bélyeg|Az Apollo parancsnoki kabin belépése a légkörbe – jól látható a hőpajzs izzása (művészi ábrázolás)
A belépés a légkörbe az űrhajók, űrszondák vagy természetes eredetű tárgyak (meteorok, üstökösök) a világűrből kiindulva a légkörben való haladásának folyamata. Veszélyessége miatt az űrrepülés egyik kritikus fázisa, mivel a folyamat megszakítására nincs mód. Mesterséges tárgyak esetén a fogalom azonos a visszatérés a légkörbe fogalmával (mivel eddig még csak földi eredetű mesterséges tárgyak belépéséről van tudomásunk).
A Föld esetén bármely test keringési pályájának a Kármán-vonal (100 km) alá való süllyedése számít belépésnek a légkörbe. A test ebben a magasságban haladva a levegővel súrlódva fokozatosan lefékeződik és felizzik, és tömegétől függően vagy elég a légkörben vagy a felszínbe csapódik. A sebesség a belépéskor több tíz km/s, vagyis a 20-50 Mach tartományban van, a levegő áramlása hiperszonikus.
A fellépő légellenállás a levegő sűrűségével, a sebesség négyzetével és a test ellenállás-felületével arányos, az ugyanakkor termelődő hő a levegő sűrűségével, a sebesség harmadik hatványával és egy, az alaktól függő tényezővel arányos. A légellenállás és a fejlődő hőmennyiség is 60–90 km magasság között maximális. Emiatt a kisebb meteorok (<10 m) többsége ebben a tartományban elég.Természettudományi kislexikon, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1971, 1165. o.
A szócikk elsődleges témája az űrjárművek biztonságos leszállásának folyamata a felszínre, de hasonló folyamaton mennek keresztül a világűrből érkező meteorok, valamint a szándékosan vagy ellenőrizetlenül alacsony pályára kerülő űrszemét, illetve a légkörbe megsemmisülés céljából vezetett, már nem használt űreszközök is.
A légkörbe merülő test nem elsősorban függőlegesen „zuhan”, hanem majdnem vízszintesen, nagy sebességgel halad, nagy mozgási energiával rendelkezik, aminek nagy részét hő formájában adja le. A folyamat során a test magas hőmérsékletre melegszik fel. Űrhajók esetén ez nemkívánatos, ami ellen elsősorban hőpajzs alkalmazásával védekeznek, amit sokszor úgy alakítanak ki, és olyan anyagból készítik, ami a használat során mintegy „elkopik”, és ez a folyamat a keletkezett hőmennyiség nagy részét felemészti.
A kialakuló magas hőmérséklet a légkörben való nagy sebességű haladás során létrejövő ellenállás következménye, de ennek nem csak a levegő súrlódása az oka a járművel szemben. Ahogy a levegő összenyomódik a jármű előtt, lökéshullám képződik. A jármű alakját úgy tervezik meg, hogy ez az erősen forró lökéshullám ne érintkezzen a felületével.Davide Sivolella: To Orbit and Back Again - How the Space Shuttle Flew in Space, Springer Science+Business Media New York, 2014, , 456. o., „Returning home”
Más égitestek esetén a légkörbe való belépés onnantól kezdődik, amikor az égitest felé közeledő test annak légkörében fékeződni kezd. A helyi gravitációtól és a légkör összetételétől, sűrűségétől függően a belépés a földiétől eltérő magasságban történik.
Légkör megléte esetén az űreszköz körül a súrlódás miatt a légkör ionizálódik, azaz plazma keletkezik, emiatt percekig tartó rádiócsend lép fel, ami alatt az űreszközzel a felszínről elektromágneses hullámokkal (pl. rádió) nem lehet kommunikálni.
Természetes tárgyak belépése a légkörbe Természetes tárgyak sorsát több tényező határozza meg: anyagi összetétel, sebesség, tömeg, gravitáció nagysága. Nagy sebesség és kis tömeg esetén a tárgy akár már 100 km magasságban meteorként elég a légkörben és el sem éri a felszínt. Nagyobb tárgyak darabokra szakadnak, felizzanak, egy részük lezuhan, ekkor a földet ért darabok kapcsán meteoritról beszélünk.
A Föld légkörébe érkező tárgy esetén a Földhöz viszonyított sebességnek és iránynak lényeges szerepe van a tárgy mozgási energiája szempontjából. Ha a Föld és a meteor azonos irányban kering a Nap körül, a meteornak kisebb relatív sebessége lesz a Földhöz képest, ezáltal kisebb lesz az energiája is. Retrográd keringés esetén a légkörbe való belépés sebessége nagyobb lesz, mivel a Föld és a meteor sebessége vektorosan összeadódik, így a mozgási energia is jóval nagyobb.
