Luft- und Raumfahrt

Was verhindert, dass Raumschiffe beim Wiedereintritt verbrennen?

Was verhindert, dass Raumschiffe beim Wiedereintritt verbrennen?

Astronauten in den Weltraum zu bringen, fordert Ingenieure mit beispiellos schwierigen Problemen heraus. Obwohl das Raumschiff während des Starts und der Dauer der Weltraumbelichtung bewiesen wurde, muss es dennoch eine der anspruchsvollsten Herausforderungen von allen bestehen: den Wiedereintritt. Am Ende einer Mission treten Raumschiffe wieder in die Erdatmosphäre ein, wenn sie mehr als reisen30.000 km / h. Die enorme Geschwindigkeit des Wiedereintrittsfahrzeugs komprimiert die Luft darunter zu einem heißen Plasmakugel, der das Fahrzeug umgibt. Um die Astronauten sicher nach Hause zu bringen, müssen sie vor der Hitze geschützt werdenTausende von Grad.

Die Gefahren des Wiedereintritts

Archäologen haben lange verstanden, dass Asteroiden verbrennen, wenn sie durch die Atmosphäre fallen. Die Tatsache ließ Wissenschaftler jahrzehntelang Angst aufkommen, als sie sich über die Möglichkeit Gedanken machten, ein Fahrzeug zu konstruieren, das stark genug ist, um der gefährlichen Umgebung standzuhalten, die durch den Wiedereintritt entsteht.

Eine der größten Herausforderungen für Luft- und Raumfahrtingenieure ist die Entwicklung eines Wärmeschutzmaterials, das auch bei hohen Temperaturen nicht beeinträchtigt wird 1.700 Grad Celsius.

Eine Vielzahl von Wärmeschutzsystemen (TPS) wird eingesetzt, um zu verhindern, dass Raumschiffe vorbeugend brennen. Der Hitzeschild ist die Hauptverteidigung eines Wiedereintrittsfahrzeugs gegen die intensive Hitze, die beim Fallen durch die Atmosphäre auftritt.

Katastrophenfall

Eine der schwer zu erlernenden Lektionen beim Wiedereintritt war während des tödlichen Fluges Kolumbiens am 1. Februar 2003. Während des Starts riss sich ein großes Stück Schaumstoff von der Größe einer Aktentasche los und beschädigte eine Hitzeschildplatte am linker Flügel. Die Mission verlief wie gewohnt, bis beim Wiedereintritt eine Katastrophe eintrat. Überhitztes Plasma drang in den gefährdeten Flügel ein und verbrannte schnell seine Struktur. Leider begann die Columbia einen unkontrollierbaren Sturz, der dazu führte, dass sie sich auflöste. Sieben Astronauten kamen an diesem Tag ums Leben.

Der unglückliche Unfall würde die NASA jedoch zwingen, das Space Shuttle neu zu gestalten. Mehr als ein Jahrzehnt später setzt die NASA die auf ihrem neuen Schiff gewonnenen Erkenntnisse um.Orion.

Bisherige Technologien

Frühe bemannte Raumschiffe wie Merkur, Zwillinge und Apollo konnten beim Wiedereintritt nicht manövriert werden. Die Raumkapseln waren ballistischen Wiedereintrittspfaden gefolgt, bevor sie in den Ozean stürzten.

Große Hitzeschilde aus phenolischen Epoxidharzen in einer Wabenanordnung aus Nickellegierungen schützten die Kapseln beim Wiedereintritt. Die Schilde könnten unglaublich hohen Heizraten standhalten, was bei Wiedereintrittsfahrzeugen dringend erforderlich ist.

Die Apollo-Mondmissionen stellten seit den Kapseln eine große technische Hürde dar, da sie vom Mond zurückkehrten und mehr als in die Atmosphäre eintraten 40.000 km / h. Der Hitzeschild war in der Lage, die Verkohlungsschicht kontrollierbar abzutragen oder zu verbrennen, um die darunter liegenden Schichten zu schützen. Obwohl der Hitzeschild wirksam war, gab es einige kritische Nachteile.

