Re-entry

Re-entry of the Hayabusa romfartøy over Australia (2010)

I romteknologi refererer gjeninntreden til den kritiske fasen av et rakets inntog i atmosfæren på planeten det tok av. Inntreden i atmosfæren av et annet himmellegeme er vanligvis ikke kalt re- entry, men kalles atmosfære oppføring . I det følgende er re-entry relatert til jorden.

Når den kommer inn igjen, reduserer atmosfæren raketten fra den typiske høye banehastigheten, og mye kinetisk energi omdannes til varme på kort tid . Objekter uten varmeskjold vil bli ødelagt. Det varme plasmaet som oppstår ved kompresjon av luften foran objektet og friksjonsvarmen , forstyrrer også en radioforbindelse ( blackout ). På grunn av dimensjonene og den relativt flate inngangen ble romfergene ikke helt innhyllet av plasmaet, noe som betyr at siden 1988 har en kontinuerlig radiokobling via TDRS vært mulig for dem å bruke S-båndet . I følge rakettligningen vil tidligere bremsing til en mindre kritisk hastighet kreve en stor mengde energi og dermed store drivstoffmasser. Så langt har dette utelukket en slik prosedyre.

Begrepet brukes ikke bare for bemannede romfartøyer , men også for romprober , stridshoder av ICBM , kapsler med prøvemateriale, samt for gjenstander som kan eller burde brenne opp , for eksempel utbrente rakettstadier eller nedlagte satellitter. Ofte er gjenstanden i bane på forhånd, og nedstigningen begynner med tenningen av bremsen mot flyretningen. Gjeninnføringen inkluderer ikke de senere fasene av nedstigningen, hvor den termiske belastningen er lav. Av samme grunn brukes ikke begrepet om gjenstander som bare har nådd en liten brøkdel av banehastigheten.

Eksempler

I bemannet romfart er det returkapsler ( Apollo , Soyuz , Shenzhou ) eller gjenbrukbare romferger (f.eks. Romferger ) som må overleve gjeninnreise uten skade for ikke å true astronautene. Med MOOSE er det utviklet et spesielt lite og lett re-entry system for å redde astronauter i en nødsituasjon.

Hver lansering av en flertrinns rakett etterlater utbrente øvre stadier, som etter at oppgaven er fullført, kommer inn i atmosfæren og delvis brenner opp. Likeledes, (avlagt) satellittene blir fullstendig eller i stor grad ødelagt i en kontrollert krasj, for å unngå ytterligere plass rusk. Innfartsstien velges slik at store deler som kan overleve gjeninngang faller i sjøen. Spektakulært eksempel på en slik operasjon var den russiske Mir - Space Station . The Hubble Space Telescope kan også bli brakt til en kontrollert krasj etter slutten av sin levetid, siden utvinning ikke lenger vises i NASA 's planer på grunn av krasj av romfergen Columbia , og det ville bli for kostbart på annen måte.

Når det gjelder prober som ikke kommer inn i samme atmosfære som i starten, snakker vi ikke om en gjeninnføring, men om en atmosfæreoppføring. Disse inkluderer landinger av planetprober ( Cassini-Huygens , Mars-Rover ) og den såkalte atmosfærebremsing eller atmosfærefangst .

Stridshodene til interkontinentale ballistiske missiler (ICBM) eller ballistiske missiler lansert av ubåter (SLBM) , som beveger seg over store områder i rommet og deretter - beskyttet av et kjøretøy som kommer tilbake - kommer inn i atmosfæren i høy hastighet, kommer også inn igjen.

Betingelser for sikker gjeninntreden

Som innfallsvinkel der det er rom , refereres vinkelen til, blant annet et romfartøy i forhold til det horisontale i de tettere lagene i atmosfæren til et himmellegeme . Høyden på dette punktet bestemmes vilkårlig. For eksempel spesifiserer NASA en høyde på 400.000 fot (ca. 122 km) for å komme inn i jordens atmosfære (inngangsgrensesnitt).

Når det kommer inn igjen, stilles det høye krav til materialene som brukes og strukturen til romskipcellen. Temperaturen på varmeskjoldene når mer enn tusen grader Celsius når den kommer inn i jordens atmosfære, og lufthastigheten reduseres raskt, slik at det oppstår alvorlige forsinkelser.

Hvis missilet skal tåle varmebelastningen uskadet, brukes vanligvis varmebestandige materialer med lav varmeledningsevne som keramikk i varmebeskyttende fliser i gjenbrukbare romskip , som sikrer tilstrekkelig isolasjon. I tillegg må varmen utstråles igjen; Keramiske materialer er like passende for dette som metalliske materialer. Ved å bruke materialer med lavt smeltepunkt er det mulig å bruke et ablativt varmeskjold for kjøling . Det materialet som brukes i varmeskjold sublimerer eller pyrolyserer . Det resulterende relativt kule grenselaget isolerer lagene under og transporterer en stor del av varmen bort. Et ablativt varmeskjold er teknisk enklere og billigere enn et gjenbrukbart varmeskjold; Med passende design er (enda) høyere inngangshastigheter (mer kinetisk energi som må konverteres) mulig. Hvis et ablativt varmeskjerm skal brukes på et gjenbrukbart romskip, må det skiftes ut etter hver flytur.

