Alternative Wiedereintrittsmethoden

Anfang des Jahres gab es in Stuttgart einen Workshop zum "Thema Thermalschutzsysteme und heiße Strukturen für Raumfahrzeuge", nachzulesen unter www.dlr.de. Das Plakat ist wirklich schön und zeigt die verschiedenen Modelle und ihre Orientierung beim Eintauchen.

....Also ein "Fallschirm" ist schon möglich, eben wie ein Sonnensegel: einfach eine große massenarme Fläche, dass also "viel" bremsende Impulskraft wirkt gegen wenig Trägheit.....

genau das ist der punkt.
überhöht gefragt: würde ein blatt papier oder eine vogelfeder "aus der ISS geworfen" beim wiedereintritt verglühen ? ich denke nein.
oder würde es/sie an der atmosphäre abprallen ?
früher oder später müsste es/sie dann doch trotzdem eintauchen...
oder seh ich hier irgendwas falsch ?

Hi worchel!
Auf jeden Fall musst du bedenken, dass dieses Stück Papier immer noch mt 20000 km/h in die Atmosphäre knallt. Der einzige Weg für es, das zu überstehen, wäre, dass es von einem imaginären, 300 km hohen Turm losgelassen werden würde, dann könnte es den Wiedereintritt vielleicht überleben.

noch was zum grübeln:
was würde passieren wenn der fallschirm 100 km durchmesser hätte ?

Er wäre zu groß um Ihn überhaupt in den Weltraum zu bekommen 

bei so vielen getränke-tüten wie die da oben haben sollte das material kein problem sein.

was würde passieren wenn der fallschirm 100 km durchmesser hätte ?

Er würde schon gegen den Limes der maximalen Geschwindigkeitsvernichtung des Materials gehen...


Also wir nehmen ein spezielles Gewicht für diesen Stoff, je größer er dann wird, desto mehr bremst er ab pro m2, aber das geht zu einem Grenzwert.

Einfach gesagt denke ich dass der Unterschied zw. 1km Durchmesser und 100km Durchmesser zu vernachlässigen ist, wenn er entfaltet ist, und an ihm das selbe Gewicht (m > 1t) hängt

ui, da denk ich aber mal dass es bei der restatmosphäre da oben schon nen grossen unterschied macht. (ich meine nen orbit, nicht den 300km-turm)
ok, ist schon etwas überspitzt mit 100 km.
aber manchmal kommt man der lösung näher wenn man die frage ins extrem steigert.
(jetzt mal ganz von der (zur zeit) technischen machbarkeit abgesehen.)

Also was runner versucht zu sagen:

Der spezifische Widerstand (Widerstand pro Fläche) und die spezifische Masse (Masse pro Fläche) sind konstant. Ob ich dann einen 1km x 1km Schirm habe oder einen 10km x 10km Schirm, ist egal. Der größere Schirm hat dann zwar mehr Fläche und damit Widerstand, aber auch ebenso mehr Masse und damit Trägheit.
Wenn die Masse des Schirms der größte Teil der Masse ist, hilft ein größerer Schirm also nicht.

ok, kapiert.
meine überlegung war einfach ob man solch riesenschirm im all als sonnensegel zum abbremsen nutzen könnte und dann gleichzeitig (wenn die 7,9 km/s unterschritten sind) als landeschirm.
in ner gewissen höhe (sagen wir mal 100-150km) müsste doch das ganze ding soweit abzubremsen sein um gemütlich innerhalb einer halben umkreisung zur erde zu schaukeln, wenn die fläche gross genug wäre.
(einfach mal die masse des schirmes und die techn. machbarkeit aussen-vor-lassen/vernachlässigen, bitte; es geht nur um die theorie).
-------
oder von mir aus auch mehrere schirme, von denen man welche in grosser höhe abwirft, wenn ihre "sonnensegelzeit" vorbei ist....
ihr versteht was ich meine ?
 

ok, kapiert.
meine überlegung war einfach ob man solch riesenschirm im all als sonnensegel zum abbremsen nutzen könnte und dann gleichzeitig (wenn die 7,9 km/s unterschritten sind) als landeschirm.
in ner gewissen höhe (sagen wir mal 100-150km) müsste doch das ganze ding soweit abzubremsen sein um gemütlich innerhalb einer halben umkreisung zur erde zu schaukeln, wenn die fläche gross genug wäre.
(einfach mal die masse des schirmes und die techn. machbarkeit aussen-vor-lassen/vernachlässigen, bitte; es geht nur um die theorie).
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oder von mir aus auch mehrere schirme, von denen man welche in grosser höhe abwirft, wenn ihre "sonnensegelzeit" vorbei ist....
ihr versteht was ich meine ?
 

