Der Eintritt in die Atmosphäre eines Planeten ist ein kritisches Manöver während eines Raumflugs. Aufgrund der Reibungskräfte werden der Flugkörper und die umgebende Atmosphäre stark aufgeheizt. Die Aufheizung und Stärke der Abremsung (Verzögerung) hängt ab von der Eintrittsgeschwindigkeit, von der Flugbahn (steil, flach) und von der Flugzeit (Zeit der Hitzewirkung). Die Flugbahn in der Atmosphäre ergibt sich aus der Eintrittsgeschwindigkeit, dem Eintrittswinkel und den aerodynamischen Eigenschaften des Flugkörpers. Hierbei sind zu unterscheiden Flugkörper (fast) ohne Auftrieb wie die Apollo-Kapseln, Auftriebskörper, die aufgrund ihrer Form einen Auftrieb erzeugen, und Gleitflugkörper wie das Spaceshuttle.

Atmospheric Reentry Demonstrator der ESA. 1998 wurde mit ihm erstmals die europäische Wiedereintrittstechnologie erfolgreich getestet. Grafik: ESA - D. Ducros

Die Lufthülle der Erde ist ab einer Höhe von etwa 120 km dicht genug, um eine spürbare aerodynamische Abbremsung zu erzeugen. Ist der Eintritt steil und ohne Auftrieb, hängt die Verzögerung vom Luftwiderstand mit der Flughöhe ab. Ein bemannter Eintritt ist für Eintrittswinkel größer als 5° nicht anzustreben, da hierbei schon für typische Orbitalgeschwindigkeiten Verzögerungen von über dem Zehnfachen der Erdbeschleunigung auftreten. Durch einen geringen Auftrieb des Flugkörpers kann diese Belastung wesentlich verringert werden. Dies wurde und wird bei den kegelstumpfförmigen Apollo- und Sojus-Kapseln ausgenutzt. Bei zu flachem Eintrittswinkel und zu hoher Geschwindigkeit kann der Flugkörper allerdings an der Atmosphäre abprallen.

Auftriebskörper M2-F3 der Nasa im Testflug. Er wurde von seinem Mutterflugzeug, einer B-52, gestartet. Auftriebskörper wurden bereits in den 1960er und 1970er Jahren ausgiebig getestet. Sie entwickeln allein durch ihre Formgebung ausreichend aerodynamischen Auftrieb für einen gelenkten Gleitflug und Landegeschwindigkeiten bis zu 350 km/h. Grafik: Nasa

Hitzeschutz

Die Wahl der Hitzeschutzmethode ist abhängig von Art und Dauer der Wärmebelastung. Die ablative Kühlung verwendet Materialien, die absichtlich abschmelzen oder verdampfen und dabei die Wärme abführen. Solch ein Hitzeschutz kann somit nicht wiederverwendet werden. Mit geringem Materialaufwand kann jedoch starker Hitze widerstanden werden. Hierfür können zum Beispiel verschiedene Kunststoffe verwendet werden. Durch den verkohlenden bis zu 7,7 cm dicken Ablationsschild der Apolle-Kapsel wurde die Innentemperatur auf unter 27 °C gehalten, obwohl die Außenseite über 2000°C heiß wurde.

Bei mäßiger Aufheizung kann die Wärmesenke-Methode angewandt werden. Dabei wird ein Werkstoff mit hoher Wärmekapazität (geringe Erwärmung pro zugeführter Energiemenge) verwendet. Beispielsweise kann das keramische Berylliumoxid pro kg über 6 MJ Energie aufnehmen, ohne wesentlich zu erodieren.

Strahlungskühlung wird in Form von wiederverwendbaren Keramikkacheln beispielsweise vom Spaceshuttle verwendet. Diese Methode nutzt aus, dass heiße Körper stark Wärme abstrahlen.

Bei der Film- oder Schwitzkühlung wird aufgeheizte Flüssigkeit aus porösem hochschmelzendem Sinterwerkstoff "ausgeschwitzt". Die Flüssigkeit verdampft und kühlt dabei den Werkstoff wie Schweiß die Haut.

Bei der Effusionskühlung strömt ein Gas durch Poren aus der zu kühlenden Oberfläche und bildet eine Schutzschicht, Nach diesem Verfahren werden bereits Brennkammern von Raketen gekühlt, und das DLR testet solch einen Hitzeschild für Raumfahrzeuge.

