Wiedereintritt in die Atmosphäre

Was ist beim Wiedereintritt in die Atmosphäre besonders schwierig für eine Rakete oder einen Satelliten?

Dankee

Hallo,

schau mal, da gibt es einen guten Artikel der Deine Grundfrage befriedigen sollte: http://de.wikipedia.org/wiki/Wiedereintritt

Wenn Du eine speziellere Frage hast, kannst Du gerne nochmal nachfragen.

Gruß, Klaus

Der Thread eignet sich auch gut für eine Frage die ich habe:

Wir wissen, dass ein Wiedereintritt aus einer lunaren Bahn erheblich mehr Belastungen für das Raumfahrzeug hervorruft, als ein "normaler" Erdorbit. Demzufolge müssen die Hitzeschilde der lunaren Kapsel wiederstandsfähiger sein, als die einer orbitalen Kapsel.

Könnte man die Modifikationen einer lunaren Kapsel sich nicht sparen und aus dem lunaren Orbit zuerst in einem Erdorbit schwenken ("parken") und von dort dann den Re-Entry durchführen ?

Oder ist das auf Grund der nötigen Kräfte (benötigter Treibstoff für die Triebwerke) nicht sinnvoll/machbar?

Du hast es ja im Prinzip schon selbst beantwortet. Den benötigten Treibstoff für ein Einschwenken in einen Erdorbit aus einer lunaren Bahn müsste man zusätzlich bis zum Mond mitnehmen und von dort auch wieder zurück. Das wäre eine grobe Verschwendung von Masse und Energie und würde sich einfach nicht lohnen.

Hoila

Wie willst du die Verzögerung bewerkstelligen die notwendig ist um in den Erdorbit einzutreten?
Beim "Herunterfliegen" vom Mond (herunterfliegen passt gar nicht so schlecht, da man sich im Potentialtrichter nach unten bewegt) wird das Gefährt ja beschleunigt, so das du am Ende wieder ca. die Geschwindigkeit haben wirst, die bei der TLI aufgebaut wurde (aus der potentiellen Energie kann nur wieder kinetische werden).
Die wird immer wieder am einfachsten durch Wärme beim Wiedereintritt abgebaut.

Gruß

Ich glaube, dass wir heir eigendlich nur diese Disskusion weiterführen. Also...

_{Hm, wenn man den Eintrittswinkel zu flach wählt, "prallt" das Shuttle wieder von der Atmosphäre ab, wie ein flacher Stein, der flach ins Wasser geworfen wird und deswegen noch springt.
(Das Wort abprallen gefällt mir in diesem Zusammenhang nicht so recht)}

edit: Sorry, ich sollte genauer lesen - du meintest ja den Anstellwinkel und nicht den Eintrittswinkel...

Hm, wenn man den Eintrittswinkel zu flach wählt, "prallt" das Shuttle wieder von der Atmosphäre ab, wie ein flacher Stein, der flach ins Wasser geworfen wird und deswegen noch springt.
(Das Wort abprallen gefällt mir in diesem Zusammenhang nicht so recht)

Diesen Punkt will ich mal aufgreifen. Im Zusammenhang mit Apollo heißt es immer, wenn der Eintrittswinkel zu klein sei, würde die Apollokapsel an der Atmosphäre abprallen. Ist Abprallen hier ein legitimes Wort? Ich würde sagen, man fliegt einfach an der Erde vorbei und wird vielleicht ein wenig abgebremst wie beim Aerobraking.

Abprallen passt schon ganz gut. Auch wenn es so aussieht, als ob man an der Erde vorbeifliegt, kann man erkennen, dass man von der Atmosphäre sozusagen weggeschleudert wird. Die Flugbahn ist dabei sehr anders als die, die man ohne den Atmosphärenkontakt hat.

Diesen Abpralleffekt wollte man auch für einen Bomber nutzen, der keinen Orbit erreichen sollte. Auch daran sieht man, dass man nicht unbedingt von einem Orbit sprechen kann, der durch die Randzone der Atmosphäre führt, sondern von einer eigenständigen Flugbahn. (Projekt Silbervogel)

Bevor jemand auf die Idee kommt, damit Schritt für Schritt zu bremsen: Die thermischen Belastungen sind fast genauso groß, nur dass sie öfter auftreten, dafür kürzer. Die Gesamtsumme an Geschwindigkeit bleibt gleich, so dass man kaum Vorteile hätte, dafür aber eine sehr viel kompliziertere Flugbahn beim Wiedereintritt mit sehr viel längerer Flugdauer. Berechnungsfehler bezüglich der Landung potenzieren sich, so dass man absolut nicht sicher sein kann, wo man runterkommt (Atlantik oder doch Pazifik??? ) - das ist z.B. das Ziel des neuen Landesystems des PPTS, also gibt es für einen schrittweisen Eintritt keine sinnvolle Verwendung.

mfg websquid

Hallo ,

ich denke man muss beide Aussagen differenzieren.

