Das „gemeinsame Gesicht“ des „Superschildes“: Warum sehen die Rückkehrkapseln von Raumfahrzeugen ähnlich aus?

Sind Sie nicht jedes Mal total aufgeregt, wenn Sie sehen, wie die Rückkehrkapsel des Raumschiffs erfolgreich landet und die Astronauten sicher zur Erde zurückbringt?

Aber haben Sie sich schon einmal gefragt, warum die Rückholkapseln verschiedener Länder alle einen flachen Boden haben?

Die Rückkehrkapsel von Shenzhou 15

Diagramm der Apollo-Rückkehrkapsel

Schild für sichere Rückkehr

Bei der Erforschung der sicheren Rückkehr der Rückkehrkapsel ist die Lösung des Problems der durch die Hochgeschwindigkeitsreibung zwischen der Rückkehrkapsel und der Atmosphäre erzeugten Wärme zu einem der wichtigsten Punkte geworden. Mitte des 20. Jahrhunderts widmete sich Julian Allen, Direktor des Ames Space Research Center in Kalifornien, USA, verwandten Forschungen. Bei seinen Tests stellte er fest, dass sich die Dichte der umgebenden Luft erheblich ändert, wenn ein Raumfahrzeug (z. B. ein Sprengkopf einer ballistischen Rakete, das Rückkehrfahrzeug eines Raumfahrzeugs usw.) wieder in die Atmosphäre der Erde eintritt und dabei mit extrem hoher Geschwindigkeit durch Luftflüssigkeit fliegt. Wenn Licht durch diese Luftschichten unterschiedlicher Dichte dringt, entstehen aufgrund des Brechungsphänomens Bildeffekte unterschiedlicher Helligkeit, die als „Schattenbild“ bezeichnet werden.

Schattenbild

Allen war sich des Wertes dieser Entdeckung durchaus bewusst. Nach eingehender Überlegung und Recherche legte er eine innovative Idee vor: Das Wiedereintrittsfahrzeug sollte eine flachere und stumpfere Oberfläche zum Wind hin aufweisen. Wenn die Rückkehrkapsel wieder in die Atmosphäre eintritt, wird vor dem Boden eine sehr starke Stoßwelle erzeugt. Diese Stoßwelle wirkt wie eine Schicht „Superschild“ auf der Rückkehrkapsel, die einen Großteil der Hitze blockieren und verhindern kann, dass andere Teile der Rückkehrkapsel zu heiß werden. Durch die Installation eines Hitzeschilds oder eines hitzebeständigen Bodens auf dem stumpfen Boden kann die meiste Hitze zuverlässig blockiert werden, ohne dass die gesamte Rückführungskapsel eine hochfeste, hitzebeständige Struktur aufweisen muss.

Ein Durchbruch in der Formveränderung

Wir wissen bereits, dass die Rückholkapsel im Allgemeinen ein Design mit „flachem Boden“ aufweist. Welche Faktoren spielen neben diesem bekannten Merkmal noch eine Rolle beim Designprozess der Rücklaufkapselform?

Wenn die Rückkehrkapsel wieder in die Atmosphäre eintritt, wird sie auf zwei „mächtige Gegner“ treffen: den Widerstand und die Schwerkraft. In der Luft gibt es Moleküle wie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid. Wenn die Rückkehrkapsel fällt, kollidiert sie mit ihnen und die Fallgeschwindigkeit wird verlangsamt. Dies ist die Wirkung von Widerstand. Die Fallgeschwindigkeit der Rückkehrkapsel wird jedoch hauptsächlich durch die Schwerkraft beeinflusst. Es gibt noch eine weitere Kraft, die für die Rückkehrkapsel sehr hilfreich ist – der Auftrieb. Durch den Auftrieb kann die Flugbahn der Rückkehrkapsel so gesteuert werden, dass die auf die Rückkehrkapsel wirkende Schwerkraft verringert wird. Je länger die Rückkehrkapsel in der dünnen Luft in großen Höhen bleibt, desto weniger Wärme nimmt sie auf und leitet sie weiter, und die entsprechende Wärmemenge, die in die Rückkehrkapsel gelangt, verringert sich ebenfalls.