Verrenne Dich da nicht in eine Idee. Der Schirm mag eine gewisse Bremswirkung im Orbit entfalten. Vielleicht kannst Du damit von 30.000 auf 29.970 km/h abbremsen. Aber dann knallst Du massiv in die obere Atmosphäre. Das gibt so eine enorme Bremswirkung, daß es den Schirm, die Seile und/oder das Raumschiff einfach zerreißt.

Der Abschmelzschirm der Sojuzkapseln oder der Orion baut einfach langsam Energie ab. Und das ist es, worum es geht! Energie abzubauen. Das langsamer werden ist "nur" eine Folge davon ! Es geht nicht um einen "Wiederverwendbaren" Schirm !

Der Abschmelzschild ist schon die optimale Lösung. Er ist ein Fallschirm !

Wir hatten das ja schon mal an anderer Stelle hier: Die Hitze ist nicht "ein notwendiges Übel", die Hitze ist essentiell. Fast die gesamten kinetische Energie des Raumschiffs muss abgebaut werden und das innerhalb weniger Minuten. Durch die Reibung wird ein Raumschiff erst gebremst und Energie dissipativ aus dem System geführt, also als Wärme.

Verrenne Dich da nicht in eine Idee....

zu spät 

Deine Fallschirmmethode errinnert mich etwas an den von JP aerospace verfolgten Ansatz. Die wollen nen Luftschiff benutzen um in den Orbit zu fliegen (und wieder zurück). Das Ding soll 2km groß sein und von einer Station starten, die sich in 40km Höhe befindet. Mit einem Ionenantrieb soll das Schiff dann innerhalb von 5 Tagen auf Fluchtgeschwindigkeit gebracht werden und so in den Orbit kommen. Aus dem Orbit zu der Station sollte das auch funktionieren. Das Luftschiff erzeugt genug Auftrieb um sich selber in der Luft zu halten, daher benötigt man keinen Treibstoff um den Sinkflug zu verlangsamen...das Delta v kann also über Tage ab/aufgebaut werden.
Das war jetzt alles etwas knapp gehalten und durcheinander, wer mehr wissen möchte:
www.jpaerospace.com
Die Seite ist allerdings auf Englisch.

Mit was sollte man das füllen?

Argon?

Leichtere Gase entweichen ja so schnell, und da der Ballon verschiedene Temperaturzonen durchfliegen würde, wäre er großen Strapazen ausgesetzt (Gummi wird spröde und rissig, bei Wärme vergrößern sich die Poren und mehr Gas tritt aus,...)

Meines Wissens nach wollen die Helium nehmen. Die müssen schließlich ein Traggas verwenden, mit dem sie extrem große Höhen erreichen können. Deren Hoffnung (und Vorraussetzung für das System) ist, das sie eine Höhe erreichen können, auf der der Schub von Ionentriebwerken ausreicht, um das Luft/Raumschiff zu beschleunigen, ohne das die Luftreibung das Teil zu stark abbremst.

Für mich klingt so ein Konzept doch sehr widersprüchlich - eine gewisse Dichte der Luft braucht man, um auf Höhe zu kommen, aber dann soll sie so dünn sein, dass sie kaum Reibung aufbaut? (Bei annähernd Orbitalgeschwindigkeit!). Ebenso ist es beim Wiedereintritt - da soll die Reibung ja auch minimal sein. Mir ist nicht klar, wie das möglich sein soll.

mfg websquid

Ähh, womit soll die Orbitalgeschwindigkeit erreicht werden?
Mit Ionentriebwerken??

Hmmm,

bei GOCE gleicht das Ionentriebwerk "gerade so" die Wirkung der Restatmosphäre 253km - 263km aus. Dort ist das Triebwerk natürlich auf diese Bedingungen ausgelegt und man könnte den Antrieb auch größer dimensionieren, aber aus meiner Sicht reicht das nie, um ein Luftschiff auf 40km Höhe irgendwie zu beschleunigen.

