Kann ein langsamer Gegenstand auch ohne Hitzeschild in die Erdatmosphäre eintreten, ohne zu verglühen?
Ein Gegenstand, oder ein Raumfahrzeug.
6 Antworten
wenn die Geschwindigkeit relativ zur Erdatmosphäre klein genug ist, geht das, zB wenn man nicht aus der Umlaufbahn kommt, sondern mit einem Ballon aufgestiegen ist.
Liegt es an der Geschwindigkeit, die auch mit Schubdüsen nicht angepasst werden kann
die Geschwindigkeit ist ja ursprünglich mit einem sehr hohen Energieaufwand erreicht worden. Fast den gleichen Aufwand müsste man wieder treiben, um auf null abzubremsen, und dafür müsste das Schiff zweimal unter hohem Zeitdruck wenden - niemand tut das. Es ist viel sparsamer, sich einfach von der Luft abbremsen zu lassen, und das ist eben sehr heiß...
Ich kenne das Standard-Wiedereintrittsverfahren, doch interessiert mich die Gesamtproblematik.
Angenommen das Raumfahrzeug hat am Rand der Atmosphäre eine Geschwindigkeit von Null und beschleunigt dann mit sehr geringer Geschwindigkeit um so in die Atmosphäre einzutreten, was passiert dann?
Die Höhe war ja aber auch klein gegenüber dem, was Shuttle erreicht, oder? Und die Atmosphäre dichter?
in der Höhe macht das kaum einen Unterschied - die Luftdichte ist so gut wie null.
Ein Gegenstand, der in die Erdatmosphäre eintritt, wird von der Reibung mit der Luft erhitzt und kann verglühen, wenn seine Geschwindigkeit hoch genug ist. Je schneller der Gegenstand ist, desto größer ist die Reibung und desto höher die erzeugte Hitze.
Ein langsam eintretender Gegenstand kann jedoch in die Erdatmosphäre eintreten, ohne zu verglühen, wenn seine Geschwindigkeit nicht hoch genug ist, um eine ausreichende Hitze zu erzeugen. Ein Beispiel dafür ist der Weltraumschrott, der in die Atmosphäre eintritt und in der Regel ohne große Hitzeentwicklung verglüht.
Ein weiteres Beispiel kann der Eintritt eines Ballons sein, dieser hat eine langsame Geschwindigkeit und ist meist aus Materialien gefertigt, die eine geringe Reibung aufweisen, wodurch die erzeugte Hitze nicht ausreichend ist um den Ballon zu verglühen.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass auch bei langsamen Geschwindigkeiten, die Hitzeentwicklung ausreichend sein kann um Materialien zu schädigen oder zu zerstören.
Es ist daher ratsam, einen Hitzeschild zu verwenden, um den Gegenstand vor der Hitzeentwicklung zu schützen, insbesondere wenn es sich um teure oder wichtige Gegenstände handelt.
Wegen der Schwerkraft kann ein antriebsloser Gegenstand nicht langsam bleiben, wenn er vom Weltall kommend in die Erdatmosphäre eintritt. Die Erdrotationsgeschwindigkeit (je nach Breitengrad bis ca. 460 m/s) ist dabei nicht die hauptsächliche Größe. Die Geschwindigkeit, die ein Körper im ungebremsten freien Fall aus der Höhe der ISS erreichen würde, ist ca. 2800 m/s. Kommt er aus großer Entfernung, dann kommt er mit Fluchtgeschwindigkeit, 11000 m/s. Soll der Körper den Abstieg ohne Hitzeschild unbeschadet überstehen, so müssen die gleichen Energiemengen in Reibungswärme umgesetzt werden, aber bei niedriger Temperatur und deshalb langsam. Der Körper braucht dafür von Anfang an einen großen Luftwiderstand, der ihn schon in großer Höhe stark abbremst und nicht erst, wie die Fallschirme der Apollo- und Sojus-Kapseln, erst auf den letzten paar Tausend Metern. Statt wie ein Meteor müßte er so ähnlich ausehen wie ein Badminton-Ball oder wie ein Löwenzahn-Same.
Ein Flugkörper mit Antrieb/Schub könnte also bei genügend vorhandenen Treibstoff die Fallgeschwindigkeit soweit reduzieren, das es auch ohne Hitzeschild vom Weltall in die Erdatmosphäre eintreten und landen könnte. Ist das korrekt?
Ja, das ist korrekt. Ich empfehle aber, sich klar zu machen, was das bezüglich der Zahl der Raketenstufen und der Treibstoffmenge bedeutet: Jede Tonne Nutzlast erfordert zum kalten Landen so viel Energie, wie es vorher gekostet hat, sie nach oben zu schaffen – doch die hierfür hinzukommende Treibstoff- und Maschinenmasse vermehrt nun den Aufwand beim Start. Um die Apollo-Kapseln (30 t) ohne die Landefähre (15 t) bei der Rückkehr vom Mond weich zu landen, hätte es also ungefähr zwei Drittel einer Saturn-Rakete gebraucht. Die aber hätten ca. 2000 t gewogen und um sie zunächst zum Mond zu schaffen, hätte es des Schubs von etwa 15 Saturn-Raketen bedurft.
