Ablative Kühlung

Künstlerische Darstellung des Wiederintritts einer Apollo-Kapsel mit ablativem Hitzeschild

X-15A2 mit ablativem Hitzeschutz und Zusatztanks

Ein ablativer Hitzeschild (von lat. ablatus = weggenommen) ist ein einmal verwendbarer Hitzeschild, der die Landekapsel eines Raumschiffs, oder Lander einer Raumsonde beim Wiedereintritt in die Atmosphäre eines Planeten oder Mondes vor Beschädigungen schützen soll. Sie wurden kurz vor Beginn des Raumfahrtzeitalters für die Wiedereintrittsköpfe von Interkontinentalraketen entwickelt.

In der Sowjetunion wurde ein ablativer Hitzeschild unter dem Namen жертва entwickelt, was soviel wie Opfer bedeutet. Es handelt sich um eine einmal verwendbare Außenverkleidung, die während des Wiedereintritts verbrennt und dabei die Hitze von der darunterliegenden Metallhülle abschirmt.

Da in der Raumfahrttechnik sehr leichte Materialien zum Einsatz kommen müssen, wurde die Außenhülle einer Landekapsel etc. vorzugsweise aus Aluminium gefertigt. Dieses Metall hält aber den enormen Bedingungen beim Wiedereintritt nicht ausreichend stand. Bei den dabei auftretenden Temperaturen nimmt eine Aluminiumverkleidung innerhalb kürzester Zeit Schaden und kann binnen weniger Sekunden zerstört sein. Die Raumfahrer (oder die Instrumente in einer Landesonde) wären dann in ernster Lebens- oder Zerstörungsgefahr.

Das Problem ließe sich lösen, wenn man anstelle von Aluminium teure Werkstoffe verwendete. Eine effiziente, aber wesentlich billigere Alternative stellte der ablative Hitzeschild dar. Die Aluminiumhülle wird außen zusätzlich mit leichten brennbaren Kacheln aus Kork oder Glasfaser-Verbundwerkstoffen und/oder Kunststoffschaum (Polystyrol) verkleidet. Auch gibt es ablative Hitzeschilde, die aus einem schwer schmelz- und verdampfbaren Kunstharz bestehen. Diese Ummantelung pyrolisiert und sublimiert beim Wiedereintritt in das umströmende Plasma. Dadurch wird der direkte Kontakt des Plasmas mit dem Hitzeschild verhindert. Man spricht bei diesem Vorgang auch von ablativer Kühlung. Durch die Strömung dieser relativ kühlen Grenzschicht wird die entstehende Verdichtungswärme der Stoßwelle weitgehend abgeführt, die Hitze dringt also nicht an die festen Teile der Landekapsel heran.

Weil diese Systeme beim Eintritt weitgehend aufgebraucht bzw. abgetragen werden, eignen sie sich nur begrenzt für wiederverwendbare Raumschiffe wie das Space Shuttle, da der Hitzeschutz nach jedem Flug erneuert werden muss. Dennoch kam bei einigen Flügen der X-15 ein ablativer Hitzeschutz zum Einsatz. Für nicht wiederverwendbare Raumschiffe und für Raumsonden sind ablative Hitzeschilde jedoch ideal, da diese preisgünstiger und sicherer sind.

Auch bei den Düsen von preiswerten oder kleineren Raketentriebwerken wird die ablative Kühlung eingesetzt. Dazu wird die innere Oberfläche der Brennkammer bzw. Düse des Triebwerkes mit einer Schicht eines erst bei hohen Temperaturen verdampfenden Materials (z.B. Graphit, Wolfram, Molybdän oder Niob) ausgekleidet. Dieses passive Kühlungsverfahren wird zum Beispiel beim Merlin Triebwerk der Falcon 1 Rakete, der RS-68 Erststufentriebwerk der Delta IV, beim AJ-118 der Delta II Oberstufe und beim RD-58 des Block D/DM der Proton verwendet.^[1]

Galileo

Illustration des Materialsverlusts des Hitzeschilds der Galileo-Atmosphärenkapsel beim Atmosphäreneintritt

Den Atmosphäreneintritt mit der bisher größten Belastung musste der ablative Hitzeschild der Atmosphärenkapsel der Raumsonde Galileo überstehen, als sie am 7. Dezember 1995 mit 170.000 km/h in die Jupiteratmosphäre eintrat. Das Gas in der Schockfront erhitzte sich dabei auf 16.000 K und der Hitzeschild musste dabei eine Wärmestromdichte von 43 kW/cm² aushalten. Der Hitzeschild machte deshalb zwei Drittel des Gewichts der Eintauchkapsel aus und verbrannte und verdampfte dabei zum größten Teil.

Einzelnachweise

1. ↑ Bernd Leitenberger: Raketentriebwerke