Astronauten ins All zu bringen stellt Ingenieure vor beispiellos schwierige Probleme. Obwohl sich das Raumfahrzeug während des Starts und der Dauer der Weltraumexposition bewährt hat, muss es immer noch eine der anspruchsvollsten Herausforderungen überhaupt bestehen: den Wiedereintritt. Am Ende einer Mission, Raumschiffe treten wieder in die Erdatmosphäre ein, wenn sie mehr als reisen.30.000 km/h. Die enorme Geschwindigkeit des Wiedereintrittsfahrzeugs komprimiert die Luft unten zu einem heißen Plasmaball, der das Raumfahrzeug umgibt. Um die Astronauten sicher nach Hause zu bringen, müssen sie vor der Hitze geschützt werden, die sie erreicht. Tausende Grad.
Die Gefahren des Wiedereintritts
Archäologen haben seit langem verstanden, dass Asteroiden verglühen, wenn sie durch die Atmosphäre fallen. Diese Tatsache hat Wissenschaftlern jahrzehntelang Angst eingeflößt, als sie sich über die Möglichkeit Gedanken machten, ein Fahrzeug zu entwickeln, das stark genug ist, um der gefährlichen Umgebung standzuhalten, die der Wiedereintritt schafft.
Eine der größten Herausforderungen für Luft- und Raumfahrtingenieure besteht darin, ein Wärmeschutzmaterial zu entwickeln, das auch bei hohen Temperaturen nicht beeinträchtigt wird.1.700 Grad Celsius.
Eine Vielzahl von Wärmeschutzsystemen TPS wird verwendet, um zu verhindern, dass Raumschiffe präventiv brennen. Der Hitzeschild ist die primäre Verteidigung eines Wiedereintrittsfahrzeugs gegen die starke Hitze, die beim Fallen durch die Atmosphäre erfahren wird.
Katastrophenschläge
Eine der hart erlernten Lektionen des Wiedereintritts war während des tödlichen Fluges der Columbia am 1. Februar 2003. Während des Starts riss ein großes Stück Schaumstoff von der Größe einer Aktentasche los und verursachte einige Schäden an einer Hitzeschildplatteauf dem linken Flügel. Die Mission verlief wie gewohnt, bis beim Wiedereintritt eine Katastrophe eintrat. Überhitztes Plasma drang in den kompromittierten Flügel ein und verbrannte schnell seine Struktur. Leider begann die Columbia unkontrollierbar zu stürzen, wodurch sie sich auflöste. Sieben Astronauten verloren an diesem Tag ihr Leben.
Der unglückliche Unfall würde die NASA jedoch zwingen, das Space Shuttle neu zu gestalten. Mehr als ein Jahrzehnt später setzt die NASA die gewonnenen Erkenntnisse auf ihrem neuen Schiff um.Orion.
Vorherige Technologien
Frühe bemannte Raumschiffe, darunter Merkur, Gemini und Apollo, konnten während des Wiedereintritts nicht manövriert werden. Die Raumkapseln waren ballistischen Wiedereintrittsbahnen gefolgt, bevor sie in den Ozean stürzten.
Große Hitzeschildeaus phenolischen Epoxidharzen in einer Nickellegierungswabenanordnung hergestellt schützte die Kapseln beim Wiedereintritt. Die Schilde konnten unglaublich hohen Heizraten standhalten, eine dringende Notwendigkeit bei Wiedereintrittsfahrzeugen.
Die Apollo-Mondmissionen stellten seit den Kapseln eine große technische Hürde dar, da sie vom Mond zurückkehrten und bei mehr als more in die Atmosphäre eintraten40.000 km/h. Der Hitzeschild war in der Lage, die Kohleschicht kontrolliert abzutragen oder zu verbrennen, um die darunter liegenden Schichten zu schützen. Obwohl der Hitzeschild effektiv war, gab es einige kritische Nachteile.
Die Schilde waren schwer und wurden direkt am Fahrzeug befestigt. Außerdem waren sie nicht wiederverwendbar.
