Eine der größeren Herausforderungen beim Senden von Nutzlasten zum Mars besteht darin, mit der Atmosphäre des Planeten zu kämpfen. Obwohl sie im Vergleich zur Erde unglaublich dünn ist (mit etwa der Hälfte von 1% des Luftdrucks der Erde), ist die resultierende Luftreibung immer noch ein Problem für Raumschiffe, die dort landen wollen. Und mit Blick auf die Zukunft hofft die NASA, schwerere Nutzlasten auf dem Mars und anderen Planeten landen zu können – von denen einige möglicherweise eine so dichte Atmosphäre wie die Erde haben.
Eine mögliche Lösung hierfür ist der Einsatz von aufblasbaren Aeroshells (sog. Hitzeschilden), die gegenüber starren zahlreiche Vorteile bieten. Um diese Technologie zu entwickeln, haben die NASA und United Launch Alliance (ULA) haben sich zusammengetan, um einen aufblasbaren Hitzeschild zu entwickeln, der als Flugtest eines aufblasbaren Verzögerers in erdnaher Umlaufbahn (LOFTID). Bis 2022 hoffen sie, diesen hochmodernen Prototyp in die erdnahe Umlaufbahn (LEO) schicken zu können, wo er getestet wird.
Wenn ein Raumfahrzeug in eine Atmosphäre eintritt, beginnen aerodynamische Kräfte auf es einen Widerstand auszuüben. Dies hilft, das Raumfahrzeug abzubremsen und seine kinetische Energie in Wärme umzuwandeln. Natürlich kann diese Hitze sehr intensiv werden und eine Bedrohung für das Raumfahrzeug und die Besatzung an Bord darstellen. Aus diesem Grund sind Nutzlasten und bemannte Missionen mit Hitzeschilden ausgestattet, um sie beim Eintritt in die Atmosphäre zu schützen.
Seit ihrer Gründung im Jahr 1958 hat sich die NASA stark auf Retro-Raketenantrieb und starre Hitzeschilde verlassen, um Raumfahrzeuge während der Orbitaleintritts-, Abstiegs- und Landeoperationen (EDL) zu verlangsamen. Leider haben diese Systeme einige Nachteile, nicht zuletzt die Masse und der Bedarf an Treibmittel. Gleichzeitig ist die Skalierbarkeit ein kleines Problem, da größere Nutzlasten eine größere Aeroshell erfordern, was noch mehr Masse bedeutet.
Hier sind aufblasbare Hitzeschilde besonders nützlich. Mit dieser Technologie könnten die NASA und andere Weltraumbehörden größere Aeroshells verwenden, die mehr Luftwiderstand erzeugen und gleichzeitig Masse sparen. Durch die Integration von Ideen wie LOFTID in ihre Raumsonde, die aerodynamische Kräfte anstelle von Antrieb nutzt, wird die NASA die Art und Weise revolutionieren, wie sie Nutzlasten zu Planeten und in die Umlaufbahn befördert.
Das Konzept ist ein Beispiel für Aufblasbarer aerodynamischer Hyperschall-Verzögerer (HIAD)-Technologie, an der die NASA seit über einem Jahrzehnt forscht. HIAD bietet nicht nur die masseneffizienteste Möglichkeit, ein Raumfahrzeug beim Eintritt in einen Planeten mit Atmosphäre zu verlangsamen, sondern überwindet auch die Verpackungsbeschränkungen starrer Systeme, indem aufblasbare Materialien verwendet werden, die in der Trägerrakete verstaut werden können.
Diese Technologie ist daher der massenwirksamste Weg, um ein Raumfahrzeug, das mit einer Atmosphäre auf einen Planeten eindringt, abzubremsen, und könnte es ermöglichen, größere Massen auf jede Höhe auf diesem Planeten zu transportieren. Nach zwei suborbitalen Flugtests ist der LOFTID-Orbitalflugtest (im Jahr 2022) der nächste logische Schritt im Erprobungsprozess, da er die Validierung der Technologie für eine Reihe von Missionsanwendungen ermöglichen wird.
LOFTID-Pack- und Einsatztests begannen mit einem Belastungstest, um zu überprüfen, ob der Hitzeschild im Flug unter realen Bedingungen wie erwartet funktioniert. Bildnachweis: NASA
Sobald die Tests abgeschlossen sind und die Technologie integriert werden kann, könnten LOFTID und andere HIAD-Konzepte Missionen zu anderen Planeten und Körpern im Sonnensystem sowie zu höher gelegenen Orten ermöglichen. Es könnte auch für Nutzlasten und Besatzungen verwendet werden, die von der Internationale Raumstation (ISS) zur Erde sowie zur Rückgewinnung wiederverwendbarer Komponenten (wie die Triebwerke auf den von der ULA vorgeschlagenen) Vulkanische Rakete ).
Im Langley Research Center der NASA laufen noch Tests, wo Ingenieure den aufblasbaren Hitzeschild für den Start vorbereiten. Dies besteht darin, die Temperatur des Stickstoffgases zu messen, wenn es aus den Tanks entweicht, die während des ersten Testflugs verwendet werden. Pack- und Deployment-Tests werden auch von Airborne System, einem Fallschirmdesign- und -herstellungsunternehmen in Santa Ana, Kalifornien, durchgeführt.
Wenn der Orbitaltest im Jahr 2022 gut läuft, können wir erwarten, dass HIAD-Aeroshells zu einem regelmäßigen Bestandteil von Missionen zum Mars, zur Venus, zum Titan und zu anderen Körpern im Sonnensystem mit dichterer Atmosphäre werden. Und sehen Sie sich unbedingt dieses Video des LOFTID-Hitzeschildes an, das vom NASA Langley Research Center zur Verfügung gestellt wurde:
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