Sicherer Wiedereintritt in die Erdatmosphäre
Durch den Luftwiderstand wird die Geschwindigkeit verringert, auf welche die Wiedereintrittskapseln von Weltraummissionen durch die Erdanziehungskraft beschleunigt werden. Doch die Reibung, die durch die schnelle Bewegung der Kapseln Richtung Erde erzeugt wird, führt zu extrem hohen Temperaturen. Wenn die Kapsel mit Überschallgeschwindigkeit wieder in die Erdatmosphäre eintritt, setzt das sie umgebende, gegen die Raumfahrzeugoberfläche drückende Gas Wärme frei. Um zu verhindern, dass die Fahrzeuge wie auf die Erde stürzende Meteoriten verglühen, fliegen die Wiedereintrittskapseln rückwärts an die Erde heran, um sich so selbst auszubremsen und im richtigen Winkel in die Atmosphäre einzutreten. Sie müssen zudem die richtige Form und das richtige Außenmaterial besitzen. Der Hitzeschild, den das Raumfahrzeug zum unbeschadeten Wiedereintritt benötigt, hat zur Entwicklung mehrerer neuer Technologien beigetragen. Das EU-finanzierte Projekts 'Radiation-shapes thermal protection investigations for high-speed Earth re-entry' (RASTAS SPEAR) war darauf ausgerichtet, einige Schlüsseltechnologien zur technologischen Reife zu bringen. Die Initiative war auch darin erfolgreich, solide technologische Grundlagen zur Vorbereitung zukünftiger Missionen zur Probenbeschaffung zu legen. Darüber hinaus konnten die Projektergebnisse auch zur Konzipierung der von der Europäischen Weltraumorganisation geplanten MarcoPolo-R-Mission beitragen, die einen primitiven Asteroiden in Erdnähe zum Ziel hat. Um zu einem verbesserten Verständnis jener Phänomene zu gelangen, die für den Atmosphäreneintritt mit Überschallgeschwindigkeit eine Rolle spielen, haben die Mitarbeiter des RASTAS SPEAR-Projekts die Leistungskapazitäten und –grenzen der verfügbaren Testanlagen überprüft. Die Stoßwelle, die sich vor den Wiedereintrittskapseln bildet, ebenso wie der Gasstrom, der sie umgibt, können in Überschallgeschwindigkeits-Plasmawindkanälen nachgestellt werden. Gegenstand der Überprüfung waren sowohl die Betriebsweisen der vorhandenen Anlagen mit den angewandten Prüfungsmethoden als auch das gesamte zur Messung eingesetzte Instrumentarium. Auf Grundlage der bei diesen Vergleichen gewonnenen Ergebnisse entwarfen die RASTAS SPEAR-Projektpartner neue Ausrüstungsgeräte sowie neue Methoden zur Simulation der während des Wiedereintritts auftretenden Druckunterschiede. Zur Auswertung der Auswirkungen des Drucks auf das thermische Schutzsystem der Kapseln wurden theoretische Modelle auf Basis der numerischen Strömungsdynamik entwickelt. Die RASTAS SPEAR-Forscher kombinierten und prüften auch neue knautschfähige Materialien, die Aufprallkräfte absorbieren können, sowie Haftmittel, die es ermöglichen, verschiedene Teile des thermischen Schutzsystems zur Leistungssteigerung zu verbinden. Ein Demonstrationsmodell des bei Probenbeschaffungsmissionen eingesetzten Hitzeschilds wurde zur Prüfung in Plasmawindkanälen konstruiert. Die Tests wurden im Scirocco-Plasmawindkanal im italienischen Capua nahe Neapel durchgeführt, einer der wenigen Testanlagen ihrer Art weltweit. Das Demonstrationssystem erwies sich als funktionabel und konnte belegen, dass die mathematischen Modelle korrekt sind, was spannende neue Möglichkeiten zur Weltraumerforschung eröffnet.
Schlüsselbegriffe
Wiedereintrittskapsel, Planetenerforschung, Weltraummission, Atmosphäre, Plasmawindkanal, Hitzeschild, numerische Strömungsmechanik
