Atmosphärenbremsung

Mars Reconnaissance Orbiter während des Aerobraking-Manövers

Die Atmosphärenbremsung (auch Aerobraking oder atmospheric braking) ist ein Verfahren der Raumfahrt, um die Flugbahn einer Raumsonde durch Berührung der Atmosphäre im Periapsis der Umlaufbahn um einen Planeten gezielt zu verändern. Das Bahnmanöver dient insbesondere zur Verringerung der Bahnhöhe bzw. der kinetischen Energie (Bremsung), um allmählich eine Landung vorzubereiten.

Zur Verstärkung der Bremswirkung lassen sich die Solarpaneele einer Planetensonde ähnlich Bremsklappen oder -Flügeln verwenden, mit denen der Widerstand bzw. die Reibung an den oberen Atmosphärenschichten erhöht wird.

Schwierige Steuerung

Das Aerobraking dient vor allem der Bremsung bei interplanetaren Raumflügen oder Vorbeiflügen, wo die Geschwindigkeit der anfliegenden Raumsonde sehr hoch ist und weit über der Fluchtgeschwindigkeit des Planeten liegen kann. Das Bremsverfahren ist zu unterscheiden von der Technik des Wiedereintritts, kann aber zur Vorbereitung eines Wiedereintrittmanövers verwendet werden. Es ist mit dem Atmosphäreneinfang (Aerocapture) für dichte Atmosphären verwandt, aber technisch etwas einfacher, weil es weniger Kurskorrekturen erfordert.

Während das Bahnmanöver bei einer dünnen Atmosphäre (z.B. am Mars) relativ ungefährlich ist, kann es bei der Erde insofern kritisch sein, als es eine sehr genaue Steuerung erfordert. Ist das angesteuerte Perigäum etwas zu hoch oder der Sinkwinkel ungenau, kann der Flugkörper an den Luftschichten "abprallen" wie ein flacher Kieselstein am Wasser und in eine unkontrollierte Bahn geraten. Wird hingegen die Flugbahn zu niedrig, kann die Sonde durch zu hohe Reibung verglühen.

Interplanetare Flüge

In den letzten Jahren wird die Atmosphärenbremsung zunehmend dazu verwendet, die Flugbahn interplanetarer Raumsonden zu korrigieren. Nähern sich interplanetare Flugkörper einem Planeten, haben sie eine viel zu hohe Geschwindigkeit, um in eine Umlaufbahn einschwenken zu können und würden ungebremst vorbeifliegen. In der Vergangenheit wurde die Geschwindigkeit durch Bremstriebwerke verringert, damit diese in eine günstigere Bahn für die wissenschaftliche Erkundung einschwenken konnten. Diese Technik hat jedoch den Nachteil, dass größere Treibstoffmengen mitgeführt werden müssen.

Bei der Atmosphärenbremsung hingegen wird durch Einschwenken in eine elliptische Umlaufbahn, deren planetennächster Punkt (Periapsis) innerhalb der oberen Atmosphäre eines Planeten liegt, die Geschwindigkeit der Sonde durch den Luftwiderstand vermindert und die Sonde über mehrere Umläufe hinweg langsam in einen kreisförmigen Orbit manövriert. Mit der Zeit (bis zu mehreren Monaten) reduziert sich die Bahn der Sonde zu einer annähernden Kreisbahn.

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

Im Unterschied zum Atmosphäreneinfang (Aerocapture) ist dieses Bremsen relativ gefahrlos möglich, auch wenn die Dichte der Hochatmosphäre nicht genau bekannt ist. Man muss dabei allerdings vorsichtig vorgehen, wodurch der Bremsvorgang einige Zeit länger dauern kann. Beim Atmosphäreneinfang aus einer nicht gebundenen Hyperbelbahn muss die Bremstiefe (Dichte der Atmosphäre) dagegen genau bestimmt werden, damit das Raumfahrzeug weder zu tief eindringt (und abstürzt), noch zu hoch, um ungebremst dem Planeten wieder zu entkommen. Auch müssen kurzfristige lokale Änderungen der Atmosphärendichte berücksichtigt werden. Zudem muss das Raumfahrzeug den hohen thermischen und mechanischen Belastungen standhalten können. Daher wurde bisher kein Raumflug mit Atmosphäreneinfang durchgeführt, obwohl dies viele Missionen hinsichtlich des Energieaufwands erleichtern würde.