Ein hybrider ablativer/keramischer Schild für den Wiedereintritt
Bei Missionen wie das Zurückbringen von Proben zur Erde oder der Eintritt in die Atmosphäre eines Gasriesenplaneten wie Jupiter sind die thermischen Belastungen weit höher als die beim Wiedereintritt von einer niedrigen Erdumlaufbahn. Solche Einsätze sind im Allgemeinen schwer zu realisieren und vor allem abhängig vom Gewicht des Raumfahrzeugs. Ablative Materialien, die auf kontrollierte Weise wegbrennen sollen, sind eine vielversprechende Lösung für Wiedereintrittsfahrzeuge. Seit den 1980er-Jahren hat Europa jedoch nur wenig Forschung zu diesen Materialien durchgeführt. Heute erhält die Entwicklung große Bedeutung, um die Abhängigkeit von anderen Ländern für kritische Raumfahrttechnik zu reduzieren. Vor diesem Hintergrund initiierten EU-finanzierte Forscher das Projekt HYDRA (Hybrid ablative development for re-entry in planetary atmospheric thermal protection). Ziel war es, eine innovative TPS zu entwickeln, basiert auf der Kombination von ablativen und wiederverwendbaren Materialien, die im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenstoff-Phenolmaterialien eine überlegene Leistung haben. Das neue System vereint eine ablative äußere Abschirmung mit einer höheren Hitzebeständigkeit auf massearmen, leichten Thermo-Strukturrahmen aus keramischen Faserverbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composites, CMC). Diese hybride Konstruktion verspricht einen verbesserte Wärmeschutz und höhere Korrosionsbeständigkeit sowie eine verbesserte Stoßdämpfung und Schadenstoleranz. Die Forscher von HYDRA wählten den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre als Ausgangspunkt, um die Spezifikationen für das Hybrid-TPS zu entwickeln. Eine Matrix von modernsten ablativen Materialien wurde konstruiert, die Trade-off-Kriterien der wichtigsten Spezifikationen entsprechen. Besonderes Augenmerk wurde auf die International Traffic in Arms Regulations (ITAR) der Regierung der Vereinigten Staaten gelegt. Das Team wählte zwei unterschiedliche Materialien für den Hitzeschild aus: das erste ist ein Kohlenstoff-Graphikfilz, imprägniert mit einem Phenolharz, beim zweiten handelt es sich um einen fortschrittlichen Korkbasisverbundstoff. Außerdem wurden CMC ausgewählt. Nach einem vorläufigen Screening aller Materialien wurden die ausgewählten Materialien ausgiebig auf ihr Verhalten bei thermischen Schocks, extremen Oxidationsbedingungen und Vibrationen hin getestet. Außerdem entwickelten die Forscher theoretische Modelle, mit denen die Konstruktion des Hitzeschildes für ein Wiedereintrittsfahrzeug in der Form von Apollo unterstützt werden soll. Diese beruhten nicht nur auf der doppelten obersten Schicht, sondern auch auf einem Isolator, der den Unterbau thermisch vom Hybrid-TPS abkoppelt. Dieses Konzept zeigte einen Gewichtsvorteil von fast 40% im Vergleich zum herkömmlichen eigenständigen Ablatorsystem. Das Hybridsystem, das während des HYDRA-Projekts entwickelt und verfeinert wurde, wird eine wichtige Verringerung der Masse und eine gleichzeitigen Erhöhung der Temperaturgrenzen ermöglichen. Es soll den Ansprüchen zukünftiger Weltraummissionen genügen und gleichzeitig die europäische Raumfahrtindustrie von ihrer Abhängigkeit von ausländischen Quellen für Raumfahrttechnologien befreien.
Schlüsselbegriffe
Atmosphärenwiedereintritt, Wärmeschutzsysteme, ablative Materialien, Keramik-Matrix-Komposite, Raumfahrtindustrie
