Wie verlangsamt sich das Space Shuttle beim Wiedereintritt, Abstieg und der Landung?

Wenn Sie an einer eher visuellen und weniger technischen Erklärung des Wiedereintritts und der Landung des Space Shuttles interessiert sind, habe ich beim Stack Overflow-Treffen im Oktober 2016 einen Vortrag mit dem Titel How to Land the Space Shuttle... from Space gehalten.

Ich habe diese Frage erst vor ein paar Tagen bemerkt, aber als jemand mit einer ungesunden Besessenheit speziell von den Einreise- und Landephasen von Shuttleflügen kann ich sagen, dass in den anderen Antworten hier viele sachlich falsche Informationen enthalten sind. Mal sehen, ob ich es besser erklären kann.

Zuerst die zwei einfachen Fragen, die von anderen Fragen gut beantwortet wurden, aber ich werde sie der Vollständigkeit halber auch hier einfügen:

• Könnte das Shuttle ein Durchstarten durchführen? Nein. Die OMS-Triebwerke sind zu schwach, um einen Unterschied in der Atmosphäre zu machen, und die Haupttriebwerke (die stark genug wären ) werden nur durch den orangefarbenen Außentank betankt, der nach dem Start abgeworfen wird.
• Wo ist es gelandet? 78 Missionen landeten im Kennedy Space Center, 54 (einschließlich der ersten) auf der Edwards Air Force Base und 1 in White Sands . Es gab andere Landeplätze, die für Notfälle bestimmt waren, aber keiner wurde jemals benutzt.

Nun zu der wirklich großen Frage, wie das Shuttle wieder eingetreten und gelandet ist.

Die Hauptquelle, die ich in dieser Antwort zitieren werde, ist das Entry, TAEM, and Approach/Landing Guidance Workbook 21002 , ein Arbeitsbuch, das für die Ausbildung von Astronauten verwendet wurde. Leider habe ich keinen Link dazu, aber es kann von nasaspaceflight.com über ein L2-Abonnement bezogen werden, wenn Sie wirklich interessiert sind. Ich werde diese Quelle als ETAGW abkürzen .

Orbitalmechanik

Zuerst eine wirklich schnelle Lektion in Orbitalmechanik. Um die Höhe Ihrer Umlaufbahn zu ändern, ändern Sie die Geschwindigkeit ($\Delta v$). Wenn Sie die Geschwindigkeit erhöhen, erhöhen Sie die Höhe, und wenn Sie die Geschwindigkeit verringern, verringern Sie die Höhe. Dieser Effekt ist jedoch am deutlichsten 180° von der Position entfernt, an der Sie die Änderung vorgenommen haben. Nach einer vollständigen 360°-Umlaufbahn befinden Sie sich ungefähr auf derselben Höhe wie zu Beginn.

Dies verdeutlicht die Wirkung:

Wenn Sie ausgehend von der kreisförmigen Umlaufbahn (schwarz) an Punkt A langsamer werden, erhalten Sie möglicherweise so etwas wie die rote Umlaufbahn, und wenn Sie beschleunigen, erhalten Sie möglicherweise so etwas wie die blaue Umlaufbahn.

Deorbit Burn

Aufgrund der Natur der Orbitalmechanik, wie oben beschrieben, möchten Sie Ihr Deorbit-Manöver auf der gegenüberliegenden Seite des Planeten von Ihrem beabsichtigten Landeplatz durchführen. Dies geschah typischerweise über dem Indischen Ozean für eine Landung im Kennedy Space Center in Florida.

Die Verbrennung selbst wurde mit dem fliegenden Heck des Shuttles zuerst und der weißen (oberen) Seite in Richtung Erde (Hitzeschild/schwarze Seite in Richtung Weltraum) durchgeführt. Die beiden OMS-Triebwerke (Orbital Manövriersystem) wurden verwendet, um das Erforderliche zu erreichen$\Delta v$(je nach Starthöhe zwischen 200 und 550 ft/sec). Das Brennen dauerte in der Regel etwa 2,5 bis 3 Minuten. Dies würde das Perigäum (tiefster Punkt in einer Umlaufbahn um die Erde) auf ein paar Meilen vom Boden absenken (es fällt mir schwer, eine Quelle zu finden, aber ich erinnere mich, dass es ungefähr 30-40 Meilen waren), was ausreichte, um sicherzustellen die Umlaufbahn würde sie in eine dichte Atmosphäre bringen.

^Bildquelle

Die OMS-Triebwerke sind im Wesentlichen größere Versionen von RCS -Jets (Reaction Control System). RCS-Jets wurden für Rotationsänderungen (Lage) und kleine Translationsänderungen (Geschwindigkeit in einer bestimmten Richtung) verwendet. Die OMS wurden verwendet, um orbitale Änderungen vorzunehmen.

Beide Systeme verbrannten das gleiche hypergolische Gemisch (Monomethylhydrazin (MMH) und Distickstofftetroxid (N2O4)). Wenn das OMS ausgefallen wäre, hätten die RCS-Jets theoretisch verwendet werden können, um das Shuttle für den Wiedereintritt ausreichend zu verlangsamen.

