Hitzeschild

Hitzeschutzkacheln und Nase aus RCC auf der Unterseite der Discovery

Künstlerische Darstellung des Wiederintritts einer Apollo-Kapsel mit ablativem Hitzeschild

X-15A2 mit ablativem Hitzeschutz und Zusatztanks

Illustration des Materialverlusts des Hitzeschilds der Galileo-Atmosphärenkapsel beim Atmosphäreneintritt

Der Hitzeschild ist in der Raumfahrt die Schicht eines Raumschiffs, welche dieses vor der entstehenden Hitze beim Eintritt in eine Atmosphäre^[1] schützen soll. Die Grundlagenentwicklung fand zu Beginn des Kalten Krieges statt – die nuklearen Sprengsätze sollten den Wiedereintritt überstehen. Sehr stark beschleunigende Raketen, wie die US-amerikanische Raketen-Abwehrrakete Sprint, und Hyperschallflugkörper benötigen ebenfalls einen Hitzeschild.

Grundlagen

Beim Wiedereintritt wird das Raumfahrzeug durch die umgebende Luft stark abgebremst. Dabei heizt sich die Luft in der Schockfront vor dem Fahrzeug durch Kompression stark auf. In der Regel sind die Landekapseln bemannter Raumschiffe sowie Raumfähren, die bei der Rückkehr zur Erde die Erdatmosphäre durchdringen müssen, zum Schutz mit einem Hitzeschild ausgestattet.

An das Material des Hitzeschildes werden enorme Anforderungen gestellt, da sie Temperaturen bis zu mehreren tausend Grad Celsius aushalten müssen. Der Hitzeschild soll einerseits die aus der Schockfront aufgenommene Wärme möglichst effektiv an die Umgebung abgeben und andererseits durch geringe Wärmeleitfähigkeit Astronauten und Geräte vor der Hitze schützen.

Wiederverwendbare Hitzeschilde

Wiederverwendbare Hitzeschilde wie die Hitzeschutzkacheln der Space Shuttles bestehen meist aus durch Sintern gebundenen, hochporösen Glasfaserwerkstoffen mit einer dichten, spröden, temperaturbeständigen dünnen Deckschicht (Borsilikat).

Besonders beanspruchte Teile des Space-Shuttle-Hitzeschilds, wie die Flügelvorderkante, bestehen aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen.

Nicht wiederverwendbare Hitzeschilde

Zu dieser Kategorie gehören die ablativen Hitzeschilde^[2] oder auch ablatives TPS (eng.: Thermal Protection System). Ablative Hitzeschilde (von lat. ablatus = weggenommen) besitzen zwei Aufgaben, zum einen sollen diese die Systeme vor den hohen Temperaturen beim Wiedereintritt schützen und zum anderen, soll das durch die Strömung weggetragene aufgeschmolzene und verdampfte Material eine Kühlung erreicht werden. Bei dieser Art der (ablativen) Kühlung wird der physikalische Effekt des Phasenübergangs ausgenutzt, bei der durch den Phasenwechsel des Materials Energie absorbiert wird, das dann durch die Strömung vom Wiedereintrittskörper weggetragen wird.

Ablative Hitzeschilde werden bei Raumflugkörpern wie dem russischen Sojus-Raumschiffen, bei Landern, bei Hyperschallflugzeugen wie dem X-15 oder aber auch bei Interkontinentalraketen eingesetzt. In der Sowjetunion wurde ein Hitzeschild unter dem Namen жертва entwickelt, was so viel wie Opfer bedeutet.

Ein solcher Hitzeschild besteht aus leichten, brennbaren Kacheln aus Kork- oder Glasfaser-Verbundwerkstoffen und/oder Kunststoffschaum (Polystyrol) auf einer Stützstruktur (meist eine Aluminiumlegierung). 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. Die mit Ruß beladene Grenzschicht behindert den Strahlungstransport von Wärme aus dem Plasma der Stoßfront zur Oberfläche des Hitzeschildes. Dessen poröse, verkohlte Kruste stellt eine weitere Barriere dar. Zudem wird eindringende Wärme teils durch endotherme Reaktionen (Spaltung chemischer Bindungen, Verdampfung) verbraucht, teils mit dem Gas wieder nach außen transportiert (ablative Kühlung). Wärme, die dennoch durch den Hitzeschild dringt, wird durch das gut wärmeleitende Strukturmaterial so verteilt, dass keine schädlich hohen Temperaturen auftreten.

Die Idee zum ablativen Hitzeschild entstand bei der Entwicklung von Steuerflächen im Strahl von Raketentriebwerken. Auch heute noch wird bei den Düsen von preiswerten oder kleineren Raketentriebwerken 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, dem RS-68 Erststufentriebwerk der Delta IV, beim AJ-118 der Delta II Oberstufe und beim RD-58 des Block D/DM der Proton verwendet.^[3]

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 auf 16.000 K und der Hitzeschild musste dabei eine Wärmestromdichte von 43 kW/cm² aushalten. Der Hitzeschild machte deshalb ca. 43% des Gewichts der Eintauchkapsel aus und verbrannte und verdampfte beim Eintritt in die Jupiteratmosphäre zu ungefähr zwei Dritteln.^[4]

Literatur

• Thomas A. Heppenheimer: Facing the Heat Barrier – A History of Hypersonics. NASA SP-2007-4232, Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche
• Frank S. Milos et al. (NASA): Updated Ablation and Thermal Response Program for Spacecraft Heatshield Analysis. 17th Thermal and Fluids Analysis Workshop, Maryland, 2006.

Weblinks

• Shuttles Thermal Protection System (TPS) (englisch)
• SHEFEX: Hitzeschild mit Ecken und Kanten.
• Buran: Hitzeschild. (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ Free Science Experiment - Combustion - Air Pressure, Friction, Speed and Heat (englisch)
2. ↑ Ryan Grabow: Ablative Heat Shielding for Spacecraft Re-Entry. 7. Dezember 2006, abgerufen am 6. November 2011 (PDF, englisch). 
3. ↑ Bernd Leitenberger: Raketentriebwerke
4. ↑ Bernd Leitenberger: Galileos Atmosphärensonde. Abgerufen am 27. April 2011.