Die Schilde waren schwer und direkt an das Fahrzeug gebunden. Darüber hinaus waren sie nicht wiederverwendbar.

Das vielleicht beeindruckendste Wärmeschutzsystem (TPS) gehört zum Space-Shuttle-Orbiter. Das Space-Shuttle-Programm erforderte einen komplett neu gestalteten Hitzeschild. Mit einer unglaublich langen Designlebensdauer von 100 MissionenDie Isolierung musste nicht nur eine gute Leistung erbringen, sondern auch wiederverwendbar sein. Der technische Erfolg wird die innovativen Technologien liefern, die in die nächste Generation von Weltraumprogrammen einfließen werden.

Das Wärmeschutzsystem des Space Shuttles

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 des Wiedereintritts.

Obwohl es viele Materialien gibt, die langlebig genug sind, um den Wiedereintrittskräften standzuhalten, können nicht viele der Hitze standhalten. Beim Wiedereintritt des Orbiters erreichten seine Außenflächen extreme Temperaturen von bis zu 1.648 ° C (3.000 ° F).

Trotz der extremen Hitze des TPS arbeiten viele Systeme zusammen, um die Außenhaut des Orbiters unter der Haut zu halten 176 ° C (350 ° F). Obwohl die externen Komponenten möglicherweise Hunderte von Grad überstehen können, kann die Aluminium-Flugzeugzelle nur Temperaturen von bis zu a standhalten maximal 150 ° C.. Temperaturen weit über dem Schwellenwert führen dazu, dass der Rahmen weich wird und dadurch beeinträchtigt wird. Die vorhandenen Wärmeschutzsysteme stellen sicher, dass die Flugzeugzelle die Wärmegrenze nicht überschreitet.

Die Materialien, die verwendet werden, um den Orbiter kühl zu halten

Der erste operationelle Orbiter der NASA, auch als Columbia bekannt, wurde aus vier Primärmaterialien hergestellt. Die Materialien umfassen verstärkte Kohlenstoff-Kohlenstoff- (RCC), wiederverwendbare Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Oberflächenisolationsfliesen (LRSI bzw. HRSI) und wiederverwendbare Filzdecken (FRSI) aus Filz.

Verschiedene Teile des Flugzeugs erfahren unterschiedliche Temperaturen und erfordern daher unterschiedliche Materialien. Die Teile, die am stärksten der Hitze ausgesetzt sind, einschließlich der Nase und der Unterseite des Orbiters, bestehen aus den thermisch beständigsten Materialien. Die Vorderkanten erfordern eine zusätzlich verstärkte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Beschichtung auf den Hochtemperatur-Isolierfliesen.

Andere Bereiche, einschließlich des größten Teils des Rumpfes, wurden mit fortschrittlichen flexiblen und wiederverwendbaren Bereichen abgedeckt Isolierdecken.

[Mit freundlicher Genehmigung von NASA]

Alle Komponenten, die mit der Außenseite in Kontakt kommen, sind mit hochemittierenden Beschichtungen versehen, um sicherzustellen, dass das Shuttle den größten Teil der thermischen Wärme reflektiert. Der Unterschied in der Farbe spielt jedoch auch eine entscheidende Rolle.

Schwarz-Weiß-Kacheln sind zwar ähnlich zusammengesetzt, erfüllen jedoch beim Wiedereintritt unterschiedliche Aufgaben. Die weißen Fliesen auf der Oberseite des Materials behalten ein hohes thermisches Reflexionsvermögen bei (eine Tendenz, minimale Wärme zu absorbieren). Die schwarzen Fliesen sind stattdessen für ein maximales Emissionsvermögen optimiert, wodurch sie schneller Wärme verlieren als weiße Fliesen.