Wäre es nicht möglich einen wasserreichen Eiskometen mit einer (evtl unbemannten) Raumsonde anzufliegen, darauf zu landen, das Wasser über Solarmodule in Wasserstoff umzuwandeln, diesen als Antrieb zu verwenden den Kometen zuerst über mehrere Jahre abzubremsen und im Anschluß gezielt in eine hohe Erdumlaufbahn zu manövrieren und das Eis dazu verwenden ausreichend "billigen" Treibstoff für Raumfahrzeuge zu produzieren?
Ich meine vom rein ökonomischen Standpunkt aus könnte das doch langfristig viel billiger sein. Ausserdem könnte auf diese Weise doch die Erforschung und der Abbau von knappen Ressourcen auf anderen Himmelskörpern viel zügiger umgesetzt werden, oder!?
Mit den Eisvorkommen auf dem Mond sind ja ähnliche Anwendungen geplant.
Was Kometen angeht, halte ich das für schwieriger. Um mit Solarenergie effizient arbeiten zu können, müßte der Komet lange genug nahe genug an der Sonne sein. Das sind Kometen aber nicht. Ihre Bahnen sind langgestreckte Ellipsen oder Hyperbeln, auf denen sie für die meiste Zeit weit draußen in der Dunkelheit unterwegs sind und nur für kurze Zeit hier auftauchen, wo es hell ist. In den dunklen äußeren Bereichen des Planetensystems ist man auf Kernenergie angewiesen. Um nun einen Kometen durch Verbrennung des eigenen Materials auf eine erdnahe Umlaufbahn zu schaffen, würde ein erheblicher Teil von ihm nur dafür verbraucht werden. Nimm zum Vergleich das Verhältnis zwischen Treibstoff und Nutzlast bei der dritten Trägerraketenstufe irgendeiner interplanetaren Sonde. Was von dem Eis für die gedachten Anwendungen übrig bliebe, wäre ziemlich wenig.
Besser sähe das Verhältnis aus, wenn man das Material mit einem Ionentriebwerk auf höhere Strahlgeschwindigkeiten beschleunigen würde. Statt wie heute großen Schub für wenige Minuten mit Verbrennungsantrieb hätte man kleinen Schub, den aber für lange Zeit. Und wegen der größeren Strahlgeschwindigkeit müßte man pro erzeugtem Impuls weniger Masse ausstoßen. Zur Stromversorgung des Ionentriebwerks wäre wieder Kernenergie erforderlich. Die mit Ionentriebwerken mögliche Bahn wäre keine Hohmann-Ellipse, sondern sähe wegen des lang anhaltenden aber kleinen Schubs ganz anders aus. Interessant wäre natürlich, wie lange das Manöver mit dem Kometen dann dauern würde.
Das Problem ist, dass er nicht langsam bleibt, außer wenn er von einer Rakete angetrieben wird. Ein anderes Triebwerk geht in den äußeren Luftschichten nicht.
Die Erdrotationsgeschwindigkeit ist also kein wesentlicher zu berücksichtigender, bzw. ein vernachlässigbarer Faktor, sondern vielmehr die Erdanziehung?
Schau doch nach, welche Geschwindigkeit solch eine Kapsel erreicht.
Vergleicht man Astronomie/ Physik Fragen von vor ca 6 Jahren (oder später) mit denen von heute, fällt auf, das ´jedes kleine Detail regelrecht herausgekitzelt werden muss, anstatt dass das Wissen freimütig verschenkt wird. Das enttäuscht meine bisherige Haltung zur Menschheit.
Wow. Welch Anspruchshaltung. Und dass ich das vielleicht selbst nicht weiß, fällt Dir nicht ein?
Ich geb Dir sogar noch einen Lösungsweg. Und ein Danke ist da nicht drin? Stattdessen pampige Statements über die Qualität der Lösungen? Einfach unglaublich!
Ich ging davon aus, das du mehr darüber wüsstest, wenn du dich dazu erniedriegst eine Antwort auf meine Frage zu verfassen, aber da du wie du selbst sagst kaum Ahnung hast, ist das ja sogar noch einen Tick unfreundlicher, dass du den Eindruck erweckst du könntest etwas konstruktives zur Frage beisteuern. Vorspiegelung falscher Kenntnisse nenne ich das.
Entweder willst du mit dieser Antwort suggerieren, das du doch mehr weißt, als du preisgeben willst, oder es ist einfach der Kommentar eines verletzten Egos.