Nase Flip

Einige Antworten besagten, dass der Orbiter für den Flip 140 ° nach unten neigen würde. Das ist falsch. Nachdem das Deorbit-Manöver abgeschlossen war, neigte sich der Orbiter um etwa 220 ° nach oben, bis er einen Anstellwinkel von 40 ° mit der Nase nach oben erreichte (als "EI-5-Einstellung" bezeichnet, da er mindestens fünf Minuten in dieser Einstellung sein muss vor der Eingabeschnittstelle).

Sie haben ungefähr 20 Minuten zwischen der Deorbit-Verbrennung und EI-5, also gibt es viel Zeit, um in beide Richtungen zu werfen. Die Nase nach oben wurde wahrscheinlich bevorzugt, da die APU -Auslassöffnungen in der Nähe des Hecks nach oben zeigen. Dies führt natürlich dazu, dass der Orbiter aufsteigen möchte, wenn die APUs laufen.

Während dieses Pitch-up würden sie die vorderen RCS-Jets abfeuern, um den gesamten vorderen Treibstoff abzulassen, es sei denn, dies sei aus Gründen des Schwerpunkts erforderlich. Die vorderen RCS-Jets wurden beim Wiedereintritt nicht verwendet, und das Ablassen des Treibstoffs verringert potenzielle Gefahren für die Astronauten.

Sobald er in Position ist, würde die Open-Loop-Eintrittsführung beginnen und den Orbiter bei 0 ° Roll (Flügelhöhe), 0 ° Gieren und 40 ° Anstellwinkel (Alpha) halten.

Eingabeschnittstelle

Die NASA definiert die Eintrittsschnittstelle (EI) als eine Höhe von 400.000 Fuß. Es gibt keine harte Kante zur Atmosphäre, aber dies ist ungefähr in der Höhe, in der ihre Auswirkungen direkt erkennbar werden.

S-Kurven

Einige Antworten haben behauptet, dass das Shuttle S-Kurven verwendet hat, um langsamer zu werden. Dies ist eine sehr verbreitete, aber stark vereinfachte und wohl ungenaue Erklärung.

"Wenn Sie das nächste Mal jemanden darüber sprechen hören, dass das Shuttle Rollumkehrungen durchführt, um Energie abzulassen, hören Sie nicht zu. Das Shuttle rollt Umkehrungen, weil es eine sehr kleine Alpha-Hüllkurve hat. " - ETAGW 2.8.1 (Hervorhebung stammt von der Originalquelle)

Wie bei jedem Flugzeug erzeugen die Flügel des Shuttles Auftrieb. Wenn die Atmosphäre dichter wird, werden die Flügel mehr Auftrieb erzeugen, und dieser Auftrieb wird dazu führen, dass sich die Sinkgeschwindigkeit verlangsamt. Tatsächlich würde das Shuttle, wenn es eine Fluglage auf Flügelhöhe beibehielt, schließlich an Höhe gewinnen , was dazu führen würde, dass es mehrere Male über die Atmosphäre "hüpfte", bis es langsam genug war, um durchzufallen. Und während technisch ein überspringender Wiedereintritt möglich wäre, wäre es sehr schwierig, ihn mit irgendeiner Präzision zu kontrollieren.

Wenn der anständige Kurs langsamer wird, fährt das Shuttle stattdessen in eine Bank. Durch die Steuerung des Querneigungswinkels können sie steuern, wie viel Auftrieb die Flügel erzeugen, und somit ihre Sinkgeschwindigkeit steuern.

^{ETAGW Abbildung 2-5 veranschaulicht den Auftriebsvektor.}

Oder natürlich, wenn der Auftriebsvektor seitwärts statt nach oben zeigt, beginnt das Shuttle zu drehen. Aufgrund der unglaublichen Geschwindigkeit ist der Wenderadius enorm, aber es dreht sich trotzdem allmählich, und der Orbiter entwickelt einen Azimutfehler (die Differenz zwischen der aktuellen Richtung des Orbiters und der Richtung zum Landeplatz).

^{ETAGW Abbildung 2-3 zur Veranschaulichung des Azimutfehlers.}

Um diesen Azimutfehler zu korrigieren ($\Delta z$), führt der Orbiter "Rollumkehrungen" durch. Mit anderen Worten, es dreht sich in die andere Richtung. Diese Kurven erzeugen die charakteristische S-Kurven-Wiedereintrittsspur.

Die erste Umkehr erfolgt immer bei 10,5°$\Delta z$. Nachfolgende Umkehrungen erfolgen bei 17,5 ° bis Mach 4, wenn es bei Mach 3 auf 10 ° abfällt.

Hinweis: Alle Mach-Nummern, die irgendwo in dieser Antwort angegeben sind oder auf die irgendwo in Space-Shuttle-Materialien verwiesen wird, sind keine echten Mach-Nummern. Die NASA verwendet 1000 Fuß/Sek. als Annäherung an Mach 1, und alle Machzahlen sind Vielfache dieser Geschwindigkeit.