Wie sie arbeiten

Die Fliesen, die beim Wiedereintritt einen Großteil der rohen Kraft beanspruchen, bestehen aus Silica-Aerogelen. Das auf der Unterseite des Orbiters verwendete Material (bekannt als LI-900) ist 94 Volumenprozent Luftmacht es unglaublich leicht. Die Fliesen sind speziell auf Wärmeschock ausgelegt. Ein LI-900 kann auf 1200 Grad erhitzt und dann in kaltes Wasser getaucht werden, ohne Schaden zu nehmen. Die Optimierung der Fliesen mit geringer Dichte und hoher Stoßfestigkeit führt jedoch zu einem Kompromiss bei der Gesamtfestigkeit.

Bereiche mit hoher Beanspruchung erfordern ein robusteres Material. Bereiche mit hoher Beanspruchung erfordern ein robusteres Material. ein Problem, das später durch das Material gelöst wurde LI-2200. LI-2200-Fliesen wurden modifiziert, um mehr Kraft auszuhalten. Die stärkeren Fliesen haben jedoch auch ihre Nachteile. Eine LI-2200 Fliese wiegt 22 Pfund pro Kubikfuß Schüttdichte im Vergleich zum viel leichteren LI-900 mit einer Dichte von nur 9 Pfund pro Kubikfuß.

Heute wieder in die Atmosphäre eintreten

Obwohl Astronauten den Mond seit einiger Zeit nicht mehr besucht haben und das Space-Shuttle-Programm inzwischen eingestellt wurde, besuchen Astronauten regelmäßig die ISS, um Experimente und Reparaturen durchzuführen. Obwohl sich die Raumschiffe geändert haben, behalten die Technologien, die sie nach Hause bringen, dieselben Prinzipien bei.

Orion Raumschiff

Das aktuelle Magnum-Opus der NASA ist ihr revolutionäres Orion-Raumschiff. Die NASA verspricht, dass das Raumschiff den Menschen weiter bringen wird als jemals zuvor, einschließlich des Mars. Das neue Raumschiff erforderte jedoch eine vollständige Überarbeitung seiner Wiedereintrittssysteme.

Während das Space Shuttle über bemerkenswerte TPS verfügt, haben die Ingenieure die Idee wiederverwendbarer Wärmeschilde weitgehend zugunsten billiger, leicht herstellbarer Einwegfliesen aufgegeben.

Die Orion-Kapsel gleitet nicht mehr wie früher das Space Shuttle hinein. Stattdessen werden Fallschirme verwendet, um eine sichere Rückkehr zur Erde zu gewährleisten. Das Crew-Modul von Orion ist für eine Wiedereintrittsgeschwindigkeit von mehr als ausgelegt40.000 km / h.

Wie der Orion den Wiedereintritt überlebt

Die große Oberfläche des Bodens der Kapsel nimmt die stumpfe Kraft auf. Wie die Apollo-Wiedereintrittsfahrzeuge ist auch 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 verlangsamen 500 km / h.

Nach Erreichen einer angemessenen Geschwindigkeit verlangsamen mehrere kleine Fallschirme mit einem Durchmesser von etwas mehr als 2 Metern das Flugzeug um nur 30 km / h. Von dort eine Reihe großer Fallschirme mit Durchmessern von7 Meterwerden eingesetzt, um die Kapsel zu verlangsamen 200 km / h gerade 3 Kilometer über der Erdoberfläche. Schließlich verlangsamen drei massive Hauptfallschirme mit einem Durchmesser von jeweils 35 Metern den Abstieg auf eine überlebensfähige Geschwindigkeit. Obwohl die Landung nicht schön ist.

Es ist jedoch die harte, entmutigende Arbeit, die Astronauten heute leisten, die die Menschheit voranbringen wird, um den nächsten großen Sprung zu machen. Bald werden Missionen Menschen weit außerhalb der Reichweite der Erde führen, um jenseitige Planeten zu erkunden.

Geschrieben von Maverick Baker

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