Warum ist die Rakete beim Hinflug in Ordnung, das Raumschiff verbrennt jedoch bei der Rückkehr? Auf die Geschwindigkeit kommt es an

Der Vorgang, bei dem eine Rakete von der Erde gezündet wird und abhebt, ist spektakulär. Bei der Rückkehr verbrennt die Rückkehrkapsel jedoch aufgrund der Reibung mit der Atmosphäre immer zu Holzkohle. Warum ist das so?

Offensichtlich handelt es sich hierbei um ein Geschwindigkeitsproblem. Welche Geschwindigkeit muss eine Rakete erreichen, um ein Raumschiff in die Erdumlaufbahn zu bringen? Natürlich sind es 7,9 Kilometer pro Sekunde, was wir die erste kosmische Geschwindigkeit nennen. Wenn die Geschwindigkeit niedriger ist, kann es den Beschränkungen der Erdanziehungskraft nicht entkommen. Wie schnell ist die Rückkehrkapsel also bei ihrer Rückkehr zur Erde? Sie beträgt ebenfalls 7,9 Kilometer pro Sekunde, denn egal, woher die Rückkehrkapsel kommt, muss sie eine Zeit lang in der Erdumlaufbahn fliegen, um Flugbahn und -winkel anzupassen und das Erreichen der Rückkehrposition abzuwarten, bevor sie den Motor für die Rückkehr zur Erde startet. Um die Erde zu umkreisen, muss sie eine Geschwindigkeit von 7,9 Kilometern pro Sekunde haben, daher wird die Anfangsgeschwindigkeit der Rückkehrkapsel nicht unter diesem Wert liegen.

Beide waren 7,9 Kilometer pro Sekunde schnell. Warum war es beim Hinausfliegen in Ordnung, verbrannte aber zu Holzkohle, als es zurückkam?

Denn die Rakete beschleunigt beim Abheben. Die Erdatmosphäre lässt sich von unten nach oben in Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre und Thermosphäre unterteilen. Wenn eine Rakete abhebt, nimmt ihre Geschwindigkeit allmählich zu. Beim Erreichen der Oberkante der Mesosphäre, also etwa 80 Kilometer über der Oberfläche, beträgt die Geschwindigkeit der Rakete nur noch vier bis fünf Kilometer pro Sekunde. Diese Geschwindigkeit reicht nicht aus, um die Außenhülle der Rakete aufgrund der Reibung mit der Atmosphäre zum Verbrennen zu bringen. Je höher es steigt, desto schneller wird die Geschwindigkeit und desto dünner wird die Atmosphäre, sodass es noch unwahrscheinlicher ist, dass die Außenhülle aufgrund der Reibung verbrennt. Doch wenn die Kapsel zur Erde zurückkehrt, ist die Situation anders.

Wenn die Rückkehrkapsel zur Erde zurückkehrt, befindet sie sich im freien Fall mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 7,9 Kilometern pro Sekunde.

Da die obere Atmosphäre sehr dünn und der Widerstand gering ist, verringerte sich die Geschwindigkeit der Rückkehrkapsel nicht wesentlich, als sie etwa 80 Kilometer von der Oberfläche entfernt in die mittlere Schicht eintrat. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit kam es zu starker Reibung der Außenhülle des Raumfahrzeugs mit der immer dichter werdenden Atmosphäre und es begann zu brennen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Temperatur der Außenhülle sogar etwa 2000 °C erreichen. Die Rückkehr der Astronauten zur Erde ist ein gefährlicher Prozess. In der Geschichte der bemannten Raumfahrt kam es bereits zu einem Unfall, bei dem ein Raumschiff während der Rückkehr auseinanderbrach. Es war das Space Shuttle Columbia der USA. Wenn es so gefährlich ist, warum ändern die Menschen dann nicht die Art und Weise, wie Raumschiffe zurückkehren? Warum müssen wir uns auf den freien Fall verlassen, anstatt vorher abzubremsen?

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, die Rückkehrkapsel vorab bei der Rückkehr zur Erde abzubremsen. Eine davon ist der Rückwärtsantrieb, die andere besteht darin, den Fallschirm im Voraus zu öffnen.

Wir wissen, dass die Rückkehrkapsel des Raumfahrzeugs mit einem Fallschirm ausgestattet ist, der eine notwendige Garantie für die sichere Landung der Rückkehrkapsel darstellt. Etwa 10 Kilometer über dem Boden wird die Rückkehrkapsel ihren Fallschirm öffnen. Der erste Fallschirm, der sich öffnet, dient der Verlangsamung und Positionskorrektur, wir nennen ihn „Verzögerungsfallschirm“. Nachdem die Rückkehrkapsel erfolgreich abgebremst und ihre Position angepasst hat, wird der Hauptfallschirm geöffnet, der große Regenschirm, den wir schließlich sehen. Seine Gesamtfläche beträgt rund 1.200 Quadratmeter. Im Vergleich dazu ist die Rückkehrkapsel wie eine Murmel, die unter einem Regenschirm hängt. Daher wird sich der Fallschirm nach der Landung schnell von der Rückkehrkapsel lösen, um zu verhindern, dass die Rückkehrkapsel durch den Fallschirm durch die Einwirkung des Windes herumgeschleift wird.

Unabhängig davon, ob sich der Hauptfallschirm zuletzt öffnet oder der Verzögerungsfallschirm zuerst, nutzen beide das Prinzip des Luftwiderstands.

Allerdings ist die Dichte der oberen Erdatmosphäre sehr gering und die Luft extrem dünn. Auch wenn Sie den Fallschirm vorher öffnen, wird dies Ihre Geschwindigkeit nicht bremsen. Darüber hinaus verbrannte die Rückkehrkapsel aufgrund der Reibung mit der Atmosphäre zu Holzkohle. Bei einem vorzeitigen Öffnen des Fallschirms wäre das Überleben noch schwieriger geworden, daher war ein vorzeitiges Öffnen des Fallschirms unmöglich. Was wäre, wenn wir das Gegenteil tun könnten? Theoretisch ist dies möglich, würde jedoch die Tragfähigkeit der Rakete erheblich reduzieren. Um durch den Rückwärtsantrieb abzubremsen, muss die Rückkehrkapsel eine große Menge Treibstoff mitführen, der von Anfang an mitgeführt werden muss. Das Hauptgewicht einer Chemierakete ist der Treibstoff, daher ist die Nutzlast sehr unbefriedigend. Wenn man außerdem noch jede Menge zusätzlichen Treibstoff zum Abbremsen mitführen muss, bleibt nur noch sehr wenig übrig, das man in den Weltraum transportieren kann.

Unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren ist es am bequemsten und wirtschaftlichsten, die Rückkehrkapsel im freien Fall auf den Boden zurückkehren zu lassen. Wir müssen lediglich die Rückkehrkapsel isolieren, um die Sicherheit im Inneren der Rückkehrkapsel und insbesondere der Astronauten zu gewährleisten.

Tatsächlich müssen Astronauten bei ihrer Rückkehr in der Rückkehrkapsel zur Erde neben den heftigen Verbrennungen außerhalb der Kapsel noch mit einem weiteren Problem rechnen: einem minutenlangen Kontaktverlust. In der Mesosphäre der Erdatmosphäre befindet sich die Atmosphäre in einem ionisierten Zustand. Wenn die Rückkehrkapsel diesen Bereich passiert, wird sie von Ionen umhüllt und verliert ihre Kommunikationsfähigkeit. In diesem Zeitraum kommt es zu einem heftigen Verbrennen der Außenhülle der Rückkehrkapsel. Diesem spannenden Prozess müssen sich die Astronauten allein stellen.