Inngangsvinkel og hastighet av prosjektilet må være nøyaktig beregnes dersom en kontrollert og sikker nedstigning og landing på den tilsiktede landingsområdet er å være garantert. Inngangsvinkelen er vanligvis mellom 6 ° og 7 °. Hvis inngangen er for grunne, forlater romfartøyet atmosfæren igjen (etter hver ytterligere inngang i atmosfæren vil det bli redusert ytterligere, men målområdet vil bli savnet), hvis inngangen er for bratt, vil den termiske belastningen og retardasjonen av romfartøyet er for flott. Da Apollo- romfartøyet kom inn igjen etter retur fra månen, var inngangsvinkelen ideelt 6,5 °, med en toleranse på pluss / minus 0,5 °.

Beregning av flystien

Siden begynnelsen av romfarten har det vært en viktig oppgave å pålitelig beregne gjeninntredelsen og spesielt å bestemme tidspunktet og stedet for oppbrenningen eller landingsstedet. Avhengig av hvordan det kommer til re-entry, oppstår eller oppstår forskjellige vanskeligheter. De Apollo plass Kapslene hadde ikke noe brennstoff til avta før re-går inn i en lav bane , som da ville ha blitt nøyaktig målt. Bane-korreksjoner måtte gjøres på lang avstand før kommandomodulkapselen ble kuttet av og måtte utføres med svært høy presisjon for de aktuelle forholdene.

Når du kommer ned fra en lav bane, må det være mulig å måle bremsetenningen nøyaktig . For eksempel brukte den amerikanske romfergen de svake OMS-motorene for å redusere banehastigheten med 1% innen tre minutter. Denne delta v på bare 90 m / s er tilstrekkelig til å komme inn i atmosfæren på en elliptisk bane på den andre siden av jorden - igjen rotert i flygeretningen. Romglideren gir angrep og angrepsvinkel som løfter den opprinnelig brattere nedstigningen før den største belastningen oppstår . Kraftfordelingen blir mer kompakt når det gjelder tid, noe som reduserer varmeabsorpsjonen.

Spesielle vanskeligheter med å beregne veldig flate stier er / var blant andre:

  • utilstrekkelig kunnskap om dagens lufttetthet langs rullebanen. Dette problemet var fortsatt fullstendig løst rundt 1960 og har ført til prognosefeil på opptil 2 dager. Den ionosfæren også varierer regionalt med solens aktivitet .
  • skiftende luftmotstand fra det tumlende og roterende missilet - ikke helt løst den dag i dag
  • Modellering av oppløsningen av raketten (mindre deler blir bremset hardere)

For tunge eller regelmessig formede kropper er beregningene mer pålitelige enn for lette satellitter med forskjellige armer. Individuelle krasj kan beregnes til noen få minutter og banen til noen få kilometer.

Romfartøy som skal trygt lande en nyttelast igjen er derfor formet deretter. Returkapselen antar altså en aerodynamisk stabil posisjon under flyturen, slik at missilet med varmeskjoldet først dypper ned i atmosfæren ( Soyuz romskip , Mercury romskip ).

Fram til 1970-tallet var det et eget nettverk av visuelle observatører kalt Moonwatch , som ble overvåket av US Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) og besto av flere hundre frivillige lag over hele verden. Støtten fra satellittkameraene (spesielt Baker / Nunn- stasjonene) av relativt enkelt utstyrte amatørastronomer var nødvendig fordi kameraene til tross for den tekniske innsatsen ikke siktet mye under visse forhold der visuelle observatører kan reagere mye mer fleksibelt.

Slike problemområder er blant andre

  • Målinger i skumring (raketter bare i sollys, men lang eksponeringstid umulig)
  • veldig dype baner
  • Unøyaktighet i prognosen rett før re-entry, noe som gjør det vanskelig å programmere kameraene.

Risiko

Generelt er start og landing av et (rakettdrevet) romskip de kritiske fasene av flyturen som det er økt risiko for ulykker.

Når det gjelder den amerikanske romfergen, er det kjent at varmebeskyttelsessystemet som brukes (hovedsakelig bestående av forsterkede karbon-karbonpaneler og keramiske fliser) tåler svært høye temperaturer, men er veldig følsomt for mekanisk påvirkning. I februar 2003 brant NASAs Columbia Space Shuttle delvis opp da den reentrerte på slutten av STS-107- oppdraget fordi minst en av de hardest stressede delene av varmebeskyttelsessystemet på venstre vinges forkant ble skadet av et stykke skum på størrelse med en koffert. Siden denne skaden ikke ble oppdaget under oppdraget (noen advarsler fra NASA-ansatte ble ignorert eller bagatellisert av flykontrollen), kunne plasmaet som trengte inn i vingen, påvirke aluminiumsstrukturen i en slik grad at den venstre overflaten og deretter hele skyttelbussen ble ødelagt.

Landinger på Mars er vanskeligere å utføre på grunn av Mars-atmosfæreens lave tetthet, slik at landingssonder noen ganger kan treffe overflaten i for høy hastighet og bli skadet. Av samme grunn er det begrensninger i landingshøydene på Mars-overflaten, så for tiden kan sonder bare landes i høyder under 2 km, noe som betyr at noen av de interessante Mars-områdene ikke kan nås. Landingene på Venus eller Titan er derimot mye lettere å utføre på grunn av den tette atmosfæren, men høyt trykk og den høye temperaturen i Venus-atmosfæren utgjør en ytterligere fare for landingsbilene.

Se også

litteratur

weblenker

Commons : re-entry  - samling av bilder, videoer og lydfiler

Individuelle bevis

  1. ^ David J. Shayler: Vekk fra jorden . I: Space Rescue. Sikre sikkerheten til bemannet romfart. Springer Praxis , Berlin / Heidelberg / New York 2009, ISBN 978-0-387-69905-9 , pp. 261-262 , doi : 10.1007 / 978-0-387-73996-0_7 .