Wiedereintritt

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Der Vorgang des Wiedereintritts oder auch engl.: Reentry 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 einer bemannten Marsmission der ESA (Aurora-Programm) oder der NASA könnte sich dies in Zukunft ändern.

Technische Aspekte

Der Wiedereintritt geschieht zumeist bei sehr hohen Geschwindigkeiten (Überschall, Hyperschall und höher), bei der die kinetische Energie des Flugkörpers in thermische Energie (ugs. 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, Shenzhou), die den Wiedereintritt jeweils schadlos überstehen müssen, um die Astronauten nicht zu gefährden.

Jeder Start einer mehrstufigen Rakete hinterlässt ausgebrannte Oberstufen, die nach erfüllter Aufgabe in die Atmosphäre eintreten und teilweise verglühen. Ebenso werden (ausgediente) Satelliten bei einem kontrollierten Absturz durch die entstehende Wärme völlig oder zum größten Teil zerstört, um weiteren Weltraumschrott zu vermeiden. Die Eintrittsbahn wird so gewählt, 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 könnte nach dem Ende seiner Betriebszeit zum kontrollierten Absturz gebracht werden, da seine Bergung womöglich zu kostspielig werden würde.

Weitere Anwendungsgebiete sind Landungen von planetaren Sonden (Cassini-Huygens, Mars-Rover) und das so genannte Aerobraking oder Aerocapture.

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 unbeschädigt überstehen, so werden in der Regel bei wiederverwendbaren Raumschiffen hitzeresistente Materialien mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit wie Keramik verwendet, die für eine ausreichende Isolation sorgen. Außerdem 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 Kühlung durch einen ablativen Hitzeschild. Dabei schmelzen und verdampfen die als Hitzeschild verwendeten Werkstoffe und sorgen somit für eine ausreichende Kühlung der darunterliegenden Schichten. Ein ablativer Hitzeschild ist technisch einfacher und preisgünstiger als ein wiederverwendbarer Hitzeschild; bei entsprechender Auslegung sind (noch) höhere Eintrittsgeschwindigkeiten (mehr kinetische Energie, die umgewandelt werde muss) möglich. Soll ein ablativer Hitzeschild an einem wiederverwendbaren Raumschiff verwendet werden, so ist nach jedem Flug eine Erneuerung notwendig.

Eintrittswinkel und -geschwindigkeit des Flugkörpers müssen genau berechnet werden, wenn ein kontrollierter, gefahrloser Abstieg und eine Landung im vorgesehenen Landegebiet gewährleistet sein soll. 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 einem zu steilem Eintritt ist die thermische Belastung zu groß.

Durch den Einsatz von Hitzeschildern wird die Eintrittsgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs innerhalb kurzer Zeit wesentlich verringert. Durch die Reibung in der Luft entsteht Plasma, dass das Raumfahrzeug umhüllt und die Kommunikation mit der Erde für einige Minuten unmöglich macht. Ist die Geschwindigkeit wesentlich verringert worden, können entweder Fallschirme ausgefaltet (bei Raumkapseln) oder aerodynamische Eigenschaften eingesetzt werden (Flügel beim Space Shuttle, Lifting Body). Kurz vor dem Aufsetzen/Aufschlagen der Kapsel/des Raumschiffs können Bremsraketen gezündet werden, die für eine letzte Verringerung der Landegeschwindigkeit sorgen.

Eine weitere Möglichkeit sind Airbags, die kurz vor der Landung entfaltet werden und das Landegerät beim Aufprall schützen (Mars Exploration Rover). Diese Landemethode ist jedoch recht riskant und kann nur bei leichteren Raumfahrzeugen eingesetzt werden. So wählte die NASA für ihren nächsten Mars-Rover Mars Science Laboratory eine kontrollierte Landung mit Hilfe von Bremstriebwerken.

Berechnung der Flugbahn

Seit den Anfängen der Raumfahrt war es eine wichtige Aufgabe, den Wiedereintritt verlässlich vorauszuberechnen und insbesondere Zeit und Ort des Verglühens und der Landestelle zu bestimmen.