Reichweite

Offensichtlich besteht das ultimative Ziel des Wiedereintritts darin, die beabsichtigte Landebahn mit einer angemessenen Geschwindigkeit für die Landung zu erreichen. Obwohl der Orbiter keine Triebwerke hat, um dies zu erreichen, verfügt er über eine enorme Menge an Orbitalenergie. Daher wird das Ziel Energiemanagement und insbesondere Widerstandsmanagement.

Der Orbiter hat zwei Möglichkeiten, den Widerstand während des Eintritts zu beeinflussen: Ändern des Anstellwinkels (Alpha) und Ändern des Querneigungswinkels.

Der Anstellwinkel ist der schnellste Weg, um den Luftwiderstand zu erhöhen oder zu verringern, aber der Orbiter durfte nur ± 3 ° vom nominalen Alpha abweichen (40 ° für den größten Teil des Eintritts). Dies ist die zuvor erwähnte "sehr kleine Alpha-Hüllkurve". Die Begrenzung dient dazu, einen angemessenen Hitzeschutz zu gewährleisten und die Fahrzeugkontrolle aufrechtzuerhalten.

Das Ändern des Querneigungswinkels, wie oben beschrieben, ermöglicht es Ihnen, Ihre Sinkgeschwindigkeit zu kontrollieren. Ein steilerer Querneigungswinkel führt dazu, dass dickere Luft schneller erreicht wird, und führt daher zu einem erhöhten Luftwiderstand. Ein flacherer Querneigungswinkel hält den Orbiter länger in dünnerer Luft und führt zu weniger Luftwiderstand. Allerdings dauert es etwas länger, bis man den Effekt eines Bankwechsels sieht, als bei einem Alpha-Wechsel.

Es gibt auch Beschränkungen des Querneigungswinkels, weil Sie wiederum nicht aus der Atmosphäre springen und nicht so schnell in dicke Luft fallen wollen, dass der maximale Luftwiderstand überschritten wird, den das Fahrzeug bewältigen kann, aber es ist ein größerer Umschlag als die Alpha-Grenzen. Tatsächlich könnte der Orbiter in frühen Stadien des Eintritts sogar verkehrt herum geflogen sein (mit seinem Auftriebsvektor auf die Erde gerichtet), falls dies aufgrund einer Unterverbrennung infolge einer Fehlfunktion während der Deorbit-Verbrennung erforderlich sein sollte.

Einstiegsberatungsphasen

Ich werde nicht ins Detail über die Einstiegsführung gehen, aber ich werde sagen, dass sich die primären Überlegungen ändern, wenn sich Geschwindigkeit und Höhe ändern, und die Einstiegsführung in Phasen unterteilt ist, um dies widerzuspiegeln.

^ETAGW

In der obigen Grafik stellt die mittlere Linie das Nominalprofil dar. Die unterste Linie ist das "Gleichgewichtsgleitprofil", das der Mindestwiderstand ist, den der Orbiter aufrechterhalten muss, um einen Höhengewinn und ein Überspringen zu vermeiden. Die Linie oben links stellt eine thermische Grenze dar (wenn der Orbiter diese überschreitet, könnte er verglühen). Die Linie oben rechts stellt eine dynamische Druckgrenze dar (wenn der Orbiter diese überschreitet, kann er aufgrund aerodynamischer Kräfte auseinanderbrechen).

1. Voreintritt : Dies wird als Open-Loop-Führung betrachtet, da alles, was es tut, 0° Gieren, 0° Rollen und 40° Alpha aufrechterhält, bis der Gesamtlastfaktor 0,132 g (ungefähr 3 ft/sec ² Widerstand) wird, an welchem ​​Punkt geschlossen -Schleifenführung beginnt.
2. Temperaturregelung : Beginnt bei geschlossener Führung und endet bei einer Geschwindigkeit von Mach 19. Versucht, eine konstante Temperatur innerhalb der Konstruktionsgrenzen des Orbiters aufrechtzuerhalten.
3. Equilibrium Glide : Stellt einfach eine Brücke zwischen Temperaturkontrolle und konstanten Widerstandsphasen her. Er endet, wenn der Luftwiderstand 33 Fuß/Sek . ² erreicht . Es wird so genannt, weil seine Form der des Gleichgewichtsgleitprofils ähnelt.
4. Konstanter Luftwiderstand: Behält eine konstante Luftwiderstandsrate von 33 ft/sec ² bei , bis die Geschwindigkeit Mach 10,5 erreicht.
5. Übergang : Entwickelt für den Übergang vom hohen Luftwiderstand und hohen Alpha des Eintritts zum niedrigeren Luftwiderstand und niedrigeren Alpha, die erforderlich sind, damit der Orbiter eher wie ein Flugzeug fliegt. Diese Phase endet bei Mach 2,5, wenn TAEM beginnt.

