Waarom moet een ruimtevaartuig met hoge snelheid terug door de dampkring? langzaam terug zal minder wrijving en hitte tot gevolg hebben.

Weet jij het antwoord?

/2500

Het beste antwoord

Laten we bijvoorbeeld het ISS (het International Space Station) nemen, waarvandaan André Kuipers onlangs is teruggekeerd. Om in een baan rond de aarde te blijven, heeft het ISS een snelheid nodig van bijna 27 duizend km/u. Dat is dus ook de snelheid die de transportmodule heeft waarin André zit op hem moment dat die loskoppelt van het ISS. Om terug te keren, remt de transportmodule een beetje af. De snelheid wordt dan wat lager. Maar: juist doordat de snelheid dan wat lager is, blijft de transportmodule niet meer in een baan rond de aarde (en dat is nu net de bedoeling, want ze willen terug). De lagere snelheid is onvoldoende om in een baan te blijven. De transportmodule begint dus terug te vallen naar de aarde. Door dat terugvallen neemt de snelheid weer toe. En dat is de reden waarom ze met zo'n enorme snelheid de atmosfeer binnenkomen: de snelheid die ze hadden toen ze nog aan het ISS vastzaten, min een beetje doordat ze een beetje hebben geremd, plus een beetje doordat ze vervolgens gecontroleerd naar de aarde terugvallen.   Toegevoegd na 5 minuten:   Nu zouden ze, technische gezien, best veel meer kunnen afremmen, en kunnen blijven remmen. Dan zouden ze inderdaad met een veel lagere snelheid terugkeren in de atmosfeer. Maar: die hoge snelheid hebben ze gekregen doordat ze bij de lancering bovenop een enorme raket zaten. Die raket zat tjokvol met brandstof. Bijna al die brandstof was nodig om die snelheid van bijna 27 duizend km/u te halen (de meeste brandstof van een raket wordt verstookt om die snelheid te halen; er is maar relatief weinig brandstof nodig om die paar honderd kilometer omhoog te komen). Dat betekent dat je bijna evenveel brandstof nodig zou hebben om vanuit een baan om de aarde af te remmen tot een fatsoenlijke snelheid. Je zou feitelijk een hele raketlading aan brandstof nodig hebben. Een lancering kost ruwweg 10 k€ per kilo. Het lanceren van al die brandstof zou dus razend duur worden. De afweging is dus: --  ofwel tegen enorme kosten een extra raketlading brandstof omhoog sturen, om later met lage snelheid terug te kunnen keren; --  ofwel slechts weinig extra brandstof omhoog brengen, en in plaats daarvan een goed hitteschild maken dat de hoge temperaturen kan weerstaan. Tel daarbij op dat je liever geen tonnen aan hoog-explosief materiaal in je ruimtestation hebt, en de afweging valt uit in het voordeel van de hoge terugkeersnelheid met een hitteschild.

Om rond de aarde te blijven draaien moet een ruimteschip een zeer hoge snelheid hebben (zo'n 11km/s). Als het langzamer gaat valt het ding terug naar de aarde. Dat kost heel veel energie (brandstof), te zien aan de grote brandstoftanks die een raket bij zich heeft. Als je dan uiteindelijk terug wilt (wat vaak het geval is) moet je flink afremmen. Dat kost vrijwel net zo veel energie als nodig was om te versnellen: je zou dus bijna net zulke brandstoftanks nodig hebben voor de afdaling. (Om die brandstof mee omhoog te krijgen heb je dan weer een nog veeel grotere raket nodig om op te stijgen...) Veel goedkoper is om te remmen op de lucht(wrijving), met als nadeel dat heel veel hitte ontstaat.

Het probleem is dat een ruimtevaartuig die in een baan zit rond de aarde met een enorme snelheid beweegt, van minimaal 8 km/s (dat is ongeveer 29000 km/h!) Die snelheid is nodig om in de baan te blijven. Vergelijk het met een voorwerp die je aan een elastiek touwtje vast bindt, en dan laat je het rondjes draaien: als het snel genoeg draait, dan blijft het draaien rond je hand, hoe harder je draait, hoe verder van je hand. Dat is net zoals het ruimteschip in een baan rond de aarde: het touwtje trekt aan het voorwerp net zoals de zwaartekracht doet met het ruimteschip, en door de centrifuge kracht blijft het touw gespannen, net zoals met de ruimteschip. Als je het touwtje langzamer laat draaien, dan komt een moment waarop je voorwerp niet meer draait en het elastiekje slap hangt. Dat is vergelijkbaar met een ruimteschip of satelliet die snelheid verliest en meteen neerstort, aangetrokken door de zwaartekracht van de aarde. Nou, dus nu weet je dat om in een baan te blijven moet je heel snel draaien om de aarde (8 km/s of harder) Die snelheid wordt verkregen tijdens de lancering, met de raketten. Op het moment dat de ruimteschip terugkeert, moet je vaart verminderen, want je kan niet landen met die snelheid. Om dit te doen wordt gebruik gemaakt van kleine raketten aan boord van het schip en dedampkring: het ruimteschip mindert een beetje vaart met behulp van de raketten, en begint heel gecontroleerd hoogte te verliezen. Zodra het in de dampkring komt, de wrijving met de lucht zal het afremmen, en dat is stukken goedkoper en efficiënter dan afremmen alleen met de raketten. Het zou te veel brandstof kosten! De hitte die ontstaat door de wrijving is onvermijdelijk: de kinetische energie van het ruimteschip wordt omgezet in warmte, net zoals de remmen van een auto of een fiets warm worden tijdens het remmen. De hoek waarmee een ruimteschip terugkeert wordt heel zorgvuldig berekend. Een te scherpe hoek, en het schip daalt te snel en zal verbranden. Een te kleine hoek, en dan zou het weerkaatsen op de dampkring en opnieuw ver van de Aarde worden gelanceerd. Met de juiste hoek wordt precies genoeg vaart verminderd om af te remmen zonder te verbranden, en veilig te landen met de juiste snelheid. Mission accomplished!!

Stel zelf een vraag

Ben je op zoek naar het antwoord op die ene vraag die je misschien al tijden achtervolgt?

/100