Bild: NASA
Wissenschaftler bei der NASA haben ein neues bildgebendes Verfahren entwickelt, das an Bord eines Flugzeugs der US-Marine eingesetzt wird, um die Wärmeentwicklung des Space Shuttle beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu überwachen. Mit den neu gewonnenen Daten soll der kritische Hitzeschild der Raumfähre weiter optimiert werden – schließlich muss er jedes Mal bis zu 5500 Grad Celsius aushalten.
Bislang wurden Bilder von drei Shuttle-Missionen aufgezeichnet. Daraus werden derzeit dreidimensionale Temperaturkarten der Flugkörperoberfläche generiert. "Wir wollen verstehen, wo es am heißesten wird, wann das passiert und wie. Denn das bestimmt, welches Material für das Schutzsystem wir einsetzen müssen und wie groß die Fläche sein muss", erläutert Thomas Horvath, Forschungsleiter bei dem "HYTHIRM" genannten Projekt, was für thermodynamische Hyperschall-Infrarotmessung steht.
Die Wissenschaftler am Langley Research Center im US-Bundesstaat Virginia haben eine wichtige Aufgabe. Spätestens seit dem Columbia-Desaster im Jahr 2003, als Schäden an einem Flügel des Shuttles die Wirkung des Hitzeschildes kompromittierten und schließlich zur Zerstörung des Raumfahrzeugs führten, wird an Werkzeugen gearbeitet, um den Gleiter besser untersuchen und schützen zu können. Horvarth unterstütze bereits den Untersuchungsausschuss zur Columbia-Katastrophe (CAIB) und sieht in seiner Arbeit eine wichtige Reaktion auf das Unglück.
"Ich bin davon überzeugt, dass die Forscher ermitteln können, was die starke Hitzeentwicklung auslöst", sagt Douglas Osheroff, Professor für Physik und angewandte Physik an der Stanford University und Mitglied des CAIB. Er glaubt, dass die Thermobilder ein sinnvolles Diagnosewerkzeug sind, um die Integrität der Kacheln des Schutzschildes beim Wiedereintritt zu überprüfen. Aktuell müssen das die NASA-Ingenieure nach dem Aufsetzen noch manuell tun.
Für ihr System verwenden die Forscher ein neuartiges optisches Verfahren. Es nennt sich "Cast Glance" und fliegt an Bord einer P-3 Orion der US-Marine mit. Eigentlich wird die Technik normalerweise vom Pentagon für Raketenabwehrmissionen verwendet. Sie musste deshalb für das NASA-Projekt leicht verändert werden. Die Marine ergänzte eine hochauflösende Videokamera von der Stange und stattete sie mit einem Infrarotfilter aus. Dann wurden die optischen Cast-Glance-Sensoren so kalibriert, dass sie durch die Messung der Shuttle-Infrarotstrahlung die Oberflächentemperatur berechnen können.
Die Marine fliegt bei Wiedereintritt bis zu 37 Kilometer an das Space Shuttle heran. Die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs liegt in dieser Phase zwischen 3,2 und 4,8 Kilometern pro Sekunde. Acht Minuten lang lassen sich so ununterbrochen Daten gewinnen. Das ergibt zwischen 10.000 und 15.000 Bilder pro Mission.
Dabei konzentrieren sich die Forscher auf den Bauch des Shuttles, der mit rund 10.000 thermischen Schutzkacheln bedeckt ist. Die Bereiche, die besonders heiß werden, befinden sich am Bug des Raumfahrzeugs und an den Flügelspitzen. Dort ist ein Spezialmaterial namens RCC (Reinforced Carbon-Carbon) verbaut.
Während das Shuttle Luftmoleküle verdrängt, bildet sich eine Art Schutzschicht um das Raumfahrzeug. Dort liegen die Temperaturen zwischen 1093 und 1649 Grad Celsius. Außerhalb dieses Bereichs wird es mit 5500 Grad dagegen deutlich heißer, erläutert HYTHIRM-Projektmanagerin Deborah Tomek,
Jeder Schaden an den Kacheln, jeder Vorsprung und jede Ausbeulung auf dem Shuttle-Bauch können dazu führen, dass die Schutzschicht zusammenbricht und es zu extremer Hitze kommt. Besonders problematisch sind dabei die Füllmaterialien zwischen den Kacheln, Keramikmaterialien, die kaum papierdick sind. Es kommt vor, dass diese sich nach vorne schieben. (Die NASA betont allerdings, dass das kein Sicherheitsrisiko darstellt.)
Die drei von den HYTHIRM-Forschern untersuchten Shuttle-Missionen waren Discovery am 28. März (STS-119), Atlantis am 24. Mai (STS-125) und nochmals Discovery am 11. September (STS-128). Zudem wurden zwei Flug-Experimente durchgeführt. "Wir ergänzten eine kleine Ausbuchtung am Flügel der Discovery in der Größe von 0,63 Zentimetern, um besser zu verstehen, wie sich der Übergang zur Schutzschicht genau gestaltet", sagt Tomek. Außerdem wurden zwei der Kacheln mit einem Material überzogen, das für den Hitzeschild des kommenden Shuttle-Nachfolgers Orion entwickelt wird.
Die Forscher haben gerade damit begonnen, die gesammelten Daten zu einer 3D-Karte der Oberflächentemperatur zu verarbeiten. Diese soll dann mit Werten aus thermischen Sensoren am Bauch des Shuttles und mit Flussdynamikmodellen verglichen werden. Bis Januar 2010 sollen dann die Ergebnisse präsentiert werden.
Erste Ergebnisse liegen jedoch bereits vorab vor – darunter auch einige überraschende. So sorgte ein Materialfehler, der deutlich kleiner war als die von den Forschern selbst angebrachte Beule, für hohe Temperaturen in einem wesentlich größeren Bereich als gedacht.
Osheroff interessiert auch, ob es Unterschiede zwischen den verschiedenen derzeit noch aktiven Shuttle-Modellen gibt. Columbia war das erste fertiggestellte Modell der Serie und knapp 9 Tonnen schwerer als die Geschwister. "Hitzeverteilungsmuster hängen auch von der Fluglage des Orbiters beim Wiedereintritt ab. Deshalb wäre es sinnvoll, Tests bei mindestens zwei Flügen jeder Raumfähre durchzuführen."
Allerdings sind derzeit nur noch sechs letzte Flüge für die stark gealterte Flotte geplant, bevor es in Rente geht. Die Forscher hoffen, dass auch diese noch beobachtet werden können. Entschieden ist das noch nicht, wäre aber sicher sinnvoll. "Die Fähigkeit, thermische Daten genau vorherzusagen, wird wichtige Auswirkungen auf die Gestaltung neuer Raumfahrzeuge haben", meint Horvath.
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