TAEM

TAEM steht für Terminal Area Energy Management. Das Ziel in dieser Phase ist es, den Orbiter mit der richtigen Energiemenge auf die Landebahn auszurichten, um seinen endgültigen Anflug durchzuführen. Auch hier werde ich nicht zu sehr ins Detail gehen (zögern Sie nicht, andere Fragen zu stellen, wenn Sie möchten), aber hier ist das Wesentliche:

Wenn in der Eingangsphase alles gut gelaufen ist, wird TAEM bei etwa 82.000 Fuß und 60 Seemeilen von der Landebahn entfernt beginnen (beabsichtigter Bodenkurs, nicht geradlinige Entfernung).

Während die Einstiegsführung hauptsächlich den Querneigungswinkel zum Energiemanagement verwendet, verwendet TAEM hauptsächlich den Anstellwinkel. Unterhalb von Mach 1 hilft die Speedbrake (ein geteiltes Ruder) auch beim Energiemanagement.

^{Quelle: NASA}

Phasen von TAEM:

1. S-Turn : Normalerweise nicht erforderlich, aber das Shuttle führt S-Turns aus, wenn es beim Start von TAEM zu viel Energie hat (zu hoch oder zu nahe an der Landebahn).
2. Erfassung : Dreht den Orbiter in Richtung eines Berührungspunkts auf dem Heading Alignment Cone (HAC) und fliegt dann auf Flügelhöhe, bis er den HAC abfängt. Der Berührungspunkt wird als "Wegpunkt 1" (WP1) bezeichnet. Während dieser Phase verlangsamt sich der Orbiter auf unter Mach 1, an diesem Punkt nimmt der Kommandant CSS (Steuerknüppelsteuerung), was einem "manuellen" Modus am nächsten kommt.
3. Kursausrichtung : Führt den Orbiter um einen virtuellen "Kegel" (siehe Diagramm unten), bis er mit der Landebahn ausgerichtet ist. Mathematisch gesehen ist es nicht wirklich ein Kegel, aber es ist der einfachste Weg, es sich vorzustellen.
4. Prefinal : Legt den Orbiter auf dem äußeren Gleitpfad fest.

^{ETAGW Abbildung 3-13 zur Veranschaulichung des HAC.}

Anflug und Landung

Die abschließende Führungsphase heißt „Approach and Landing“. Es beginnt, wenn sich der Orbiter unterhalb von 10.000 Fuß befindet und auf dem äußeren Gleitweg (OGS) eingerichtet ist, jedoch nicht später als 5000 Fuß, unabhängig vom Gleitweg.

Der OGS war ein Gleitweg von 20° für "leichte" Orbiter (Bruttogewicht weniger als 222.000 Pfund) oder 18° für "schwere" Orbiter (im Vergleich dazu verwenden normale Flugzeuge einen Gleitweg von 3°). Schwer oder leicht hing davon ab, was sich in der Ladebucht befand. Der nominelle Zielpunkt für das OGS lag 7500 Fuß vor der Schwelle der Landebahn, aber es gab auch einen "nahen" Zielpunkt bei 6500 Fuß, der bei ausreichend starkem Gegenwind verwendet wurde.

Die Geschwindigkeitsbremse wurde verwendet, um 300 KEAS ( Knoten äquivalente Fluggeschwindigkeit - es ist effektiv dieselbe wie die angezeigte Fluggeschwindigkeit) auf dem OGS bis 3000 Fuß zu halten, zu diesem Zeitpunkt berechnete sie, wie viel Geschwindigkeitsbremse für die Landung erforderlich sein sollte, und bewegte sich in diese Position. Es würde noch einmal bei 500 Fuß neu berechnet.

Bei 2000 Fuß würde der Orbiter ein "Preflare"-Manöver beginnen, das darauf ausgelegt ist, vom OGS zum flachen 1,5° inneren Gleitpfad (IGS) überzugehen. Dies wurde mit einem kreisförmigen Hochziehen erreicht, gefolgt von einem exponentiellen Abfall auf das IGS.

^{ETAGW Abbildung 4-8 zur Veranschaulichung der Preflare-Geometrie.}

In Wirklichkeit wird das IGS nicht lange befolgt und ist eher ein Leitfaden, um sicherzustellen, dass Sie die Schwelle der Landebahn auf der richtigen Flugbahn überqueren und sich in Position bringen, um mit dem letzten Aufflackern zu beginnen, das im Wesentlichen mit einem herkömmlichen Landeaufflackern identisch ist ein normales Flugzeug, außer dass das Shuttle aufgrund seiner Deltaflügel (ähnlicher wie Concorde) in einem viel höheren Anstellwinkel (ca. 8 °) landet.

Das Fahrwerk wurde bei 300 Fuß eingesetzt, und wenn Sie sich für das Fahrwerk interessieren, habe ich einmal eine ganze Antwort zum Einsatz des Fahrwerks geschrieben .

Der angestrebte Aufsetzpunkt war 2500 Fuß die Landebahn hinunter bei einer Fluggeschwindigkeit von 195 Knoten für leichte Orbiter oder 205 Knoten für schwere (innerhalb von +5/-10 Knoten).