Gut, aber hier geht es ja um den Wiedereintritt ..

Naja, Ionenantrieb könnte ja dann Luftpartikel einsaugen und als Treibstoff hernehmen... Jedoch, je schneller das Luftschiff, desto größere Abbremsung...

Wahrscheinlich bräucht man mindestens VASIMR, um die Reibung auszugleichen....

Für mich klingt so ein Konzept doch sehr widersprüchlich - eine gewisse Dichte der Luft braucht man, um auf Höhe zu kommen, aber dann soll sie so dünn sein, dass sie kaum Reibung aufbaut? (Bei annähernd Orbitalgeschwindigkeit!)

Dito 

Für mich klingt so ein Konzept doch sehr widersprüchlich - eine gewisse Dichte der Luft braucht man, um auf Höhe zu kommen, aber dann soll sie so dünn sein, dass sie kaum Reibung aufbaut? (Bei annähernd Orbitalgeschwindigkeit!).

Natürlich gibt es bei diesem Konzept noch zig ungelöste und vielleicht auch nicht lösbare Probleme. Allerdings muss bei jedem Antrieb (egal ob chemisch, elektrisch) der erhaltene Schub groß genug sein um gegen die Gravitation und die Luftreibung das Gefährt in die Umlaufbahn zu bringen. Dadurch, dass sich dieses Luftschiff selbstständig auf 40km Höhe halten kann wird die Gravitation kompensiert, und dann ist "nur" noch ein elektrischer Antrieb nötig, der die Luftreibung kompensiert (bzw. etwas überkompensiert). Wie Schillrich bereits geschrieben hat ist eben die Frage, ob man Triebwerke entwickeln kann, die das schaffen.

Leichtere Gase entweichen ja so schnell, und da der Ballon verschiedene Temperaturzonen durchfliegen würde, wäre er großen Strapazen ausgesetzt (Gummi wird spröde und rissig, bei Wärme vergrößern sich die Poren und mehr Gas tritt aus,...)

Der Höhenrekord von Ballonen liegt (nach kurzem google einsatz) bei knapp 50km. Das bedeutet, dass bei der Entwicklung der ersten beiden Stufen (Luftschiff zur Station und die Station auf 40km) keine prinzipiellen Probleme auftreten sollten.
Die Entwicklung eines "Luftschiffes für den Weltraum" ist da natürlich ein ganz anderes Kaliber und hier muss sicherlich noch einiges an Forschungsarbeit geleistet werden, gerade auf Gebieten der Materialforschung.

Ob das Konzept funktionieren kann ist daher natürlich schwer zu beantworten.

Der erste interessante Schritt wäre zum Beispiel so eine Station auf 40km Höhe dauerhaft zu betreiben und mehrfach vom Boden aus anzufliegen. Dann kann man mal weiter sehen.

Für mich sieht es allerdings nicht so aus, als ob die Idee ernsthaft weiter verfolgt wird.

Das Problem bleibt aber, wenn Du zuweit bremst, gehts automatisch in die Atmosphäre. Und dann hat man immernoch annähernd orbitalgeschwindigkeit.

Soweit ich den Thread verfolgt habe, ist die Situation:

• Die kinetische Energie von 7,8 km/s und die potentielle Energie muss in Wärme verwandelt werden. "Einfaches" Herunterfallen ohne Obitalgeschwindigkeit ist "relativ" simpel.
• Die Restatmosphäre in 300 km Höhe bremst zwar etwas aber nicht genug, um den Fallschirm zu entfalten.
• Man muss vermeiden zu schnell in tiefere Luftschichten zu gelangen.

Dazu gibt es einige Ansätze:

• Personenfallschirm, vgl. http://yarchive.net/space/launchers/personal_reentry.html
• Ein langes Seil als "hyperschall Fallschirm", vgl. http://adsabs.harvard.edu/abs/1992wadc.iafcRY...K

Zum Entfalten des Schirms kann er Schläuche enthalten, die mit ein Pressluft aufgeblasen werden und den Schirm entfalten. Da der Umgebungsdruck gering ist, braucht man nicht viel Luft dazu. Inzwischen gibt es hitzebeständige, zugfeste Kunstfasern, die leichter und fester als Stahl sind.