Die Welt ist nicht digital. Es gibt etwas zwischen alles wissen und nichts wissen. Davon, dass man Leute angeht, die mehr wissen als man selbst, hat man nix. Bis ich soviel über das Thema weiß wie Du, muss ich noch viel vergessen.
Also eindeutig verletztes Ego, denn Logik und Intelligenz würden deinen letzten Kommentar nicht verfassen wollen.
Natürlich aber dafür braucht er Treibstoff um eben nicht so schnell zu werden, als dass die Dichte der Luft und die Reibung eine Erhitzung zur Folge hätten.
Und das ist halt ineffizient, wenn es auch anders geht.
Also ist es theoretisch möglich und vom Treibstoff abhängig!?
Ja. Sowas ist auch nicht wirklich unüblich. SpaceX bremste ihre Booster auf dem Rückflug ab(Die verlassen aber die Atmosphäre nie) und die NASA bremste jedes Landemodul auf dem Mars ab.
Aber das wird selten benutzt um die Erhitzung zu umgehen. Man will möglichst wenig Treibstoff/Gewicht und möglichst viel Gerät dabei haben. Daher wird Treibstoff für sowas nur verwendet, wenn es wirklich nötig ist.
Bestände denn theoretisch die Möglichkeit einen sehr stabilen Turm von der Eroberflöche bis in das Weltall zu bauen?
Pardon, ich konnte die Antwort auf meine letzte Frage schon selbst im Internet finden. Danke für deine Antworten.
"Ein kanadisches Unternehmen will einen Aufzug bauen, der Astronauten 20 Kilometer weit in die Höhe befördert. Gebaut werden soll der Turm aus Kunststoffringen auf einem fünftausend Meter hohen Berg. Es ist ein Wahnsinnsplan: Ein kanadisches Unternehmen will einen Lift bauen, der Astronauten direkt ins All befördert.25.08.2015"
Nein. Viel zu schwer, viel zu viel Angriffsfläche für die Atmosphäre. Zu viel Material.
Und es löst das Problem nicht, dass das Raumschiff noch Treibstoff bräuchte um an diesen Turm anzudocken.
Jemand sollte dem Unternehmen sagen, dass 25 km noch lange kein Weltraum ist.
In dem Turm könnte man doch evtl eine dünne Wasserleitung mit tausenden kleinen Pumpen instalieren, woraus im Raumschiff Wasserstoff hergestellt wird.
Auch das würde nicht funktionieren. So eine Leitung wäre zu instabil und zu schwer. Der Traum vom Weltraumlift ist alt. Es wurden bereits unzählige Varianten durchdacht, bisher aber noch ohne Erfolg.
Ja, ich habe den Spektrum Artikel (eines anderen Antwortgebers) auch gelesen. Allerdings verstehe ich nicht wieso ein Stromkabel in dem Lift zur Stromversorgung des Kletterfahrzeugs verlegt werden kann. Und falls es dafür einen plausiblen physikalischen Grund gibt, wieso dann nicht das Seilmaterial mit stabilen Solarzellen verkleiden, wie es sie schon im Karosserie-Fahrzeugbau gibt und den Solarstom über Induktion an den Elektro-Motor abgeben!?
Was soll das denn genau bringen? Die 20 km sind ein Fliegenschiss angesichts der benötigten Geschwindigkeiten.
Diese Idee mit dem Plastikturm ist abgehakt, aber hier werden andere Lift-Ideen wissenschaftlicher abgehandelt:
https://www.spektrum.de/video/der-weltraum-an-der-leine/1779141
Das Thema ist mir halbwegs geläufig, das eigentliche Problem besteht im Seil und der Zerreißlänge dessen Materials.
Naja, ausserdem wäre eine halbwegs gute Verbindnung durch eine Station erst ab ca 35.000 km Höhe erreicht und der ideale Punkt dafür dafür läge bei ca 90.000 km Höhe.
Ich verstehe noch immer nicht genau, wieso beim Eintritt aus einer Umlaufbahn in die Erdatmosphäre es zwangsläufig zu einem so hohen Reibungswiederstand mit den Partikeln in der Atmosphäre kommt?
1.Liegt es an der Geschwindigkeit, die auch mit Schubdüsen nicht angepasst werden kann?
2.Liegt es an der Erdanziehungskraft, die den Gegenstand beim Übergang von der Stratosphäre in die Atmosphäre im freien Fall auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, das er verglüht?
3.Liegt es an der Rotationsgeschwindigkeit der Erde von 11 m/s, auf deren Geschwindigkeit der Gegenstand angegelichen werden muss, um zu hohe Geschwindigkeiten bei Wiedereintritt zu vermeiden.
4.Oder ist ein Wiedereintritt, wie ein anderen Antwortgeber schrieb, aus technischen Gründen ohne Hitzeschild unmöglich?