Einschub: Energetische Betrachtung

Kinetische Energie beim Atmosphäreneintritt

Wenn ein Raumflugkörper aus einer Kreisbahn in 500 km Höhe auf dem Erdboden landen soll, muss seine Geschwindigkeit von v=7,6 km/s (27360 km/h) auf 0 km/s verringert werden (Erdrotation nicht berücksichtigt). In der Atmosphäre muss dazu praktisch seine gesamte kinetische Energie (Bewegungsenergie) E_kin=½mv² in (Reibungs-)Wärme umgesetzt werden. Pro Kilogramm Masse m des Flugkörpers sind dies ½v²=28,9 MJ/kg (Megajoule pro kg).

Zum Vergleich: Um 1 kg zu verdampfen, werden benötigt: für Wasser 2,3 MJ, für Eisen 6,4 MJ, für Berylliumoxid 31,2 MJ/kg, für Kohlenstoff 50,3 MJ.

Würde die gesamte Wärme auf den Flugkörper übergehen, bliebe von ihm nicht viel übrig.

Umgebungstemperatur

Die Erwärmung der Luft an der Front des Flugkörpers (Staupunkttemperatur) lässt sich abschätzen:

Die Luft strömt den Flugkörper mit der Geschwindigkeit v an. Ihre Bewegungsenergie pro kg ist dann v²/2. Die Luft, die vollständig am Rumpf aufgestaut wird, setzt diese Energie in Wärmeenergie c_pΔT  um, wobei c_p die spezifische Wärmekapazität der Luft ist (1005 J/kgK). Sie gibt an, wieviel Energie ein kg einer Substanz aufnimmt, wenn dessen Temperatur um ein Grad Celsius oder ein Kelvin steigt. Daraus erhalten wir einen Temperaturanstig der Umgebungsluft um fast 29000 °C, wenn wir wie oben mit v=7,6 km/s rechnen.

Aber: Nur ein Teil der Wärmeenergie wird vom Flugkörper aufgenommen. Die Energie wird teilweise durch die Luftströmung hinter das Fluggerät geleitet und zudem für die Ionisation der Luft aufgewendet.

Die Landephasen des Spaceshuttles

Zum Verlassen der Umlaufbahn wird das Haupttriebwerke des Shuttles für etwa drei Minuten gezündet. Dadurch wird die Geschwindigkeit von 7,6 km/s um rund 200 km/h verringert und die Bahn abgesenkt. Das Manöver beginnt etwa eine halbe Erdumkreisung vor dem Ziel, also über dem Indischen Ozean, wenn in Florida gelandet werden soll.

Etwa 25 Minuten später erreicht das Shuttle eine Höhe von 120 km. Ab hier macht sich die Atmosphäre durch Reibung und Strömung bemerkbar. Das Shuttle ist jetzt noch über 8000 km von seinem Landeplatz entfernt. Kurz vor dem Eintritt in die Lufthülle wird zur Sicherheit der restliche Treibstoff abgelassen.

In der Atmosphäre wird die Nase des Shuttles in einen Winkel von etwa 40 Grad über den Horizont gehoben, damit nur die Hitzeschutz-Kacheln der Reibungshitze von bis zu 1600°C ausgesetzt werden. Die Ionisierung der Luft unterbricht die Funkverbindung einige Minuten.

Mit Hilfe seiner Lenkruder kann der Gleitflug des Shuttles gesteuert werden. Dies geschieht größtenteils vollautomatisch, da das Shuttle aerodynamisch instabil ist.

In der unteren Stratosphäre hat sich die Geschwindigkeit bei mäßigem Gleitwinkel praktisch auf einen Gleichgewichtswert verringert, der vom Luftwiderstand und der Schwerkraft bestimmt wird. Die zunehmende Luftdichte verringert die Geschwindigkeit nur noch langsam. Die Besatzung spürt wieder ihr normales Gewicht.

Durch mehrere Manöver wird nun im Schleifenflug zusätzlich Geschwindigkeit abgebaut und das Shuttle auf Kurs zur Landebahn gebracht. Dabei sinkt die Flughöhe von etwa 15 km auf 3 km. Die Querreichweite beträgt etwa 2000 km.

Bis zum Landeanflug hat sich die Geschwindigkeit auf unter dreifache Schallgeschwindigkeit verringert. Die Bordnavigation wird durch Navigation vom Boden aus unterstützt. Stimmt der Kurs, wird ein steiler Sinkflug eingeleitet.

In etwa 600 m Höhe wird die Shuttlenase hochgezogen und das Fahrwerk ausgefahren. Das Shuttle setzt schließlich mit einer Horizontalgeschwindigkeit von etwa 350 km/h auf. Die Sinkgeschwindigkeit beträgt etwa 8 m/s. Das entspricht einem Fall aus etwa 3 m Höhe. Der Bremsfallschirm entfaltet sich, und das Shuttle rollt aus. Nach rund 50 Minuten ist der Abstieg des Shuttles beendet.