Wiedereintrittskapsel - Reentry capsule

Das Kommandomodul von Apollo 17 spritzt im Pazifischen Ozean .

Sojus TMA Wiedereintrittskapsel nach der Landung, 2005

Eine Wiedereintrittskapsel ist der Teil einer Raumkapsel, der nach einem Weltraumflug zur Erde zurückkehrt. Die Form wird teilweise durch die Aerodynamik bestimmt ; eine Kapsel ist aerodynamisch stabil, das stumpfe Ende zuerst fallend, wodurch nur das stumpfe Ende einen Hitzeschild für den atmosphärischen Eintritt benötigt . Eine bemannte Kapsel enthält die Instrumententafel des Raumfahrzeugs, begrenzten Stauraum und Sitze für Besatzungsmitglieder. Da eine Kapselform wenig aerodynamischen Auftrieb hat , erfolgt der endgültige Abstieg über einen Fallschirm , der entweder an Land, auf See oder durch aktives Einfangen durch ein Flugzeug zur Ruhe kommt. Im Gegensatz dazu versucht die Entwicklung von Raumflugzeug- Wiedereintrittsfahrzeugen, ein flexibleres Wiedereintrittsprofil bereitzustellen.

Struktur

Grafik des Apollo-Kommandomoduls, das mit dem stumpfen Ende des Hitzeschildes in einem Anstellwinkel ungleich Null fliegt , um einen Hebeeingang zu schaffen und den Landeplatz zu kontrollieren

Wiedereintrittskapseln waren aufgrund der aerodynamischen Anforderungen der Trägerrakete typischerweise kleiner als 5 Meter (16 Fuß) im Durchmesser . Das Kapseldesign ist sowohl volumetrisch effizient als auch strukturell stark, so dass es typischerweise möglich ist, kleine Kapseln mit einer Leistung vergleichbar mit Hubkörper- oder Raumflugzeugdesigns in allen außer Hub-zu-Widerstand-Verhältnis zu geringeren Kosten zu konstruieren . Die Sojus-Raumsonde ist ein Beispiel. Die meisten Kapseln haben einen ablativen Hitzeschild für den Wiedereintritt verwendet und waren nicht wiederverwendbar. Das Orion Multi-Purpose Crew Vehicle scheint ab Dezember 2005 eine zehnmal wiederverwendbare Kapsel mit einem austauschbaren Hitzeschild zu verwenden. Bei der Verwendung von Hochtemperatur-Keramikfliesen oder Ultrahochtemperatur- Keramikplatten auf Wiedereintrittskapseln gibt es keine Grenzen, abgesehen von mangelnder technischer Erfahrung .

Materialien für die Kapsel werden auf unterschiedliche Weise gestaltet, wie die Apollo Befehlsmodul ‚s Aluminiumwabenstruktur . Aluminium ist sehr leicht und die Struktur verleiht der Kapsel zusätzliche Festigkeit. Das frühe Raumschiff hatte eine Glasbeschichtung, die mit Kunstharz eingebettet war und sehr hohen Temperaturen ausgesetzt war. Kohlefaser , verstärkte Kunststoffe und Keramik sind neue Materialien, die für den Einsatz in der Weltraumforschung ständig verbessert werden.

Wiedereintritt

Die meisten Wiedereintrittskapseln haben einen ablativen Hitzeschild für den Wiedereintritt verwendet und waren nicht wiederverwendbar. Das frühe Raumschiff hatte eine Glasbeschichtung, die mit Kunstharz eingebettet war und sehr hohen Temperaturen ausgesetzt war.

Wiedereintrittskapseln eignen sich gut für Wiedereintritte mit hoher Energie. Die Kapseln werden am hinteren Ende zuerst mit den Insassen im Liegen wieder eingeführt, da dies die optimale Position für den menschlichen Körper ist, um den beim Aufprall der Kapsel auf die Atmosphäre induzierten g-Kräften standzuhalten. Die abgerundete Form (stumpfer Körper) einer Kapsel bildet eine Stoßwelle, die den größten Teil der Hitze vom Hitzeschild fernhält, dennoch ist ein Wärmeschutzsystem erforderlich. Die Raumkapsel muss stark genug sein, um Wiedereintrittskräften wie Widerstand zu widerstehen , und muss mit einem genauen Anstellwinkel wieder eintreten, um ein Abspringen der Oberfläche der Atmosphäre oder zerstörerische hohe Beschleunigungen zu verhindern.

Wenn die Wiedereintrittskapsel durch die Atmosphäre gelangt, komprimiert die Kapsel die Luft vor ihr, die sich auf sehr hohe Temperaturen erwärmt. Die Oberflächentemperatur einer Kapsel kann 1.480 °C (2.700 °F) erreichen, wenn sie durch die Erdatmosphäre absinkt. Um zu verhindern, dass diese Hitze innere Strukturen erreicht, sind Kapseln typischerweise mit einem ablativen Hitzeschild ausgestattet , der schmilzt und dann verdampft und die Hitze abführt.