Der Schleppschirm (eine Ergänzung aus den frühen 90er Jahren) wurde kurz nach dem Aufsetzen des Hauptfahrwerks ausgefahren, aber nicht schneller als 195 Knoten, und manchmal warteten sie, bis das Bugfahrwerk aufsetzte, wenn es Seitenwind gab. Es würde mit 60 Knoten abgeworfen, um sicherzustellen, dass der Befestigungsmechanismus der Rutsche nicht die Hauptmotoren traf und beschädigte.

Kontrolle

(z. B. wie konnte das Shuttle Lageänderungen vornehmen?)

Beim frühen Eintritt wird der Orbiter immer noch wie ein Raumschiff gesteuert, wobei RCS-Jets zur Steuerung der Fluglage verwendet werden. Wenn der dynamische Druck (q-bar) zunimmt, beginnen die aerodynamischen Oberflächen aktiv zu werden und die RCS-Düsen werden wie folgt abgeschaltet:

• q-bar = 0,5 Pfund/Fuß ² (psf), beginnen die Elevons als Trimmung zu wirken.
• q-bar = 2 psf, Querruder beginnen als aktive Steuerflächen zu wirken.
• q-bar = 10 psf, RCS-Rolldüsen sind deaktiviert.
• q-bar = 40 psf, RCS-Pitch-Düsen sind deaktiviert.
• Mach 10, die Speedbrake öffnet sich nach einem vorprogrammierten Zeitplan, um als Pitch-Trimmung zu fungieren.
• Mach 5, Seitenruder wird aktiv und wirkt zunächst hauptsächlich als Querrudertrimmung.
• Mach 1, RCS Gierdüsen sind deaktiviert.

Navigation

(z. B. woher wusste das Shuttle, wo es war?)

Navigation bedeutet in NASA-Begriffen im Wesentlichen, zu wissen, wo man sich befindet (Führung beantwortet die Frage „Wie komme ich dorthin, wo ich hin möchte?“). Während des Eintritts verwendete das Shuttle hauptsächlich Trägheitsnavigationseinheiten , die vor der Deorbit-Verbrennung mit einem Sterntracker ausgerichtet wurden. Wenn es sich dem Landeplatz nähert, könnte es auch GPS- und/oder TACAN -Signale in die Navigationsdaten integrieren. OV-105 (alias Space Shuttle Endeavour) hatte drei installierte GPS-Einheiten und keine TACANs, während die anderen Orbiter drei TACANs und eine GPS-Einheit hatten.

Auf dem HAC, irgendwo in einer Höhe von etwa 15.000 bis 20.000 Fuß, würde der Orbiter das Mikrowellenlandesystem (MLS) aufnehmen, das sich wie ein hochpräzises ILS verhält. Daraus können sie ihre Position mit hoher Präzision und Genauigkeit bestimmen. Einmal erfasst, wird dies die primäre Quelle für Navigationsdaten für den Rest des Fluges.

Auf Landevideos können Sie tatsächlich genau sehen, wann sie MLS aufnehmen, weil das Höhenband zunächst etwas ruckelt, dann ein wenig springt und glatt wird. Sehen Sie hier zum Beispiel etwa bei der 20-km-Marke (Höhenband ist das rechte).

Unterhalb von 5000 Fuß konnte der Orbiter auch einen Radarhöhenmesser für Höheninformationen verwenden.

Das sind wahrscheinlich mehr Informationen, als Sie gesucht haben, aber wenn Sie Fragen zu Dingen haben, die ich nicht behandelt habe oder auf die ich nicht ausführlich genug eingegangen bin, können Sie gerne separate Fragen für diese stellen.

Das Verfahren für das Space Shuttle zum Wiedereintritt in die Erdatmosphäre ist ungefähr wie folgt:

1. Das Shuttle fliegt normalerweise kopfüber, mit dem Seitenleitwerk zur Erde und der Nase in Flugrichtung.

2. Das Shuttle verlässt zuerst die Umlaufbahn, indem es sich um 180 dreht$^{\circ}$(in der Gierachse) und das Zünden der Triebwerke, wodurch die Geschwindigkeit verringert wird, ein Vorgang, der als Retrofiring (oder De-Orbit Burn) bezeichnet wird.

3. Dann dreht das Shuttle um ~140$^{\circ}$(in der Nickachse), so dass es bei etwa 40 in die Atmosphäre eintritt$^{\circ}$.

4. An diesem Punkt beginnt sich die Atmosphäre zu verdicken und der Boden des Space Shuttles heizt sich auf. Aufgrund des sehr hohen Anstellwinkels erzeugt das Shuttle viel Luftwiderstand, was zur Reduzierung der Geschwindigkeit beiträgt.

5. Dann eine Reihe steiler S-förmiger Kurven mit bis zu 70 Grad$^{\circ}$der Bank durchgeführt werden, während die 40 weiterhin beibehalten werden$^{\circ}$Angriffswinkel. Dies geschieht, um die Geschwindigkeit zu reduzieren.

