Wiedereintritt
Dieser Artikel beschreibt den Wiedereintritt eines Raumfahrzeuges in die Atmosphäre eines Planeten. Für andere Wiedereintritte siehe: Wiedereintritt (Begriffsklärung)
Der Vorgang des Wiedereintritts beschreibt die Rückkehr eines Raumfahrzeuges in die Atmosphäre eines Planeten (z.B. Erde, Mars) oder eines Mondes (z.B. Titan).
Bis heute wurde der Vorgang des Wiedereintritt eines bemannten Raumschiffs nur auf der Erde durchgeführt. Im Rahmen des Aurora-Programms der ESA oder der NASA könnte sich dies in Zukunft ändern: Ein bemannter Wiedereintritt in die Marsatmosphäre wäre eine Premiere.
Siehe auch: Bemannter Marsflug
Technische Aspekte
Der Wiedereintritt geschieht zumeist bei sehr hohen Geschwindigkeiten (Überschall und Hyperschall), bei der die kinetische Energie des Flugkörpers in thermische Energie (ugs. ungenau: "Wärmeenergie") umgewandelt wird (adiabatische Kompression).
Die diesem Vorgang ausgesetzen Raumfahrzeuge sind in ihrer äußeren Form und in ihrem Verwendungszweck sehr unterschiedlich.
Anwendungsgebiete
Ein prominentes Anwendungsgebiet in der bemannten Raumfahrt sind wiederverwendbare Raumfähren (bis jetzt nur vertreten durch das US-Amerikanische Space Shuttle), ebenso jegliche Rückführkapseln (Apollo, Sojus, Crew Return Vehicle).
Jeder Start einer mehrstufigen Rakete hinterlässt ausgebrannte Oberstufen, die bei entsprechender Flughöhe in der Atmosphäre verglühen oder ins Meer stürzen und wiederverwendet werden können. In die Kategorie der nur einmal verwendbaren Komponenten fällt außerdem das von der ESA entwickelte Automated Transfer Vehicle, eine unbemannte Versorgungseinheit, die nach Gebrauch verglühen soll.
Ebenso werden (ausgediente) Satelliten bei einem kontrollierten Absturz durch die entstehende Wärme völlig oder zum größten Teil zerstört, um weiteren Weltraumschrott zu vermeiden. Die Flugbahn wird so berechnet, dass große Teile, die den Wiedereintritt überstehen könnten, ins Meer stürzen.
Spektakuläres Beispiel für einen solchen Vorgang war die russische MIR-Weltraumstation. Auch das Hubble-Weltraumteleskop soll nach Ende seiner Betriebszeit zum kontrollierten Absturz gebracht werden, da eine Bergung des bekannten Teleskops (derzeit) zu kostspielig werden würde.
Weitere Anwendungsgebiete sind Landungen von planetaren Sonden (Cassini-Huygens, Mars-Rover) und das s.g. Aerobraking.
Bedingungen für einen sicheren Wiedereintritt von Raumfähren und Rückführkapseln
Es werden hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien und die Struktur der Raumschiffzelle gestellt. Die Temperatur an den Hitzeschilden erreicht bei Eintritt in die Erdatmosphäre mehr als Tausend Grad Celsius, außerdem wird die Fluggeschwindigkeit schnell verringert, so dass starke Verzögerungen auftreten.
Soll der Flugkörper die Wärmebelastung unbeschadet überstehen, so werden vorzugsweise hitzeresistente Materialien wie Keramik verwendet, die für eine ausreichende Isolation sorgen. Zusätzlich muss die Wärme wieder abgestrahlt werden; dafür eignen sich keramische Werkstoffe ebenso wie metallische. Möchte man Werkstoffe verwenden, deren Schmelzpunkt zu niedrig ist, so besteht die Möglichkeit der Ablations-Kühlung. Dabei verdampfen/schmelzen die als Hitzeschild verwendeten Werkstoffe und sorgen somit für eine ausreichende Kühlung der darunterliegenden Schichten. Allerdings muss nach jedem Flug der Schutzschild erneuert werden.
Der Eintritts-winkel und -Geschwindigkeit des Flugkörpers muss genau berechnet werden, wenn man einen kontrollierten, gefahrlosen Abstieg und eine Landung im vorgesehenen Landegebiet bekommen möchte. Der Eintrittswinkel liegt meist zwischen 6° und 7°. Bei zu flachem Eintritt verlässt das Raumfahrzeug die Atmosphäre wieder (nach jeder weiteren Erdumkreisung würde es zwar weiter abgebremst, das Zielgebiet wird jedoch so verfehlt), bei zu steilem Eintritt ist die thermische Belastung zu groß.
Kurz vor dem Aufsetzen/Aufschlagen der Kapsel/des Raumschiffs können Bremsraketen gezündet werden, die für eine letzte Verringerung der Geschwindigkeit sorgen. Dies ist allerdings nur bei (relativ) leichten Kapseln, Sonden und unbemannten Robotern rentabel und technisch sinnvoll.
Eine weitere Möglichkeit sind große Fallschirme, die zusammen mit Airbags das Landegerät schützen (Mars Exploration Rover).
Risiken
Generell ist der Start und die Landung eines (Raketen-getriebenen) Raumschiffs die kritische Phase des Fluges, in der eine erhöhte Unfallgefahr besteht.
Im Falle des US-Amerikanischen Space Shuttle war bekannt, dass die verwendeten Keramik-Kacheln (aus denen das Hitzeschild des Shuttles bestand) zwar etliche Hitzegrade vertragen, aber auf mechanische Einflüsse sehr empfindlich reagieren. Im Februar 2003 verglühte das Space Shuttle Columbia der NASA beim Wiedereintritt, weil beim Start des Shuttles einige Keramikkacheln an neuralgischen Punkten des Hitzeschildes beschädigt wurden. Da diese Beschädigungen vor der Rückkehr nicht repariert wurden, konnte beim Wiedereintritt Plasma die tragende Aluminiumstruktur des Shuttles zerstören und es so zum Absturz bringen.
Rückführkapseln besitzen meist Fallschirme, die für die notwendige Abbremsung kurz vor dem Aufsetzen auf die Erdoberffläche (oder Wasserung) sorgen. Versagen diese Systeme, so kann die Kapsel ebenfalls zu Schaden kommen. Jüngstes Beispiel ist die misslungene Landung der Genesis-Sonde der NASA.
Siehe auch: Katastrophen der Raumfahrt
Mögliche Zukünftige Verfahren
Soll die Phase des Wiedereintritts so gefahrlos wie möglich gestaltet werden, so könnte man beim Abstieg Bremstriebwerke zünden, die die Eintritts- und Sinkgeschwindigkeit des Flugkörpers so gering halten könnten, dass kein Hitzeschild erforderlich wäre. Dieses Prinzip scheitert heutzutage an den begrenzten Transportkapazitäten. Es ist nicht genug Raum vorhanden, um Bremstriebwerke einzubauen, außerdem würde die benötigte Treibstoffmenge die Nutzkapazität eines solchen Raumschiffes bei weitem übersteigen.