Das Apollo-Kommandomodul trat mit einem von der Mittellinie versetzten Massenmittelpunkt wieder ein ; Dies führte dazu, dass die Kapsel durch die Luft eine abgewinkelte Position einnahm und einen Auftrieb bereitstellte, der zur Richtungssteuerung verwendet werden konnte. Reaktionssteuersystem- Triebwerke wurden verwendet, um die Kapsel durch Drehen des Auftriebsvektors zu steuern.

Für den letzten Abstieg werden Fallschirme verwendet, die manchmal durch Bremsraketen ergänzt werden, wenn die Kapsel auf der Erdoberfläche landen soll. Beispiele für Landekapseln sind Vostok, Voskhod, Sojus, Shenzhou und die Boeing CST-100 Starliner . Andere Kapseln wie Mercury, Gemini, Apollo, Orion und Dragon spritzen im Ozean.

Aerodynamische Heizung

Kapseln sind gut geeignet für Hochtemperatur- und dynamische Belastungswiedereintritte. Während Deltaflügel-Segelflugzeuge wie das Space Shuttle aus der niedrigen Erdumlaufbahn wieder eintreten können und Auftriebskörper sogar bis zum Mond eintreten können , findet man selten Konstruktionen für Wiedereintrittsfahrzeuge vom Mars , die keine Kapseln sind. Das aktuelle RKK Energia- Design für den Kliper , der Flüge zum Mars ermöglicht, ist eine Ausnahme.

Ingenieure, die eine Wiedereintrittskapsel bauen, müssen Kräfte wie Schwerkraft und Widerstand berücksichtigen. Die Kapsel muss stark genug sein, um schnell abzubremsen, extrem hohe oder tiefe Temperaturen aushalten und die Landung überstehen. Wenn sich die Kapsel der Oberfläche eines Planeten oder Mondes nähert, muss sie sehr genau verlangsamen. Wenn es zu schnell verlangsamt, wird alles in der Kapsel zerkleinert. Wenn es nicht schnell genug verlangsamt, stürzt es auf die Oberfläche und wird zerstört. Es gibt zusätzliche Anforderungen für den atmosphärischen Wiedereintritt. Wenn der Anstellwinkel zu flach ist, kann die Kapsel von der Oberfläche der Atmosphäre abspringen. Bei zu steilen Anstellwinkeln können die Verzögerungskräfte zu hoch sein oder die Wiedereintrittswärme die Toleranzen des Hitzeschildes überschreiten.

Die Kapseln werden am hinteren Ende zuerst mit den Insassen im Liegen wieder eingefahren, da dies die optimale Position für den menschlichen Körper ist, um der abbremsenden g-Kraft standzuhalten. Das hintere Ende ist abgerundet (stumpfer Körper), da dadurch eine Stoßwelle entsteht, die die Kapsel nicht berührt und die Wärme abgelenkt wird, anstatt das Fahrzeug zu schmelzen.

Das Apollo Command Module trat mit einem von der Mittellinie versetzten Massenschwerpunkt wieder ein ; Dies führte dazu, dass die Kapsel durch die Luft eine abgewinkelte Position einnahm und einen seitlichen Auftrieb zur Richtungssteuerung bereitstellte. Rotationstriebwerke wurden verwendet, um die Kapsel entweder unter automatischer oder manueller Steuerung durch Ändern des Auftriebsvektors zu steuern.

In niedrigeren Höhen und Geschwindigkeiten werden Fallschirme verwendet, um die Kapsel zu verlangsamen, indem sie mehr Widerstand erzeugen.

Kapseln müssen auch dem Aufprall standhalten, wenn sie die Erdoberfläche erreichen. Alle US-Kapseln mit Besatzung (Mercury, Gemini, Apollo) würden auf dem Wasser landen; die sowjetisch-russischen Sojus- und chinesischen Shenzhou- (und geplanten US-, russischen, indischen) bemannten Kapseln verwenden kleine Raketen, um an Land zu landen. In der leichteren Schwerkraft des Mars reichten Airbags aus, um einige der Robotermissionen sicher zu landen.

Schwerkraft, Ziehen und Heben

Zwei der größten äußeren Kräfte, denen eine Wiedereintrittskapsel ausgesetzt ist, sind die Schwerkraft und der Widerstand .

Widerstand ist der Widerstand der Kapsel, sich durch die Luft zu bewegen . Luft ist ein Gemisch verschiedener Moleküle , darunter Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid. Alles, was durch die Luft fällt, trifft auf diese Moleküle und verlangsamt sich daher. Der Luftwiderstand einer Kapsel hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Dichte der Luft und der Form, Masse, Durchmesser und Rauheit der Kapsel. Die Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs hängt stark von der kombinierten Wirkung der beiden Kräfte ab – der Schwerkraft, die eine Rakete beschleunigen kann, und des Widerstands, der die Rakete verlangsamt. Kapseln, die in die Erdatmosphäre eintreten, werden erheblich verlangsamt, weil unsere Atmosphäre so dick ist.

Wenn die Kapsel durch die Atmosphäre gelangt, komprimiert sie die Luft vor ihr, die sich auf sehr hohe Temperaturen erwärmt (entgegen der landläufigen Meinung ist Reibung nicht signifikant).