Sobald der Schirm entfaltet ist bremst er die Kapsel. Dadurch sinkt die Geschwindigkeit der Kapsel. Dann sinkt die Kapsel etwas und gewinnt dadurch wieder an Geschwindigkeit (Umwandlung potentieller Energie in kinetische). Der Fallschirm bremst jetzt aber auch die Sinkgeschwindigkeit.

Ideal wäre es, falls der Fallschirm nicht nur die Sinkgeschwindigkeit durch bremsen senkt, sondern Auftrieb erzeugt, z.B. wie ein Paraglider. Dann könnte er die Kapsel länger in dünnen Luftschichten halten und dort bremsen.

Unabhängig davon spart man auf jeden Fall den Treibstoff für das De-Orbit Bremsen und kommt langsamer in die dichte Atmosphäre. Für die Reibung (Wärmeleistung) geht (afaik) die Geschwindigkeit mit der 3. Potenz ein, da lohnt sich auch eine kleine Reduktion! 

Zu guter Letzt noch ein paar Fragen:

• Ist die Bremskraft als F=c_CW*[tex]\rho[/tex]*v²*A/2 gegeben? Und damit die Wärmeleistung mit P=c_CW*[tex]\rho[/tex]*v³*A/2?
• Was ist der c_CW für den Fallschirm?
• Ist ein hyperschall Paraglider möglich?

Inzwischen gibt es hitzebeständige, zugfeste Kunstfasern, die leichter und fester als Stahl sind.

Mag ja alles sein, aber auch Stahl schmilzt bei Temperaturen >2000°K Irgendwann verdampft fast jedes Material. Das Abbremsen mit Hitzeschild funktioniert, weil dieser Abschmilzt und die kinetische Energie in Reibung und Verdunstungshitze umgewandelt wird. So ein Schild ist ein Fallschirm. Ein Fallschirm , der für den Überschallbereich konstruiert wurde. Da werden gewaltige Energien abgebaut.

Laßt Euch nicht hinreisen, aber an einem Paraglideschirm runter schweben funktioniert so nicht. Abbremsen, auf der Stelle stehen bleiben und anschließend herunterfallen ist eine Erfindung von Walt Disney. Da geht bekanntlich alles.

Zitat

Inzwischen gibt es hitzebeständige, zugfeste Kunstfasern, die leichter und fester als Stahl sind.

Mag ja alles sein, aber auch Stahl schmilzt bei Temperaturen >2000°K Irgendwann verdampft fast jedes Material. Das Abbremsen mit Hitzeschild funktioniert, weil dieser Abschmilzt und die kinetische Energie in Reibung und Verdunstungshitze umgewandelt wird. So ein Schild ist ein Fallschirm. Ein Fallschirm , der für den Überschallbereich konstruiert wurde. Da werden gewaltige Energien abgebaut.

Laßt Euch nicht hinreisen, aber an einem Paraglideschirm runter schweben funktioniert so nicht. Abbremsen, auf der Stelle stehen bleiben und anschließend herunterfallen ist eine Erfindung von Walt Disney. Da geht bekanntlich alles.

Der springende Punkt ist die Hitze von 2000 K zu vermeiden indem man früher und langsamer bremst. Narürlich bremst man nicht in 100 km Höhe auf 0 km/s. Es genügt ja auch auf 700 K herunterzukommen. NASA u.v.a beschäftigen sich in der Tat mit hyperschall Fallschirmen, nur heißen die ballute oder Inflatable Aerodynamic Decelerator (IAD) , vgl http://www.ilcdover.com/Ballutes-Decelerators/. Die sprechen sogar von Auftrieb sowie von Aerocapture und Rückkehr vom Mond, wo die Belastungen höher sind als bei der Rückkehr vom LEO.

Ich hätte da eine Idee, weiß aber nicht, ob es sich lohnt, oder ob der Aufwand zu groß ist...

Wenn man hinten an der ISS eine Schiene anbringen würde, mit der man das ATV/Soyus/Orion/dragon... magnetisch (oder sonstwie) abstößt.


Dann würde man das ATV um einige 100 m/sek abbremsen, die ISS um wenige 10m/Sek reboosten...


Bei allen Lieferraumschiffen würde das die Wucht beim Wiedereintritt etwas mindern, und die ISS erhielte somit jedes mal etwas kostenlosen Impuls.