine Bergung womöglich zu kostspielig werden würde.
Weitere Anwendungsgebiete sind Landungen von planetaren Sonden (Cassini-Huygens, Mars-Rover) und das s.g. Aerobraking oder Aerocapture.
Bedingungen für einen sicheren Wiedereintritt von Raumfähren und Rückführkapseln
Es werden hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien und die Struktur der Raumschiffzelle gestellt. Die Temperatur an den Hitzeschilden erreicht bei Eintritt in die Erdatmosphäre mehr als Tausend Grad Celsius, außerdem wird die Fluggeschwindigkeit schnell verringert, so dass starke Verzögerungen auftreten.
Soll der Flugkörper die Wärmebelastung unbeschadet überstehen, so werden vorzugsweise hitzeresistente Materialien wie Keramik verwendet, die für eine ausreichende Isolation sorgen. Zusätzlich muss die Wärme wieder abgestrahlt werden; dafür eignen sich keramische Werkstoffe ebenso wie metallische. Möchte man Werkstoffe verwenden, deren Schmelzpunkt zu niedrig ist, so besteht die Möglichkeit der Ablations-Kühlung. Dabei verdampfen/schmelzen die als Hitzeschild verwendeten Werkstoffe und sorgen somit für eine ausreichende Kühlung der darunterliegenden Schichten. Allerdings muss nach jedem Flug der Schutzschild erneuert werden.
Eintritts-winkel und -Geschwindigkeit des Flugkörpers müssen genau berechnet werden, wenn ein kontrollierter, gefahrloser Abstieg und eine Landung im vorgesehenen Landegebiet gewährleistet sein soll. Der Eintrittswinkel liegt meist zwischen 6° und 7°. Bei zu flachem Eintritt verlässt das Raumfahrzeug die Atmosphäre wieder (nach jeder weiteren Erdumkreisung würde es zwar weiter abgebremst, das Zielgebiet wird jedoch so verfehlt), bei zu steilem Eintritt ist die thermische Belastung zu groß.
Durch den Einsatz von Hitzeschildern wird die Eintrittsgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs innerhalb kurzer Zeit wesentlich verringert. Durch die Reibung in der Luft entsteht Plasma, die das Raumfahrzeug umhüllt und die Kommunikation mit der Erde für einige Minuten unmöglich macht. Ist die Geschwindigkeit wesentlich verringert worden, können entweder Fallschirme ausgefaltet (bei Raumkapseln) oder aerodynamische Eigenschaften eingesetzt werden (Flügel beim Space Shuttle, Lifting Body). Kurz vor dem Aufsetzen/Aufschlagen der Kapsel/des Raumschiffs können Bremsraketen gezündet werden, die für eine letzte Verringerung der Landegeschwindigkeit sorgen.
Eine weitere Möglichkeit sind Airbags, die kurz vor der Landung entfaltet werden und das Landegerät beim Aufprall schützen (Mars Exploration Rover). Diese Landemethode ist jedoch recht riskant und kann nur bei leichteren Raumfahrzeugen eingesetzt werden. So wählte die NASA für ihren nächsten Mars-Rover Mars Science Laboratory eine kontrollierte Landung mit Hilfe von Bremstriebwerken.
Risiken
Generell ist der Start und die Landung eines (Raketen-getriebenen) Raumschiffs die kritische Phase des Fluges, in der eine erhöhte Unfallgefahr besteht.
Im Falle des US-Amerikanischen Space Shuttle war bekannt, dass die verwendeten Keramik-Kacheln (aus denen das Hitzeschild des Shuttles bestand) zwar etliche Hitzegrade vertragen, aber auf mechanische Einflüsse sehr empfindlich reagieren. Im Februar 2003 verglühte das Space Shuttle Columbia der NASA beim Wiedereintritt, weil beim Start des Shuttles einige Keramikkacheln an neuralgischen Punkten des Hitzeschildes beschädigt wurden. Da diese Beschädigungen vor der Rückkehr nicht repariert wurden, konnte beim Wiedereintritt Plasma die tragende Aluminiumstruktur des Shuttles zerstören und es so zum Absturz bringen.
Rückführkapseln besitzen Fallschirme, die für die notwendige Abbremsung in der Erdatmosphäre sorgen. Versagen diese Systeme, so kann die Kapsel ebenfalls zu Schaden kommen. Jüngstes Beispiel ist die misslungene Landung der Genesis-Sonde der NASA. Ein weiteres bekanntes Beispiel ist die Landung der Sojus-1 Mission im Jahre 1967, als der Hauptfallschirm sich nicht öffnete und die Kapsel mit dem Kosmonauten Wladimir Komarow auf der Erde zerschellte.
Landungen auf dem Mars sind aufgrund der geringen Dichte der Mars-Atmosphäre schwieriger durchzuführen, so dass Landesonden mitunter mit zu hoher Geschwindigkeit auf der Oberfläche aufschlagen und beschädigt werden können. Aus dem gleichen Grund bestehen Begrenzungen in den Landehöhen auf der Marsoberfläche, so können derzeit Sonden nur in Höhen von unter 2 km gelandet werden, womit einige der interessanten Marsregionen nicht erreicht werden können. Dagegen sind die Landungen auf der Venus oder auf Titan aufgrund der dichten Atmosphäre wesentlich einfacher durchzuführen, allerdings birgt der hohe Druck und die hohe Temperatur der Venus-Atmosphäre eine weitere Gefahr für die Landefahrzeuge.
Siehe auch: Katastrophen der Raumfahrt