Beim Wiedereintritt der Rückkehrkapsel in die Atmosphäre wird sie von verschiedenen Faktoren wie Luftwiderstand, Schwerkraft und Hitze beeinflusst. Diese Faktoren sind für die sichere Rückgabe der Kapsel von entscheidender Bedeutung. Hatte die Rückkehrkapsel also von Anfang an die Form einer großen Basis und einer kleinen Spitze? Welche Veränderungen hat die Form der Rückkehrkapsel im Laufe der Weltraumentwicklung erfahren?

Die früheste Form der Rückkehrkapsel war eine kugelförmige Rückkehrkapsel. Das Erscheinungsbild der sphärischen Rücklaufkapsel entspricht bestimmten aerodynamischen Prinzipien und weist eine gewisse Stabilität auf. Da es jedoch fast keinen Auftrieb, ein sehr kleines Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand und einen kleinen Querschnitt hat, kann es den Luftwiderstand nicht effektiv zum Abbremsen nutzen. Dies bedeutet, dass die Flugbahn während des Rückkehrvorgangs schwer zu kontrollieren ist und die Rakete größeren Aufprallkräften ausgesetzt ist, was eine Gefahr für die Sicherheit der Astronauten und die Unversehrtheit der Ausrüstung darstellt.

Um diese Probleme zu lösen, forschten die Wissenschaftler weiter, was zur Entwicklung glocken- und kegelförmiger Rückkehrkapseln führte. Diese Form der Rückkehrkapsel ist unempfindlich gegenüber Luftströmungsstörungen beim Eintritt in die Atmosphäre, verfügt über ein relativ gutes Auftriebs-Luftwiderstands-Verhältnis und ist bei der Landung sehr stabil, wodurch ein reibungsloser Ablauf der Rückkehrmission effektiv gewährleistet werden kann.

Nach dem Eindruck vieler scheint die Rückholkapsel immer extrem hart zu sein, hohen Temperaturen standzuhalten und nach einmaligem Gebrauch nie wieder zum Einsatz zu kommen. Tatsächlich arbeiten Luft- und Raumfahrtingenieure an einer hochinnovativen, flexiblen, aufblasbaren Rückkehrkapsel. Es kann als neues Schutzgerät für die Landung von Rückkehrkapseln angesehen werden und verfügt über äußerst breite Anwendungsaussichten in der Zukunft. Einer seiner größten Vorteile ist seine geringe Größe. Bei zukünftigen Startmissionen können Raumfahrzeuge mehrere solcher Rückkehrkapseln mitführen. Dies bedeutet, dass mehrere Rückflugmissionen durchgeführt werden können, was die Effizienz des Downlink-Transports von Materialien aus dem Weltraum erheblich verbessert und gleichzeitig die Kosten effektiv senkt.

Derzeit wird die Technologie für flexible, aufblasbare Rückkehrkapseln weltweit noch erforscht. Tatsächlich waren die Vereinigten Staaten bereits in den 1960er Jahren führend bei der Erforschung der aufblasbaren Wiedereintrittstechnologie. Aufgrund der damaligen Leistungseinschränkungen exothermer Materialien konnte diese Technologie jedoch nie ausgereift werden und nicht in der Praxis eingesetzt werden. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts beteiligten sich auch die Europäische Weltraumorganisation und die Russische Weltraumorganisation an der Erforschung der Atmosphäre und starteten Projekte zur aufblasbaren Wiedereintritts- und Verzögerungstechnologie. Leider waren diese Versuche letztlich nicht von vollem Erfolg gekrönt.

Wenn diese Technologie der flexiblen, aufblasbaren Rückkehrkapsel erfolgreich eingesetzt werden kann, werden die Kosten für den Transport von Fracht zwischen der Raumstation und der Erde oder sogar zwischen dem Mond und der Erde in Zukunft erheblich gesenkt. Dies bedeutet, dass Menschen Weltraumfracht zu äußerst geringen Kosten transportieren können, was die Belastung durch Weltraumtransporte erheblich reduziert, die Entwicklung von Weltraumressourcen wirtschaftlicher macht und den Menschen hilft, weitere Schritte im Universum zu unternehmen.

Einige Informationen stammen von: CNKI, Huanqiu.com usw.

(Wissenschaftliche Überprüfung: Li Liang, Mitglied des Ausschusses für Wissenschaftspopularisierung und -bildung der Chinesischen Weltraumgesellschaft)