Was Tobias meint, ist Aerobraking mit reinem Widerstand in den hohen Schichten der Atmosphäre. Dabei wird direkt (und ausschließlich) Orbitenergie vernichtet. Das wurde z.B am Mars gemacht. Der Orbiter hat sich danach immer noch in einem Orbit befunden, nur jedesmal mit kleinerer Halbachse. Für eine hyperbole Ankunft bedeutet dies im Allgemeinen, dass man die Atmosphäre streift, etwas gebremst wird und danach immer noch auf einer hyperbolen Bahn in die Unendlichkeit entschwindet (wenn man zu flach rein kommt). Damit ist man quasi an der Erde vorbei gefallen, ohne "Abprallen". In der kurzen Atmosphärenphase konnte man nicht genug Energie/Impuls abbauen.

Das Projekt "Silbervogel" beruht auf Auftrieb. Man prallt nicht wirklich ab, sondern man erzeugt aerodynamisch Auftrieb, der einen wieder anhebt (man gewinnt potentielle Energie auf Kosten der kinetischen). Das geht erst in den tieferen Schichten der Stratosphäre.

Was bei Apollo im Zweifelsfall gegolten hätte, weiß ich jetzt auch nicht. Der erste Fall ist bei zu flachem Winkel auf jeden Fall möglich (Vorbeiflug mit zu geringer Bremsung). Für den zweiten Fall reicht aus meiner Sicht der Auftrieb nicht aus, den die Kapsel erzeugen konnte.

technischer Post zu Zusammenführung

Ich habe die Wiederintrittsdiskussion aus dem Shuttlethread hierher verschoben.

Wär es nicht möglich das die Kapsel selbst beim vermeintlichen Vorbeiflug ganz leicht durch die Rest-Atmosphäre angehoben wird. Wenn auch nur Minimalst, egal, es wäre doch das Steinwurf/Wasser Prinzip egal wie stark die Ausprägung ist (solange > 0 )



Gruß, Klaus

Ich habe gerade die Eintrittsanalyse von Apollo 4 im Internet gefunden. Da sieht man im Diagramm, dass die Kapsel ca. 175000ft (53km) erreicht und dann so gesteuert wurde, dass sie Auftrieb erzeugt hat und wieder auf ca. 241000ft (74km) aufgestiegen ist. An diesem "unteren Umkehrpunkt" hatte man Mach 28 erreicht (ca. 11km/s), kurz vorher hatte man fast Mach 40. Am "oberen Umkehrpunkt" hatte man ca. Mach 23 (6,4km/s).

Also "Aufsteigen" geht natürlich. Nur die Höhen, in denen diese Manöver stattfanden, bzw. welche Kombination aus Höhe und Geschwindigkeit man erreicht hat, erlaubten in diesem Fall keinen stabilen Orbit mehr.

Aber es besteht sicherlich doch die Möglichkeit so zu fliegen (samt aktiver Auftriebskontrolle), dass man die Atmosphäre wieder verlässt. Dabei stellt sich noch die Frage, wie viel wird durch echten Auftrieb ("Abprallen") erzeugt, und wie viel des Aufstiegs kommt durch "simple Bahnmechanik", quasi nach der Passage des Perizentrums.