Die Schwierigkeiten dieser Berechnungen sind/waren unter anderem:

unzureichende Kenntnis der momentanen Luftdichte in den relevanten Teilen der Abstiegsbahn. Dieses Problem war um 1960 noch völlig ungelöst und hat zu Prognosefehlern von bis zu 2 Tagen geführt.
dabei ist insbesondere die stark veränderliche Ionosphäre ein die Genauigkeit begrenzender Faktor.
wechselnder Luftwiderstand des taumelnden und sich drehenden Flugkörpers - bis heute nicht völlig gelöst
Modellierung des Zerfallens des Flugkörpers (kleinere Teile werden stärker gebremst)
regionale Einflüsse der Sonnenstrahlung und der Sonnenaktivität

Bei schweren oder regelmäßig geformten Körpern sind die Berechnungen zuverlässiger als bei leichten Satelliten mit verschiedenen Auslegern. Einzelne Abstürze konnten bereits auf wenige Minuten, und die Spur auf einige km genau vorausberechnet werden.

Raumflugkörper, die eine Nutzlast wieder sicher landen sollen, sind daher entsprechend geformt. Die Rückkehrkapsel nimmt dadurch im Flug eine aerodynamisch stabile Lage ein, so dass der Flugkörper mit dem Hitzeschild voran in die Atmosphäre eintaucht (Sojus-Kapsel, Mecury-Kapsel).

Bis in die 1970er existierte ein eigenes Netz von visuellen Beobachtern namens Moonwatch, das von der SAO-Institution (USA) betreut wurde und weltweit einige hundert ehrenamtliche Teams umfasste. Die Unterstützung der Satellitenkameras (vor allem der Baker/Nunn-Stationen) durch relativ einfach ausgerüstete Amateurastronomen war notwendig, weil die Kameras trotz technischen Aufwands bei gewissen Bedingungen wenig ausrichten, in denen visuelle Beobachter wesentlich flexibler reagieren können.

Solche Problemfelder sind unter anderem

Messungen in der Dämmerung (Flugkörper nur dann noch im Sonnenlicht, doch lange Belichtungszeiten unmöglich)
sehr tiefliegende Flugbahnen
Ungenauigkeit der Vorausberechnungen knapp vor dem Wiedereintritt, was die Programmierung der Kameras erschwert.

Risiken

Generell sind der Start und die Landung eines (raketengetriebenen) Raumschiffs die kritischen Phasen des Fluges, für die eine erhöhte Unfallgefahr besteht.

Im Falle des US-amerikanischen Space Shuttle war bekannt, dass die verwendeten Keramikkacheln (aus denen das Hitzeschild des Shuttles besteht) zwar sehr hohe Temperaturen aushalten, 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 an den Vorderkanten der Tragflächen während der Mission zuvor nicht entdeckt worden waren, konnte beim Wiedereintritt das Plasma die tragende Aluminiumstruktur des Shuttles zerstören und es so zum Absturz bringen.

Rückführkapseln besitzen Fallschirme, die für die notwendige Abbremsung in der Erdatmosphäre sorgen. Versagen diese Systeme, so kann die Kapsel ebenfalls zu Schaden kommen. Jüngstes Beispiel ist die misslungene Landung der Genesis-Sonde der NASA. Ein weiteres bekanntes Beispiel ist die Landung der Sojus-1-Mission im Jahre 1967, als der Hauptfallschirm sich nicht öffnete und die Kapsel mit dem Kosmonauten Wladimir Komarow auf der Erde zerschellte.

Landungen auf dem Mars sind aufgrund der geringen Dichte der Mars-Atmosphäre schwieriger durchzuführen, so dass Landesonden mitunter mit zu hoher Geschwindigkeit auf der Oberfläche aufschlagen und beschädigt werden können. Aus dem gleichen Grund bestehen Begrenzungen in den Landehöhen auf der Marsoberfläche, so können derzeit Sonden nur in Höhen von unter 2 km gelandet werden, womit einige der interessanten Marsregionen nicht erreicht werden können. Dagegen sind die Landungen auf der Venus oder auf Titan aufgrund der dichten Atmosphäre wesentlich einfacher durchzuführen, allerdings birgt der hohe Druck und die hohe Temperatur der Venus-Atmosphäre eine weitere Gefahr für die Landefahrzeuge.

Siehe auch

Literatur

Hayes, Trackers of the Skies (Academic Press, 1975)
Moonwatch Newsletters 1965-1975 (SAO Moonwatch Center)
G.Seeber, Satellitengeodäsie (Wichmann-Verlag, engl.Aufl. 2000)

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