Das vielleicht beeindruckendste Wärmeschutzsystem TPS gehört zu dem des Space-Shuttle-Orbiters. Das Space-Shuttle-Programm erforderte einen völlig neu gestalteten Hitzeschild. Mit einer unglaublich langen Lebensdauer von 100 Missionen, seine Isolierung musste nicht nur gut funktionieren, sondern auch wiederverwendbar sein. Sein technischer Erfolg wird die innovativen Technologien liefern, die dies ermöglichenübertragen in die nächste Generation von Weltraumprogrammen.
Das Wärmeschutzsystem des Space Shuttle
Im Weltraum würde der Orbiter die Welt umkreisen 90-Minuten. Die Zeit von Tag zu Nacht würde Temperaturschwankungen von -130 Grad Celsius bis fast 100 Grad Celsius aufweisen, geschweige denn die Temperaturen beim Wiedereintritt.
Obwohl es viele Materialien gibt, die haltbar genug sind, um den Kräften des Wiedereintritts standzuhalten, können nur wenige der Hitze standhalten. Während des Wiedereintritts des Orbiters erreichten seine Außenflächen extreme Temperaturen von bis zu 1.648 °C 3.000 °F.
Trotz der extremen Hitze, der das TPS ausgesetzt ist, arbeiten viele Systeme zusammen, um die Außenhaut des Orbiters unter zu halten176°C 350°F. Obwohl die externen Komponenten möglicherweise Hunderte von Grad überstehen, kann die Aluminium-Flugzeugzelle nur Temperaturen von bis zu a standhaltenmaximal 150°C. Temperaturen, die weit über dem Schwellenwert liegen, führen dazu, dass der Rahmen weich und kompromittiert wird. Die vorhandenen Wärmeschutzsysteme stellen sicher, dass die Flugzeugzelle die thermische Grenze nicht überschreitet.
Die Materialien, die verwendet werden, um den Orbiter kühl zu halten
Der erste funktionsfähige Orbiter der NASA, auch bekannt als Columbia, wurde aus vier Hauptmaterialien gebaut. Zu den Materialien gehören verstärkter Kohlenstoff-Kohlenstoff RCC, wiederverwendbare Nieder- und Hochtemperatur-Oberflächenisolierplatten LRSI bzw. HRSI undwiederverwendbare Oberflächenisolierungsdecken FRSI aus Filz.
Verschiedene Teile des Flugzeugs erfahren unterschiedliche Temperaturen und erfordern daher unterschiedliche Materialien. Die der Hitze am stärksten ausgesetzten Teile, einschließlich der Nase und der Unterseite des Orbiters, sind aus den wärmebeständigsten Materialien gefertigt. Die Vorderkanten erfordern eine zusätzlich verstärkte Carbon-Carbonbeschichtung auf den Hochtemperatur-Dämmplatten.
Andere Bereiche, einschließlich des größten Teils des Rumpfes, wurden mit fortschrittlichem flexiblem und wiederverwendbarem Material abgedecktIsolierdecken.
[Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA]
Alle Komponenten, die mit der Außenseite in Kontakt kommen, sind mit Beschichtungen mit hohem Emissionsvermögen versehen, um sicherzustellen, dass das Shuttle den größten Teil der thermischen Wärme reflektiert. Allerdings spielt auch der Farbunterschied eine wichtige Rolle.
Schwarze und weiße Fliesen haben zwar eine ähnliche Zusammensetzung, erfüllen aber beim Wiedereintritt unterschiedliche Aufgaben. Die weißen Fliesen auf der Oberseite des Materials behalten ein hohes thermisches Reflexionsvermögen eine Tendenz, minimale Wärme zu absorbieren. Die schwarzen Fliesen sind stattdessen für maximales optimiertEmissionsgrad, der es ihnen ermöglicht, Wärme schneller als weiße Fliesen zu verlieren.