Ich habe gestern nochmal im Titan II Buechlein nachgelesen, da ist dem Wiedereintrittsproblem ein ganzer Abschnitt gewidmet. 1956 hat ein Teilnehmer auf einer Konferenz an der Universitaet Berkeley den Wiedereintritt einer Koerpers in die Atmosphaere als das schwierigste Problem beschrieben, was man sich in der modernen Luftfahrt vorstellen koenne. Problem damals war auch, das man kaum Moeglichkeiten hatte Materialien und Modelle unter realen Moeglichkeiten zu testen. In den USA waren es AVCO und General Electric die von der USAF mit der Entwicklung beauftragt wurden. Die ersten Konzepte waren "Heat-Sink" Konzepte, bei der ein Stoff mit hoher Waermekapazitaet die Energie des Wiedereintritts aufnehmen sollte, ohne selbst zu schmelzen. Praktisch umgesetzt wurde das mit Kupfer, was schliesslich im Mk.2 Eintrittskoerper muendete, welcher auf den Thor und Jupiter Raketen zum einsatz kam. Fuer ICBM war diese Loesung aufgrund des hohen Gewichts nicht optimal, und man begann mit der Entwicklung von ablativen Techniken, wie sie dann auch in der zivilen Raumfahrt Verwendung fanden. Man verwendete spezielle Kunstoffe, welche auf die Aussenhaut des Wiedereintrittskoerpers aufgebracht wurde. Neopren zwischen der Alustruktur und dem Hizteschutz diente dazu, die unterschiedliche Ausdehnung der Materialien beim Wiedereintritt zu ermoeglichen. Diese Technik muendete in den Mk.4 fuer die Atlas und Titan I Raketen fuer AVCO und den Mk.6 fuer die Titan II von General Electric. Wie auch bei den spaeteren zivilen Raumkapseln hatten dieses ersten Wiedereintrittskoepfe einen niedriegen beta-Wert, das heisst sie fuehrten den Wiedereintritt mit der breiten Seite voran durch. Dadurch begann der Eintritt frueher, dauerte laenger aber es gab eine geringere thermische Belastung. Auch war die Endgeschwindigkeit nach dem Wiedereintritt geringer, was in der zivilen Raumfahrt ja durchaus gewollt ist. Der Mk.6 der Titan II schlug so nur mit 0,3 km/s am Boden auf. Erst 1968 gab es mit dem Mk.12 einen Wiedereintrittskopf mit hohem beta-Wert, wodurch die Wiedereintrittszeit erheblich verkuerzt wurde und die Endgeschwindigkeit erheblich hoeher lag.

Getestet wurden die ersten Eintrittskoerper auf Thor-Able und Atlas B und C Raketen.

Wie schwierig das Problem war kann man auch am ersten erfolgreichen FLug der R-7 im Jahr 1957 ablesen. Die Wiedereintrittskopf zerbrach vor erreichen des Ziels. Man wusste aber bereits vor dem Flug das dies geschehen wuerde, soll heissen die komplexe R-7 war schneller entwickelt als der zugehoerige Eintrittskoerper.

Grossbritannien setzte ab 1958 die Black Knight Rakete ein, um Wiedereintrittskoerper zu testen. Die zweite Stufe dieser Rakete feuerte in die "falsche" Richtung, um hohe Wiedereintrittsgeschwindigkeiten zu erzeugen.


Black Knight mock-up, Woomera, Australien

Diesen Punkt will ich mal aufgreifen. Im Zusammenhang mit Apollo heißt es immer, wenn der Eintrittswinkel zu klein sei, würde die Apollokapsel an der Atmosphäre abprallen. Ist Abprallen hier ein legitimes Wort?

Hallo,

Das Wort ist sehr ungünstig. Genaugenommen ist es schlichtweg falsch. Wie Schillrich bereits richtig vermutete, das "Abprallen" kommt zustande weil das Fahrzeug immer noch einen Orbit hat und das Perizentrum nicht tief genug ist (es liegt in den oberen Atmosphärenschichten). Dadurch ist die Reibung zu gering im Perizentrum, es wird kaum Geschwindigkeit abgebaut und das Fahrzeug steigt auf dem Orbit wieder auf in Richtung Apozentrum, gewinnt also an Höhe. Das sieht dann zwar wie ein Abprallen aus hat damit aber nichts zu tun.

Nur Fahrzeuge mit sehr hohen Auftriebswerten können auf der Atmosphäre "hüpfen" oder "abprallen". Die ist zum Beispiel mit den zukünftigen superschnellen Transportern (hauptsächlich für Personen) geplant welche in wenigen Stunden von Europa nach Australien fliegen sollen. Das funktioniert also nur mit Fahrzeugen die ordentlich Auftrieb erzeugen und nicht mit einer Kapsel welche durch die Atmosphäre rauscht wie ein (rund, nicht flach ) Stein ins Wasser plumpst.

Cosmo

ah, den Fred hab ich übersehen, da wird ja einiges diskutiert.

So einfach isses offensichtlich nicht, ich dachte man kann durch "stufenweises" eindippen in die Atmosphäre immer ein bischen Geschwindigkeit abbauen, was ja richtig wäre.
Aber wohin mit der Wärme ?

Mit steuerbaren Flaps noch dazu, das is aber eine ganz schöne Rechnerei und äußerst kritisch, kleine Abweichungen vorher haben nachher große Auswirkungen.

Cebu

"Wohin mit der Wärme?" Die Frage verstehe ich noch nicht so ganz. Stufenweises Eintauchen kann durchaus sinnvoll sein.

