Quelltext der Seite Atmosphärenbremsung

[[Datei:MRO Aerobrake.jpg|mini|[[Mars Reconnaissance Orbiter]] während des Aerobraking-Manövers (künstlerische Darstellung)]]
[[Datei:Mars Climate Orbiter - aerobraking.png|mini|[[Mars Climate Orbiter]]: Geplantes Aerobrakingmanöver vom 23.&nbsp;Sep&shy;tember bis 19.&nbsp;November 1999 mit Angabe der [[Umlaufzeit]]en]]
Unter '''Atmosphärenbremsung''' ([[Englische Sprache|engl.]] '''Aerobraking''' oder ''atmospheric braking'') versteht man ein [[Bahnmanöver]] der Raumfahrt, mit dem die Geschwindigkeit eines [[Raumflugkörper]]s durch mehrfaches Eintauchen in die obere Atmosphäre eines Himmelskörpers gezielt verringert und dadurch die Flugbahn schrittweise an diesen angenähert wird. Eine Atmosphärenbremsung ist technisch weniger anspruchsvoll als ein [[Atmosphäreneinfang]] (Aerocapture), da das Raumfahrzeug geringer und nicht durchgehend abgebremst wird und sich somit weniger stark erhitzt.<ref>{{Literatur |Autor=Donald Rapp |Titel=Human Missions to Mars: Enabling Technologies for Exploring the Red Planet |Verlag=Springer |Datum=2015 |Seiten=246 |Online={{Google Buch |BuchID=DcDYCgAAQBAJ |Seite=246}}}}</ref>

== Vorgang ==
Das abzubremsende Raumfahrzeug befindet sich zunächst in einer elliptischen [[Umlaufbahn]]. Die [[Periapsis]] (geringste Entfernung) der Bahn liegt dabei in einem Bereich der Hochatmosphäre des Himmelskörpers. Dann wird mit jeder Umrundung die [[Bahnhöhe]] der [[Apoapsis]] (weiteste Entfernung) verringert. Diese Verringerung erfolgt durch den [[Strömungswiderstand]] der Atmosphäre. Wenn das Raumfahrzeug nicht landen soll, dann werden bei Erreichen der gewünschten Apoapsis die Triebwerke gezündet, um die Bahnhöhe der Periapsis aus der Atmosphäre herauszuheben. Zur Verbesserung der Bremswirkung lassen sich die [[Solarmodul|Solarpaneele]] einer Planetensonde als [[Bremsklappe]]n oder -flügel verwenden, mit denen der Strömungswiderstand in den oberen Atmosphärenschichten gesteuert und der Wärmeeintrag über eine größere Fläche verteilt werden kann. Das Manöver der Atmosphärenbremsung kann mehrere Monate dauern.

Im Gegensatz zum [[Atmosphäreneinfang]] ''(Aerocapture)'' erfolgt bei der Atmosphärenbremsung der Einschuss von einer hyperbolischen Bahn in eine (hochelliptische) [[Satellitenorbit|Umlaufbahn]] mittels der Triebwerke. Beim Atmosphäreneinfang erfolgt die Abbremsung unter die [[Fluchtgeschwindigkeit (Raumfahrt)|Fluchtgeschwindigkeit]] bei einem einmaligen Atmosphärendurchflug, sodass aufgrund der hohen Bremsleistung ein [[Hitzeschild]] notwendig ist.<ref>{{Internetquelle |autor=M. M. Munk |url=https://www.lpi.usra.edu/meetings/marsconcepts2012/pdf/4173.pdf |titel=AEROCAPTURE DEMONSTRATION AND MARS MISSION APPLICATIONS |werk=lpi.usra.edu |hrsg=NASA Langley Research Center |abruf=2020-12-31 |format=PDF; 283&nbsp;kB |sprache=en}}</ref>

== Steuerung ==
Eine Atmosphärenbremsung erfordert
* einen Himmelskörper mit nennenswerter Atmosphäre (das sind im [[Sonnensystem]] die [[Planet]]en [[Venus (Planet)|Venus]], [[Erde]], [[Mars (Planet)|Mars]], [[Jupiter (Planet)|Jupiter]], [[Saturn (Planet)|Saturn]], [[Uranus (Planet)|Uranus]] und [[Neptun (Planet)|Neptun]] sowie der [[Saturnmond]] [[Titan (Mond)|Titan]]) und
* ein schon ''unter'' die [[Fluchtgeschwindigkeit (Raumfahrt)|Fluchtgeschwindigkeit]] abgebremstes Raumfahrzeug, genauer gesagt muss bereits nach dem ersten Bremsmanöver die Fluchtgeschwindigkeit unterschritten sein.

Sollte neben dem Nutzen von Triebwerken zum Einschwenken in eine Atmosphärenbremsbahn ein zusätzliches Bremsen durch Triebwerke erforderlich sein, ist es am effektivsten, wenn dies kurz vor dem, während des oder kurz nach dem ersten atmosphärischen Bremsmanöver erfolgt, da
* es aufgrund des [[Oberth-Effekt]]s am effizientesten ist, Treibstoff bei hohen Geschwindigkeiten zu verwenden und
* die Fluchtgeschwindigkeit nach dem ersten Bremsmanöver unterschritten sein muss.

