Atmosphäreneintritt

Der Atmosphäreneintritt (Reentry, Entry) ist der Übergang eines Raumfahrzeugs aus dem Orbit oder von einer interplanetaren Flugbahn in die Atmosphäre eines Himmelskörpers. Bei der Rückkehr aus dem niedrigen Erdorbit beträgt die Eintrittsgeschwindigkeit ca. 7,8 km/s (28.000 km/h). Bei Rückkehr vom Mond sind es ca. 11 km/s (Apollo), bei Mars-Rückkehr theoretisch noch mehr.

Die kinetische Energie des Raumfahrzeugs wird durch Reibung an der Atmosphäre in Wärme umgewandelt. Vor dem Hitzeschild bildet sich ein Plasmapolster mit Temperaturen von 1.500 bis 3.000 °C (LEO-Reentry) bzw. über 5.000 °C (Mondrückkehr). Die Kommunikation bricht während des heißesten Teils des Reentry ab (Blackout), weil das Plasma Funkwellen absorbiert. Bei Apollo dauerte dieser Blackout ca. 6 Minuten.

Es gibt zwei grundlegende Hitzeschutzverfahren. Ablative Hitzeschilde verdampfen kontrolliert und nehmen dabei Wärme auf. Das PICA-X-Material von SpaceX (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) wird für die Dragon-Kapsel verwendet und ist mehrfach wiederverwendbar. Der Hitzeschild der Apollo-Kapseln (Avcoat) war für den Einmaleinsatz konzipiert. Thermische Schutzfliesen (Thermal Protection System, TPS) isolieren die Struktur durch keramische Materialien. Das Space Shuttle verwendete ca. 24.300 einzelne Keramikfliesen und verstärkte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Paneele (RCC) an den heißesten Stellen (Nasenkante, Flügelkanten). Der Verlust eines RCC-Paneels führte 2003 zum Verlust der Columbia und ihrer siebenköpfigen Besatzung.

Der Eintrittswinkel ist kritisch. Zu steil: Zu starke Abbremsung und Hitzeentwicklung, die das Raumfahrzeug zerstört. Zu flach: Das Fahrzeug prallt an der Atmosphäre ab wie ein Stein, der über Wasser springt (Skip Reentry), und fliegt wieder ins All. Der sichere Korridor ist nur wenige Grad breit. Bei Apollo betrug er ca. 5,2° bis 7,2° relativ zur Horizontalen.

Aktuelle Entwicklungen: SpaceX entwickelt mit Starship eine vollständig wiederverwendbare Oberstufe, die per Belly-Flop-Manöver eintritt und keramische Hitzekacheln auf der windzugewandten Seite nutzt. Das Fahrzeug dreht sich im Reentry mit der flachen Unterseite nach vorne und nutzt die große Fläche zum Abbremsen. NASAs LOFTID-Experiment (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator) testete 2022 erfolgreich einen aufblasbaren Hitzeschild mit 6 m Durchmesser. Solche Technologien könnten den Atmosphäreneintritt auf dem Mars ermöglichen, wo die dünne Atmosphäre für konventionelle Hitzeschilde zu wenig Bremswirkung bietet.