Wohin mit der Wärme? Dahin wo sie sowieso hinkommt. Das ist genauso wie beim Landen "in einem Zug", nur dass man zwischendurch Pausen hat, in denen der Schild wieder leicht abkühlen kann -> minimal kleinere Belastung als bei normalem Wiedereintritt.

mfg websquid

Generell ist ein Wiedereintritt so gestaltet, dass der Großteil der Wärme in der Strömung bleibt und gar nicht in die Struktur geht, wobei sie immer noch ausreichend heiß wird durch Wärmefluss und -strahlung aus der Strömung. Genau das versucht man mit den "blunt noses" von Wiedereintrittskörpern zu erreichen: der heiße Teil der Strömung bleibt von der Struktur fern.

Konzepte wie SHEFEX mit ihren scharfen kanten (acute nose??) sind da anders, hier kommt die heiße Strömung mit der Struktur in Kontakt. Daher braucht man dann wahrscheinlich auch andere Eintrittstrajektorien.

(Die Theoriebeiträge können wir in den Fragenteil packen.)

Ich hatte mit "wohin mit der Wärme" eigentlich eine andere Frage im Kopf:
Kann der Eintrittskörper in den "Abkühlungsphasen" genug Wärme abgeben (wohin eigentlich ? reicht das bisl Luft ?) dass das einen signifikant positiven Effekt auf Reusable Entry Body Designs haben kann ?

Ich dachte (denke immer noch) das das das Ziel der Skip-Reentry Technik ist - Stress vermeidung.

Ist das nicht mitunter eines der Ziele des IXV dieses Strömungsverhalten in den Grenzbereichen zu untersuchen ?

Deswegen die Frage von mir weiter oben ob das IXV sowas auch ausprobiert.

Also, der Großteil der Wärme ist und bleibt in der Strömung und kommt nicht in die Struktur.

Aber auch für den erhöhten Wärmegehalt der Struktur reicht das wieder 'Auftauchen' aus der Atmosphäre und ist eigentlich auch nicht relevant. Die Struktur hält die Wärme in der Eintauchphase aus, quasi im Steady State des Wärmeflusses. Sie überhitzt nicht. Wenn sie dann wieder in die Höhe steigt und Zeit zum Abkühlen (geschenkt) bekommt, ist das eigentlich egal. Sie hat ja das Eintauchen im Steady State ausgehalten und wird auch direkt das nächste Eintauchen wieder aushalten, selbst ohne Abkühlung.

Ich kenne kein Wiedereintrtittskonzept, das heute noch mit 'heat sinks' arbeitet, bei dem man also die Wärme im Raumfahrzeug speichert und bei Sättigung Zeit zum Auskühlen geben muss.

Hoi

aus dem Thread "Intermediate eXperimental Vehicle"

Aber wohin mit der Wärme?

Dahin wo sie sowieso hinkommt. Das ist genauso wie beim Landen "in einem Zug", nur dass man zwischendurch Pausen hat, in denen der Schild wieder leicht abkühlen kann.

Ich schreib das jetzt mal so, wie ich das verstehe.
Beim Eintritt in die Atmosphäre wird das Raumfahrzeug fast seine gesamte kinetische Energie in Wärme umsetzen. Das heißt aber nicht das Raumfahrzeug diesen Energiebetrag aufnimmt. Beim Komprimieren der Lufschicht durch das Raumfahrzeug entsteht diese Temperaturerhöhung außerhalb des Raumfahrzeuges. Im Idealfall hätte das Raumfahrzeug gar keinen Rückfluß von Wärmeenergie von diesen heißen Schichten aufzunehmen, und damit wäre man den Großteil der thermischen Probleme los.
Diese heiße Schicht überträgt aber Wärme auf das Raumfahrzeug, und das muß die Struktur aushalten.
Den Skip-Entry verstehe ich nun so, das zwar die umzusetzende Gesamtenergie die Selbe bleibt, aber das man dafür eine wesentlich längere Zeitspanne zur Verfügung hat. Damit werden keine so hohen Temperaturen erzeugt. Diese aber über eine längere Dauer, wo man somit auch mehr Zeit hat diese durch die Strömung vom Raumfahrzeug zu entfernen. Durch die nierigere Temperatur der komprimierten Schicht wird die Belastung des Raumfahrzeugs geringer. Man kann also nur die Temperatur niedrig ahlten, oder den Rückfluß eindämmen, eine Abkühlphase dürfte keine signifikante Bedeutung haben.
Ich hoffe das trifft´s.

Gruß, James

noch ein persönliche Ansicht dazu...
aber weiter unter:

Thread: Wiedereintritt in die Atmosphäre
https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=7262.msg144850#msg144850