6. Nach Abschluss der letzten (Neigungs-)Kurve wird die Steuerung des Shuttles vom Kommandanten übernommen (der bis jetzt unter Pilotenkontrolle steht), der den Shuttle „fliegt“ (in einem negativen Anstellwinkel vor dem Abflachen) und aufsetzt auf der Piste.

Quelle: zlutykvet.cz

Das Flugsteuerungssystem des Shuttles besteht aus folgenden Komponenten:

• Motoren manövrieren

• Elevons

• Körperklappen

• Geteiltes Ruder (das als Geschwindigkeitsbremse fungierte).

Quelle: quest.arc.nasa.gov

Es gab keine Rückwärtstriebwerke. Das Shuttle landete normalerweise im Kennedy Space Center in Florida oder auf seinem Ersatzlandeplatz auf der Edwards Air Force Base in Kalifornien. Der Wiedereintritt war eine einfache Fahrt. Es gab kein Durchstarten, da das Space Shuttle während der Wiedereintritts- und Landesequenz im Wesentlichen ein sehr hochtechnologisches, wenn auch ineffizientes Segelflugzeug war.

Nach dem Aufsetzen wird die Pilotrutsche nach einer Sekunde ausgefahren, wodurch die Hauptrutsche (Schlepprutsche) geöffnet wird, wodurch das Shuttle verlangsamt wird. Nachdem das Shuttle angehalten hat, wird der Schleppschacht abgeworfen.

Quelle: spacehuttleguide.com

Um den Landevorgang einzuleiten, führt das Shuttle einen Deorbit Burn durch

Wenn es an der Zeit ist, zur Erde zurückzukehren, wird der Orbiter mit dem Heck voran in Fahrtrichtung gedreht, um ein weiteres Zünden der Triebwerke des orbitalen Manövriersystems vorzubereiten. Dieses Brennen wird Deorbit-Brennen genannt. Der Zündzeitpunkt (TIG) ist normalerweise etwa eine Stunde vor der Landung. Das Brennen dauert drei bis vier Minuten und verlangsamt das Shuttle genug, um mit dem Abstieg zu beginnen.
_{^{Alle Zitate stammen von der NASA}}

Um die Geschwindigkeit einmal in der Atmosphäre zu reduzieren

Um überschüssige Energie zu verbrauchen, führt der Orbiter eine Reihe von vier steilen Böschungen durch, wobei er bis zu 80 Grad zur einen oder anderen Seite rollt, um langsamer zu werden. Die Reihe von Böschungen verleiht der Spur des Shuttles zur Landung ein Aussehen, das einem länglichen Buchstaben "S" ähnelt.

Um das Shuttle in der Erdatmosphäre zu steuern

Zu Beginn des Wiedereintritts wird die Ausrichtung des Orbiters durch die hinteren Steuerdüsen gesteuert, die Teil des Reaktionssteuerungssystems sind. Aber beim Sinkflug fliegt das Fahrzeug weniger wie ein Raumschiff, sondern eher wie ein Flugzeug. Seine aerodynamischen Oberflächen – die Flügelklappen und das Seitenruder – werden allmählich aktiv, wenn sich der Luftdruck aufbaut. Wenn diese Oberflächen benutzbar werden, schalten sich die Lenkdüsen automatisch ab.

Um einen Rundgang zu machen

Während des Wiedereintritts und der Landung wird der Orbiter nicht von Triebwerken angetrieben. Stattdessen fliegt es wie ein Hightech-Segelflugzeug und verlässt sich zuerst auf seine Steuerdüsen und dann auf seine Luftflächen, um den Luftstrom um es herum zu steuern. ^{Betonung von mir}

dh es ist ein Segelflugzeug, kein Durchstarten möglich.

Wo landet es: Auf dem Boden natürlich!
Ernsthafter,

• Der primäre Landeplatz für die meisten Shuttle-Missionen war die Shuttle Landing Facility in Cape Canaveral
• Die Edwards Air Force Base auf den Rogers Dry Lake Runways war eine Alternative. Edwards war auch der primäre Landeplatz für die ersten mehreren (10 oder mehr?) Shuttle-Missionen.

Andere alternative Landeplätze waren:

• White Sands Missile Range (der einzige andere zu verwendende Standort)
• Luftwaffenstützpunkt Vandenberg
• Flughafen Lincoln/Lincoln Air National Guard Base .
• Andere Orte waren Notabbruchziele, bevor das Shuttle die Erdatmosphäre verließ.

Quelle: http://science.howstuffworks.com/space-shuttle7.htm

Wenn eine Mission beendet ist und das Shuttle vom Landeplatz (Kennedy Space Center, Edwards Air Force Base) aus die halbe Welt umrundet hat, gibt die Missionskontrolle den Befehl, nach Hause zu kommen, was die Besatzung auffordert:

1. Schließen Sie die Laderaumtüren. In den meisten Fällen sind sie mit der Nase zuerst und auf dem Kopf geflogen, also feuern sie dann die RCS-Triebwerke, um zuerst das Heck des Orbiters zu drehen.
2. Sobald der Orbiter mit dem Heck zuerst ist, zündet die Besatzung die OMS-Triebwerke, um den Orbiter zu verlangsamen und auf die Erde zurückzufallen. es wird etwa 25 Minuten dauern, bis das Shuttle die obere Atmosphäre erreicht.
3. Während dieser Zeit feuert die Besatzung die RCS-Triebwerke, um den Orbiter umzukippen, sodass die Unterseite des Orbiters der Atmosphäre zugewandt ist (etwa 40 Grad) und sie sich wieder mit der Nase voran bewegen.
4. Schließlich verbrennen sie als Sicherheitsvorkehrung übrig gebliebenen Kraftstoff aus dem vorderen RCS, da dieser Bereich der höchsten Wiedereintrittshitze ausgesetzt ist.