Wie sie funktionieren
Die Kacheln, die beim Wiedereintritt einen Großteil der rohen Kraft aufnehmen, bestehen aus Silica-Aerogelen. Das Material auf der Unterseite des Orbiters bekannt als LI-900 ist 94 Volumenprozent LuftDadurch ist es unglaublich leicht. Die Fliesen wurden speziell entwickelt, um einem Temperaturschock standzuhalten. Ein LI-900 kann auf 1200 Grad erhitzt werden und dann in kaltes Wasser eintauchen, ohne Schaden zu nehmen. Die Optimierung der Fliesen mit geringer Dichte undhohe Stoßfestigkeit führen zu einem Kompromiss in der Gesamtfestigkeit.
Hochbelastete Bereiche erfordern ein robusteres Material; Bereiche mit hoher Belastung erfordern ein robusteres Material; ein Problem, das später durch das Material gelöst wird LI-2200. LI-2200-Fliesen sind modifiziert, um mehr Kraft zu widerstehen. Allerdings haben die stärkeren Fliesen auch ihre Nachteile. Eine LI-2200-Fliese wiegt 22 Pfund pro Kubikfuß Schüttdichte im Vergleich zum viel leichteren LI-900 mit einer Dichte von gerade mal 9 Pfund pro Kubikfuß.
Heute wieder die Atmosphäre betreten
Obwohl Astronauten den Mond seit einiger Zeit nicht mehr besucht haben und das Space-Shuttle-Programm inzwischen aufgegeben wurde, besuchen Astronauten routinemäßig die ISS, um Experimente und Reparaturen durchzuführen. Obwohl sich die Raumschiffe verändert haben, behalten die Technologien, die sie nach Hause bringen, diegleiche Prinzipien.
Orion-Raumschiff
Das aktuelle Magnum Opus der NASA ist ihre revolutionäre Orion-Raumsonde. Die NASA verspricht, dass die Raumsonde die Menschen weiter bringen wird als je zuvor, einschließlich des Mars. Obwohl die neue Raumsonde eine vollständige Überholung ihrer Wiedereintrittssysteme erforderte.
Während das Space Shuttle über bemerkenswerte TPS verfügt, haben die Ingenieure die Idee wiederverwendbarer Hitzeschilde zugunsten billiger, einfach herzustellender Einwegfliesen weitgehend aufgegeben.
Die Orion-Kapsel wird nicht wie einst das Space Shuttle hineingleiten. Stattdessen werden Fallschirme verwendet, um eine sichere Rückkehr zur Erde zu gewährleisten. Das Besatzungsmodul von Orion ist für einen Wiedereintritt mit Geschwindigkeiten von mehr als ausgelegt.40.000 km/h.
Wie der Orion den Wiedereintritt überlebt
Die große Oberfläche des Bodens der Kapsel wirkt, um die stumpfe Kraft aufzunehmen. Wie bei den Apollo-Wiedereintrittsfahrzeugen ist der Hitzeschild von Orion so konstruiert, dass er ablatiert kontrollierbare Verbrennung. Der Schild ist aerodynamisch genug, um eine stabile Flugbahn aufrechtzuerhalten, aber stumpf genug, um den Abstieg auf eine Geschwindigkeit von nur zu verlangsamen500km/h.
Nach Erreichen einer vernünftigen Geschwindigkeit verlangsamen mehrere kleine Fallschirme mit einem Durchmesser von knapp über 2 Metern das Flugzeug nur um 30 km/h. Von dort aus eine Reihe großer Fallschirme mit Durchmessern von 7 Meterwerden eingesetzt, um die Kapsel zu verlangsamen200km/h nur 3 Kilometer über der Erdoberfläche. Schließlich verlangsamen drei massive Hauptfallschirme mit einem Durchmesser von jeweils 35 Metern die Sinkgeschwindigkeit auf eine überlebensfähige Geschwindigkeit. Die Landung ist jedoch nicht schön.
Allerdings ist es die harte, entmutigende Arbeit, die Astronauten heute leisten, die die Menschheit zum nächsten großen Sprung bringen wird. Bald werden Missionen die Menschen weit außerhalb der Reichweite der Erde führen, um jenseitige Planeten zu erkunden.
Geschrieben von Maverick Baker