Weitere Charakteristika der Atmosphärenbremsung:
* Das Bremsen erfolgt primär in der Hochatmosphäre des Himmelskörpers bei Drücken von 0,02&nbsp;Pa<ref>Mars Reconnaissance Orbiter in etwa 330&nbsp;km Höhe</ref> bis maximal 40&nbsp;Pa.<ref>Beim [[Mars Climate Orbiter]] lag die Zerstörungsgrenze bei 85&nbsp;km Flughöhe und geschätzten 40&nbsp;Pa Luftdruck.</ref><ref>Der Luftdruck auf Normalhöhe auf dem Mars beträgt etwa 600&nbsp;Pa, Abschätzungen aus der Gasgleichung ergeben eine Halbierung des Luftdrucks etwa alle 22&nbsp;km.</ref><ref>Das Hauptbremsmanöver des Space Shuttle fand zwischen 55 und 70&nbsp;km Höhe bei 4 bis 40&nbsp;Pa Luftdruck statt. Die höchste Temperatur des Hitzschutzschildes wird in 70&nbsp;km Höhe erreicht, in 55&nbsp;km Höhe ist 75 %, in 25&nbsp;km 99 % der kinetischen Energie abgebaut. Die [[STS-107#Die Katastrophe|Columbia]] brach in 63&nbsp;km Höhe auseinander.</ref> Was sich darunter befindet (dichte Atmosphäre&nbsp;/ [[Gasplanet]], Meere oder Gestein) spielt außer für Ursachenuntersuchungen für fehlgeschlagene Atmosphärenbremsung keine Rolle.
* Bei unbemannten Raumfahrzeugen wird meist in vielen Durchläufen gebremst (beim [[Mars Reconnaissance Orbiter#Mars-Umlaufbahn mittels Aerobraking|Mars Reconnaissance Orbiter]]: 426 Durchläufe), Bremswirkung und Temperaturerhöhung sind moderat, die Bremsmanöver können mehrere Monate dauern.

Zu aerodynamischen Bremsmanövern in der EDL-Phase (Entry, Descent and Landing):
* Bei bemannten Raumfahrzeugen/Rückkehrkapseln wird meist nur ''ein'' Bremsdurchgang in der Erdatmosphäre mit anschließender Landung durchgeführt. Hierzu ist ein umfangreicher Hitzeschild erforderlich.
* Kritisch ist, eine genaue Flugbahn einzuhalten, um ein vorbereitetes Landegebiet zu erreichen.
* Die stärkste Belastung und Bremswirkung trat beim Eintritt der [[Galileo (Raumsonde)|Tochtersonde von Galileo]] mit 228&nbsp;''[[g-Kraft|g]]'' und mit bis zu 15500&nbsp;[[Kelvin|K]] in die Jupiter-Atmosphäre auf. Die Sonde wurde innerhalb von 2&nbsp;Minuten von 47&nbsp;km/s auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst.
* Es kann auch zur Entsorgung von ausgedienten Raumflugkörpern durch Verglühen verwendet werden.

Da Atmosphärenbremsungen selbstverstärkend sind, d.&nbsp;h. in einen Absturz übergehen können, und die Dichte in der Hochatmosphäre durch Sonnenaktivitäten erheblich schwankt, werden Atmosphärenbremsungen meist konservativ eingeleitet. Durch weitere kleine Kurs- oder Lagekorrekturen durch Raketentriebwerke wird permanent nachjustiert. Erfolgreiche Atmosphärenbremsungen enden mit einer Landung oder das Einschwenken in einen stabilen Orbit. Bei Letzterem erfolgt das Ausleiten aus dem Bremsmanöver durch Beschleunigung im Fernpunkt der Flugbahn, was den Nahpunkt anhebt, sodass der Orbit nicht mehr durch die Atmosphäre führt.
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== Schwierige Steuerung ==
Während das Bahnmanöver in einer dünnen [[Atmosphäre (Astronomie)|Atmosphäre]] (z.&nbsp;B. beim Mars) relativ ungefährlich ist, kann es bei der Erde insofern kritisch sein, als es eine sehr genaue [[Steuerungstechnik|Steuerung]] erfordert. Ist das angesteuerte [[Perigäum]] etwas zu hoch oder der Sinkwinkel ungenau, kann der Flugkörper an den Luftschichten „abprallen“, wie ein flacher [[Steinehüpfen#Wiedereintritt in die Atmosphäre|Kieselstein am Wasser]], und in eine unkontrollierte Bahn geraten. Wird hingegen die Flugbahn zu niedrig, kann die Sonde in der dichteren Atmosphäre durch die zu hohe Reibung [[verglühen]].
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== Einsatzgebiete ==
Seit Ende der 1990er Jahre wird die Atmosphärenbremsung zunehmend dazu verwendet, die Flugbahn interplanetarer [[Raumsonde]]n zu korrigieren.

Aerobraking wird genutzt, um in einem zweistufigen Verfahren in eine planetennahe, weniger elliptische Bahn um einen Planeten einzuschwenken. Dazu wird bei der ersten Annäherung an den Planeten die Geschwindigkeit durch Raketentriebwerke knapp unter die Fluchtgeschwindigkeit reduziert, um dann mittels Aerobraking weiter reduziert zu werden.

Erstmals erprobt wurde das Verfahren 1993 durch die [[Venus (Planet)|Venus]]-Sonde [[Magellan (Sonde)|Magellan]] und erstmals eingesetzt 1997 bei der [[Mars Global Surveyor|Mars-Global-Surveyor-Mission]]. Seither wurde dieses Verfahren bei allen US-amerikanischen Sonden benutzt, die in Marsumlaufbahnen gebracht wurden.

Das Raumschiff ''[[Starship]]'' soll bei der Rückkehr von Marsflügen auch mittels Aerobraking in der Erdatmosphäre abbremsen.

== Siehe auch ==
* [[Gravity Assist]]
* [[Interplanetare Navigation]]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:Atmospharenbremsung}}

[[Kategorie:Raumfahrtphysik]]