Was hier passiert, ist, dass die Geschwindigkeit, mit der das Shuttle um die Erde fliegt, die es in der Umlaufbahn hält, durch das Abfeuern von Raketen in die entgegengesetzte Richtung verringert wird. Sobald die Geschwindigkeit ausreichend reduziert ist, beginnt das Shuttle aus der Umlaufbahn und zurück zur Erde zu fallen. Es hat noch nicht begonnen, bei Schritt 4 oben auf eine signifikante Menge an Atmosphäre zu stoßen.

Da er sich mit etwa 28.000 km/h bewegt, trifft der Orbiter auf Luftmoleküle und baut Reibungswärme auf [sic] (ungefähr 3000 Grad F oder 1650 Grad C).

Dies ist die nächste Phase der „Verlangsamung“. An diesem Punkt, unter Berücksichtigung von Schritt 4 oben, hat das Shuttle keinen Treibstoff und keine Möglichkeit, sich selbst mit Strom zu versorgen. Es ist jetzt ein Segelflugzeug, das aus dem Weltraum herunterfällt. Wenn das Shuttle beginnt, Luftmoleküle zu treffen, erzeugt die Kompression der Luft Wärme (mehr als die Reibung - ein Fehler in der zitierten Passage), die wir als Energieübertragung von kinetisch zu thermisch betrachten können. Der Verlust an kinetischer Energie ist eine Verringerung der Geschwindigkeit des Shuttles, sodass das Shuttle jetzt auf atmosphärische Geschwindigkeit abbremst. Es ist ein bisschen schwierig, weil das Shuttle Luft braucht, um es zu verlangsamen, aber zu viel Luft zu schnell zu treffen, könnte einen schnellen Hitzestau verursachen und das Shuttle zerstören. Der richtige Einfallswinkel mit der Atmosphäre ist der Schlüssel zur Steuerung der Erwärmungsrate gegenüber der Verlangsamung.

Wenn der Wiedereintritt erfolgreich ist, trifft der Orbiter auf die Hauptluft der Atmosphäre und kann wie ein Flugzeug fliegen [sic]. Der Orbiter ist aus einem Hubkörperdesign mit nach hinten gepfeilten „Delta“-Flügeln konstruiert. Mit diesem Design kann der Orbiter mit einer kleinen Flügelfläche Auftrieb erzeugen. An diesem Punkt fliegen Flugcomputer den Orbiter. Der Orbiter macht eine Reihe von S-förmigen Kurven, um seine Sinkgeschwindigkeit zu verlangsamen, wenn er seine endgültige Annäherung an die Landebahn beginnt.

Der Orbiter ist zu diesem Zeitpunkt wirklich ein Segelflugzeug, kein Flugzeug. Es hat nicht so ausgeklügelte Steuerflächen wie viele Flugzeuge, daher werden die S-Kurven verwendet, um es zu verlangsamen.

Wenn sich der Orbiter 610 m (2.000 Fuß) über dem Boden befindet, zieht der Kommandant die Nase hoch, um die Sinkgeschwindigkeit zu verlangsamen . Der Pilot fährt das Fahrwerk aus und der Orbiter setzt auf. Der Kommandant bremst den Orbiter ab und die Geschwindigkeitsbremse am Seitenleitwerk öffnet sich. Ein Fallschirm wird von hinten eingesetzt, um den Orbiter zu stoppen. Der Fallschirm und die Geschwindigkeitsbremse am Heck erhöhen den Luftwiderstand des Orbiters. Der Orbiter stoppt etwa in der Mitte bis drei Viertel der Landebahn.

Obwohl das Shuttle ein Airbrake-System im Heck hat, wird es im Allgemeinen erst nach dem Aufsetzen verwendet.

Wie an anderer Stelle erwähnt, gibt es keine Möglichkeit, herumzufahren. Sobald die De-Orbit-Verbrennung einen bestimmten Punkt überschritten hat, sind der Wiedereintritt und die Landung vollständig abgeschlossen. Angesichts dieser Tatsache und der Tatsache, dass der gesamte Prozess des Geschwindigkeitsmanagements, das Aufstellen für die Landung, das Aufflackern, das Aufsetzen und das Rollen bis zum Stillstand, beim ersten Mal korrekt und ohne eine sehr große Fehlerquote erfolgen muss, können wir beeindruckt sein, wie Wir haben noch nie ein Shuttle bei der Landung verloren und nur ein Shuttle beim Wiedereintritt.