A Naphoz viszonyított sebességeket az alábbi táblázat tartalmazza: Égitest Sebesség (km/s) sebesség (km/h) Meteorok 10–40 36 000 – 144 000 Üstökösök 40–70 144 000 – 252 000 Föld 30 108 000
A hőpajzs története A hőpajzs ötlete már Robert Goddard amerikai kutató egyik 1920-as írásában is szerepel: „A légkörbe belépő meteorok, melyek sebessége eléri a 170 000 km/h-t, belseje hűvös marad, de felszínük felizzik a légköri súrlódás miatt. Ha itt kemény, de a hőt rosszul vezető réteg van, a test belseje nem melegszik fel.”
A gyakorlati fejlesztés a ballisztikus rakéták egyre nagyobb hatótávolságával és sebességével kezdődött. Már a korai, kis hatótávolságú rakéták esetén is (mint a második világháborús V–2) nemcsak az aerodinamikai stabilitás elérése, hanem a túlságos felmelegedés is komoly problémát okozott (sok V-2 széthullott a légkörbe való visszatéréskor).
A közép-hatótávolságú rakéták, mint az orosz R-5 rakéta (1200 km hatótávolság), kerámia hőpajzzsal rendelkeztek.
Az interkontinentális rakétáknak, amik hatótávolsága már 8000 és 12 000 km között volt, hőpajzzsal kellett rendelkezniük. Az Egyesült Államokban Harry Julian Allen kutató dolgozta ki a lekerekített formájú visszatérő egység elméletét, ami kisebb felmelegedéssel járt, mint az addig alkalmazott áramvonalas alak (aminek hegye többnyire elolvadt).Boris Chertok, "Rockets and People", NASA History Series, 2006
A lekerekített formájú alak koncepciója bélyeg|Különböző alakú testek vizsgálata nagy sebességű áramlás mellett (a jobb felső alak a lekerekített forma)
A képen látható négy forma a légkörbe visszatérő egység alakjának korai elképzeléseit tükrözik. A képeken a testek mellett nagy sebességgel áramló gáz megjelenítése látható.
Az Egyesült Államokban Julian Allen és Alfred J. Eggers 1951-ben arra a meglepő következtetésre jutott, hogy a lekerekített formájú visszatérő egység előnyösebb az áramvonalasnál. A lekerekített, tömpe forma nagyobb légköri súrlódással jár, de az így keletkező hőmennyiség a test mellett elhaladó levegőben áramlik el, így a légkörbe belépő test kevésbé melegszik fel.
bélyeg|bal|Az Mk-2 visszatérő egység prototípusa a lekerekített formájú visszatérő egység elméletének vizsgálatára
Allen és Eggers felfedezését katonai titokként kezelték, majd 1958-ban publikálták.
A légkörbe belépő testek formái Gömbszerű alak A legegyszerűbb, tengelyesen szimmetrikus alak a gömb. Az ilyen alakú test belépése a légkörbe egyszerűen modellezhető a newtoni becsapódási elmélet alapján. Hasonlóképpen a hőáramlás pontosan modellezhető a Fay–Riddell egyenlet szerint. A gömbszerű alak statikus stabilitása akkor áll fenn, ha a súlypontja kellően magasan van a belépőélhez viszonyítva (a dinamikus stabilitás - vagyis amikor a test kibillen a statikus egyensúlyból - több problémával jár). A gömbszerű alak általában nem termel felhajtóerőt. Ugyanakkor, ha megfelelő szögben lép be a légkörbe, a gömbszerű alak mérsékelt aerodinamikai felhajtóerőt hoz létre, ami kiszélesíti a belépési folyosót.
Az 1950-es évek végén és az 1960-as évek elején nagy sebességű számítógépek még nem léteztek és a numerikus áramlástani modellezés („computational fluid dynamics”) még gyerekcipőben járt. Mivel a gömbszerű alak modellezése lehetséges volt, ez vált a konzervatív tervezés alapformájává. Ennek következtében a kezdeti emberes űrhajók formáját is így alakították ki.
Ilyen alakot alkalmaztak a korai szovjet Vosztok-programban és a Voszhod-programban, továbbá a Mars felé küldött űrhajóknál és a Venyera-programban, ami a Vénusz felé küldött űrhajókat jelentette.
Az Apollo parancsnoki/szervizmodul gömbszerű alakot és hőpajzsot használt. Hillje, Ernest R., "Entry Aerodynamics at Lunar Return Conditions Obtained from the Flight of Apollo 4 (AS-501)," NASA TN D-5399, (1969).
