Hitzeschutzschild

Hitzeschild der Spirit-Mars-Rovers

Der Hitzeschild ist in der Luft- und Raumfahrt die Schicht eines Flugzeugs oder Raumschiffs, die vor der entstehenden Hitze bei der Kompression der Luft^[1] schützen soll.

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 (siehe auch ^[2]).

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.

Auch Überschallflugzeuge müssen vor den Einwirkungen der Schockfront mit speziellen Schichten an ihrer Hülle geschützt werden.

Wiederverwendbare Hitzeschilde

Wiederverwendbare Hitzeschilde wie die Hitzeschutzkacheln der Space Shuttles bestehen meist aus durch Sintern gebundenen, hochporösen Glasfaser-Werkstoffen mit einer dichten, spröden, temperaturbeständigen dünnen Deckschicht (Borsilikat).
Besonders beanspruchte Teile des Space Shuttle-Hitzeschilds, wie die Flügelvorderkante, bestehen aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen (vgl. Hitzeschutz des Space Shuttle (engl.)).

Nicht wiederverwendbare Hitzeschilde

Nicht wiederverwendbare ablative Hitzeschilde werden z. B. bei den russischen Sojus-Raumschiffen eingesetzt und bestehen oft aus Glasfaser-Verbundwerkstoffen und/oder Kunststoffschaum (Polystyrol). Hier verdampft ein Teil des Hitzeschilds und kühlt so den Rest.

Die Hitzeschilde von unbemannten Sonden können auch, je nach Zielplanet, höheren Temperaturen, über 10.000 °C, ausgesetzt werden. Diese Schilde sind ebenfalls nicht wiederverwendbar. Beispielsweise betrug die Masse des Hitzeschildes der Eintrittssonde der Galileomission mehr als die Hälfte der Gesamtmasse vor dem Eintritt in die Jupiteratmosphäre. Die höchste registrierte Temperatur betrug hier 16.000 °C in der Schockfont.

Eine weitere Möglichkeit ist es, zusätzlich die Wärmekapazität des Hitzeschildes auszunutzen. Durch das Zusammenspiel von Wärmekapazität und -leitung stellt der Hitzeschild ein System mit einer Zeitkonstanten für die Wärmeausbreitung dar. Beim Wiedereintritt entsteht die Wärme nur über einen begrenzten Zeitraum, so dass der Hitzeschild abgeworfen werden kann, bevor die Hitze die zu schützenden Strukturen des Raumfahrzeuges erreicht.

Quellen

1. ↑ Free Science Experiment - Combustion - Air Pressure, Friction, Speed and Heat (englisch)
2. ↑ Artikel der englischen Wikipedia über den Wiedereintritt in die Atmosphäre

Weblinks

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