Um eine weniger wissenschaftliche Version dessen zu geben, was bereits gesagt wurde: Es besteht keine Notwendigkeit, die Geschwindigkeit vor dem Wiedereintritt wesentlich zu reduzieren, da der Wiedereintritt der Weg ist , um die Geschwindigkeit zu reduzieren. Und das Shuttle wird vor dem Wiedereintritt nicht heiß, sondern der Wiedereintritt heizt es auf.

Genauer gesagt: Ja, das Shuttle muss vor der Landung langsamer werden. Aber der Grund für seine hohe Geschwindigkeit ist nicht, dass er aus so großer Höhe herunterfällt. Vielmehr ist es wirklich nicht so hoch: AFAIK ist eine typische Shuttle-Umlaufbahn etwa 150 km über dem Boden. Wenn Sie das mit dem Erddurchmesser von mehr als 13000 km vergleichen, ist die Shuttle-Umlaufbahn tatsächlich ziemlich nah am Boden. Der Grund für seine hohe Geschwindigkeit (etwa 5 Meilen pro Sekunde ) relativ zum Boden ist, dass er diese Geschwindigkeit benötigt, um in der Umlaufbahn zu bleiben und nicht herunterzufallen. Deshalb sitzt das Space Shuttle beim Start auf einer so riesigen Rakete: Es ist nicht so sehr notwendig, das Shuttle hoch zu heben, sondern ihm die enorme Geschwindigkeit zu geben, die erforderlich ist, um im Orbit zu bleiben.

Aber Sie können ein Shuttle nicht mit dieser Geschwindigkeit landen, also muss das Shuttle vor der Landung langsamer werden. Wie machst du das? Die Verwendung eines anderen Raketenverstärkers wäre eine Idee. Aber das würde bedeuten, eine riesige Menge Raketentreibstoff in die Umlaufbahn zu transportieren. Und das wiederum würde viel größere Raketen beim Start erfordern, um die Masse anzuheben und zu beschleunigen, die dem Shuttle durch diese "Brems" -Raketen hinzugefügt wird. Stattdessen verwendet das Shuttle einen anderen Ansatz: Es wird mit seinen Triebwerken nur leicht verlangsamt (das in anderen guten Antworten erklärte "De-Orbit Burn"). Dadurch kann es seine Umlaufbahn nicht halten und nähert sich der Erde und ihrer Atmosphäre. Die Verbrennung aus der Umlaufbahn verringert die Geschwindigkeit des Shuttles nicht wesentlich, aber in der Atmosphäre verursacht seine Geschwindigkeit einen erheblichen Luftwiderstand.

1. Das Space Shuttle verlangsamt sich beim Wiedereintritt über seine Unterseite und fliegt in einem sehr steilen Anstellwinkel. Hier sind einige Bilder, die veranschaulichen, wie es aussieht. Der Wiedereintritt erzeugt viel Hitze und die Unterseite hat spezielle hitzebeständige Fliesen, um damit fertig zu werden.
2. Während des Wiedereintritts "fliegt" das Shuttle nicht so sehr, da es seine Unterseite zum Abbremsen verwendet. Zu diesem Zeitpunkt würden die üblichen Klappen, Spoiler und Rückwärtsschub nicht viel ausrichten. Wiedereintritt bezieht sich normalerweise nur auf den Teil, wo das Shuttle in die Atmosphäre kommt. Nach einer Weile, wenn die Geschwindigkeit ausreichend reduziert ist, beginnt das Shuttle eher wie ein normales Flugzeug zu fliegen und verwendet normale Steuerungen. Diese Phase wird normalerweise nicht Wiedereintritt genannt. Wenn es tatsächlich gelandet ist, hat es einen Fallschirm, der es verlangsamt, sowie normale Radbremsen, die helfen, es zu verlangsamen. Die Motoren arbeiten während der Landung nicht, daher gibt es keinen Rückwärtsschub.
3. Das Shuttle hat keine Möglichkeit, herumzufahren.
4. Das Shuttle landet normalerweise am Kennedy Space Center, während frühe Missionen und einige spätere auf der Edwards Air Force Base in Kalifornien landeten. Eine Mission landete auf dem Stützpunkt White Sands in New Mexico. Wikipedia hat mehr Informationen

Ein kurzer Blick auf die Wikipedia-Seite des Space Shuttles beantwortet all Ihre Fragen.

Übrigens unterschied sich das Space Shuttle (genauer gesagt der Orbiter (letzter Flug war 2011) nicht von anderen Raumschiffen / Kapseln / Orbitalfahrzeugen usw.: Beim Wiedereintritt wurde der Luftwiderstand verwendet, um das Fahrzeug zu verlangsamen.

Der Orbiter war ein Auftriebskörper mit Querrudern/Höhenrudern und einem Seitenruder, das auch als Geschwindigkeitsbremse fungierte. Der Orbiter war beim Wiedereintritt ein "Segelflugzeug" ohne Antrieb, so dass ein Go-Around nicht in Frage kam.