Gömbszerű alakot alkalmaztak a szovjet emberes Szojuz-program és a Zond-program űrhajói, az amerikai Gemini-program és a Mercury-program űrhajói. Ezeknél az űrhajóknál alkalmazott gömbszerű alaknál fellépő csekély felhajtóerő elegendő volt arra, hogy a gyorsulás csúcsértékét 8-9 g-ről 4-5 g-re csökkentse (hasonlóképpen a keletkező hőmennyiséget is).
Gömb-kúp alak bélyeg|A Galileo műhold a végső összeszerelés előtt (jól látható a gömb-kúp alak) bélyeg|bal|Az amerikai LGM-30 Minuteman interkontinentális rakéta légkörbe visszatérő egysége
A gömb-kúp alak dinamikusan stabilabb, mint a sima gömb.
Az első gömb-kúp alakú űrhajó az amerikai Mk-2 RV volt, amit 1955-ben fejlesztett ki a General Electric vállalat.
Az Mk-2 tervezésekor felhasználták a „lekerekített, tömpe forma” elméletet és hőpajzsot is alkalmaztak. Ennek a rakétának azonban, mint fegyvernek, több hibája volt: túl sokáig tartózkodott a felső atmoszférában és elpárolgott fémrészecskékből álló nyomvonalat húzott maga után, ami radarral jól látható volt. Ezek könnyen sebezhetővé tették a rakétaelhárító rendszerek (ABM - anti-ballistic-missiles) számára. Ezek miatt a General Electric egy alternatív tervet dolgozott ki gömb-kúp alak alkalmazásával. Ez az Mk-6 nevet viselte. Hőpajzsa nem tartalmazott fémet, hanem hőre olvadó műanyagot
bélyeg|Az Mk-6 RV, akkoriban hidegháborús fegyver, a NASA sok későbbi visszatérőegységének elődje
Ez a hővédelmi rendszer annyira hatásosnak bizonyult, hogy a visszatérő egység tompaságát is csökkenteni lehetett. Tömege azonban nagy volt, 3360 kg, hossza 3,1 m, félszöge 12,5° volt.
Nem tengelyszimmetrikus alak Jó példa rá a deltaszárnyas Space Shuttle és a Buran űrrepülőgépek.
A légkörbe belépő egység tervezési elvei Négy kritikus paraméter van, amire figyelemmel kell lennie a visszatérő egység tervezőjének: Legnagyobb hőáramlás Legnagyobb hőterhelés Legnagyobb lassulás Legnagyobb dinamikus nyomás
A legnagyobb hőáramlás és a legnagyobb dinamikus nyomás meghatározza hővédelmi rendszer anyagát. A legnagyobb hőterhelés meghatározza a hővédelmi rendszer anyagának vastagságát. A legnagyobb lassulás elsősorban az emberes űrrepüléseknél játszik fontos szerepet, értéke nem mehet 10 g fölé. Pavlosky, James E., St. Leger, Leslie G., "Apollo Experience Report - Thermal Protection Subsystem," NASA TN D-7564, (1974). Ha a leszállás hosszú idejű súlytalanság után következik, a maximális megengedett lassulás legfeljebb 4 g lehet.
A „konzervatív tervezés” két legrosszabb visszatérési pályát feltételez: a túl sekély és a túl meredek pályát. Túl sekély pálya esetén a belépési szög csekély, ami még éppen lehetővé teszi a leszállást. A túl meredek pálya esetén a hőterhelés maximális és ennek elviselése a biztonságos földetérés feltétele.
Egyelőre nem létezik minden alkalomra megfelelő hővédő anyag, mivel nem mindegy, mennyi ideig kell védenie az űreszközt.
A hőpajzs előtt lökéshullám jön létre. A lökéshullám a belépőélhez „tapad”, ha a kúp félszöge egy kritikus érték alatt van. A kritikus félszög értékét meg lehet becsülni számítással az ideális gázelmélet alapján. Főleg nitrogénből álló légkör esetén (ilyen a Föld, de a Titán is) a legnagyobb megengedett félszög közelítőleg 60°. Szén-dioxid légkör esetén (Mars vagy Vénusz) a legnagyobb megengedett félszög közelítőleg 70°. Miután a lökéshullám leválik, az űrjármű körül további hővédő gázrétegek szükségesek a keletkező hő elvezetésére. Az aerodinamikai központ a haladási irány felé tolódik el, ami instabilitást okoz.
A sikertelen szovjet Mars-programban (kevés leszállás sikerült a felszínre) a leszállóegységek félszöge 60° volt, nem pedig a Mars légkörében megfelelő 70°. Így a szondák valószínűleg a számítottnál nagyobb sebességgel közelítették meg a felszínt és nem tudtak kellően lelassulni. A program idején, az 1960-as évek elején még helytelenül úgy gondolták, hogy a Mars légköre nagyrészt nitrogénből áll (valójában a Mars légköre mindössze 2,7% nitrogént tartalmaz).