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Planetenlandung in Vorbereitung

Obgleich der Eintritt eines Raumfahrzeugs in die Atmosphäre eines Planeten ein integraler Aspekt von Planetenerkundungsmissionen sein dürfte, weiß man hier noch eher wenig Genaues. Zur Simulation der Hitze, die entsteht, wenn ein Raumschiff in die Atmosphäre eines Planeten eintaucht, haben nun EU-finanzierte Wissenschaftler theoretische Modelle entwickelt und einen virtuellen Windkanal gebaut.

Industrielle Technologien

Jeder Planet und jeder Mond in unserem Sonnensystem hat andere Eigenschaften und hält andere Herausforderungen in Sachen Eintritt und Landemanöver bereit. Sämtliche Unterschiede in den Merkmalen der atmosphärischen Dichte spielen bei einer sicheren Annäherung an die Oberfläche eine Rolle. Und ohne erfolgreiche Landung gibt es keine Robotermission, selbst wenn dem Raumfahrzeug gelingt, den Zielplaneten zu erreichen. Ziel des EU-finanzierten Projekts "Planetary entry integrated models" (PHYS4ENTRY) war eine Erforschung der physikalischen Prozesse, die beim Überschalleintritt von Bedeutung sind. Tritt ein Raumfahrzeug in die Atmosphäre ein, bildet sich vor dem Bug eine Stoßwelle, in der sich das Gas in diesem Bereich auf eine sehr hohe Temperatur erwärmt. Taucht es immer tiefer in die Atmosphäre ein, wird das Raumfahrzeug von der umgebenden Atmosphäre aufgeheizt. Die PHYS4ENTRY-Wissenschaftler entwickelten theoretische Modelle, welche die elementaren Prozesse beschreiben, die in den gemischten Planetenatmosphären (Erde, Mars, Jupiter) von eher hohen Temperaturen ablaufen. Die Untersuchungen der expandierenden Eintrittsströmung konzentrierten sich auf Zusammenstöße zwischen Elektronen und Molekülen, Atom-Molekül- und Molekül-Molekül-Gasphasenkollisionen, Atom-Molekül-Oberflächen-Wechselwirkungen und photoneninduzierte Prozesse. Deren Einfluss auf die Gesamtwärmestromdichte an der Oberfläche des Raumfahrzeugs wurde anhand von CFD-Simulationen (numerische Strömungsmechanik, Computational Fluid Dynamics) geschätzt. Die Fähigkeit theoretischer Modelle zur Vorhersage der Nichtgleichgewichtskinetik der Mischung hoher Temperatur wurde im Vergleich mit experimentellen Messungen bewertet. Die expandierenden Strömungsbedingungen wurden im induktionsgekoppelten Plasmawindkanal des Von Karman Instituts für Strömungsmechanik (Von Karman Institute for Fluid Dynamics) in Belgien untersucht. Die PHYS4ENTRY-Datenbank enthält Elementarprozessraten und physikalische Eigenschaften der für Eintritt oder Wiedereintritt in die Atmosphären von Erde, Mars und Jupiter relevanten Spezies. Die öffentlich auf der Projekt-Website zur Verfügung stehende Datenbank wird zweifellos bedeutende Folgen für die Bemühungen um die Modellierung der Aerothermodynamik beim Eintritt bzw. Wiedereintritt haben. Mit der detaillierten Analyse der physikalischen Prozesse, die beim Eintritt eines Raumfahrzeugs in Planetenatmosphären ablaufen, konnten die PHYS4ENTRY-Wissenschaftler entscheidende Elemente der Modellierung von Flugbedingungen verbessern. Ihre Ergebnisse werden einen Beitrag zu wirkungsvolleren Hitzeschildkonstruktionen leisten und somit tiefgreifenden Einfluss auf den Erfolg von Planetenmissionen ausüben.

Schlüsselbegriffe

Planetenerkundung, Planetenerforschung, Windkanal, planetarer Eintritt, Planetenatmosphären, Hitzeschild

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