Ein gutes Beispiel dafür ist eine Sternschnuppe . Eine Sternschnuppe, die normalerweise winzig ist, erzeugt so viel Wärme, die durch die Atmosphäre kommt, dass die Luft um den Meteoriten weiß heiß glüht. Wenn also ein riesiges Objekt wie eine Kapsel durchkommt, wird noch mehr Wärme erzeugt.

Wenn die Kapsel langsamer wird, erzeugt die Kompression der Luftmoleküle, die auf die Kapseloberfläche treffen, viel Wärme. Die Oberfläche einer Kapsel kann 1480 ° C (2700 F) erreichen, wenn sie durch die Erdatmosphäre absinkt. Diese ganze Hitze muss abgeführt werden. Wiedereintrittskapseln sind typischerweise mit einem Material beschichtet, das schmilzt und dann verdampft ("Ablation"). Es mag kontraproduktiv erscheinen, aber die Verdampfung entzieht der Kapsel Wärme. Dies verhindert, dass die Wiedereintrittswärme in die Kapsel gelangt. Kapseln erfahren ein intensiveres Heizregime als Raumflugzeuge und Keramiken, wie sie im Space Shuttle verwendet werden, sind normalerweise weniger geeignet, und alle Kapseln haben Ablation verwendet.

In der Praxis erzeugen Kapseln eine signifikante und nützliche Menge an Auftrieb. Dieser Hub wird verwendet, um die Flugbahn der Kapsel zu steuern, wodurch weniger g-Kräfte auf die Besatzung ausgeübt werden und die Spitzenwärmeübertragung in die Kapsel reduziert wird. Je länger das Fahrzeug in großer Höhe verbringt, desto dünner wird die Luft und desto weniger Wärme wird geleitet. Zum Beispiel hatte der Apollo CM ein Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand von etwa 0,35. Ohne jeglichen Auftrieb wäre die Apollo-Kapsel einer Verzögerung von etwa 20 g ausgesetzt gewesen (8 g für Raumschiffe mit niedriger Erdumlaufbahn), aber durch die Verwendung von Auftrieb wurde die Flugbahn auf etwa 4 g gehalten.

Aktuelle Designs

Shenzhou

Die Wiedereintrittskapsel ist das „mittlere“ Modul der dreiteiligen Sojus- oder Shenzhou- Sonde – das Orbitalmodul befindet sich an der Vorderseite des Raumfahrzeugs, während das Service- oder Ausrüstungsmodul hinten angebracht ist. Ein Merkmal in dem Landesystem ermöglicht die Verwendung eines einzigen Fallschirms und „ Bremsrakete “, so dass das Hitzeschild von dem Raumfahrzeug ähnlich den Landung auf dem Sackentfaltungs US fällt gelassen wird Mercury Raumfahrzeuge. Wie das Kommandomodul des Apollo-Raumschiffs hat die Wiedereintrittskapsel von Shenzhou keine wiederverwendbaren Fähigkeiten; jedes Raumschiff wird einmal geflogen und dann "weggeworfen" (normalerweise an Museen geschickt).

Über die Shenzhou-Reentry-Kapsel sind nur wenige Details bekannt, außer dass sie eine Technologie aus dem Soyuz TM -Design verwendet. Das neue Sojus TMA-Raumschiff, das jetzt ausschließlich für Flüge der Internationalen Raumstation verwendet wird, hatte seine Liegen modifiziert, um größeren Besatzungsmitgliedern das Fliegen zu ermöglichen, und verfügt über eine " Glascockpit " -Technologie, die der des Space Shuttle und neueren kommerziellen und militärischen Flugzeugen ähnelt .

Sojus

Die ehemalige Sowjetunion erlitt zwei Katastrophen und eine Beinahe-Katastrophe, alle drei betrafen die Kapsel während des Verlassens der Umlaufbahn und des Wiedereintritts. Sojus 1 endete in einer Katastrophe, als die Fallschirme nicht ausgelöst wurden und die Kapsel mit einer Geschwindigkeit von über 300 mph (483 km/h) in die Erde einschlug, wobei der Kosmonaut Vladimir Komarov getötet wurde . Sojus 5 endete fast in einer Katastrophe, als die Wiedereintrittskapsel zuerst in die Atmosphärennase eindrang – zurückzuführen auf ein Versagen des Servicemoduls, sich ähnlich wie beim Flug Wostok 1 zu trennen . Zum Glück war das Servicemodul ausgebrannt und die Kapsel richtete sich wieder auf.

Sojus 11 endete 1971 in einer Katastrophe, als ein Ausgleichsventil, das zum Ausgleich des Luftdrucks während des letzten Abstiegs von Sojus verwendet wurde, im Vakuum des Weltraums vorzeitig öffnete und die drei Besatzungsmitglieder tötete, die keine Raumanzüge trugen . Bei den folgenden Flügen von Sojus 12 bis Sojus 40 wurde eine Zwei-Mann-Besatzung eingesetzt, da der dritte Sitzplatz für die Druckanzugkontrollen entfernt werden musste. Die Sojus-T- Version stellte den dritten Sitz wieder her.