Die Vinh-Gleichungen und die Rückkehr aus dem All

Die Forschung von Nguyen Xuan Vinh über optimale Flugwege ist sehr wichtig. Sie hilft der Wissenschaft über Bewegung und Steuerung von Raumschiffen. Sie hilft auch bei den Flügen von Apollo zum Mond und zurück.

In den 1960er Jahren gibt es einen starken Wettlauf ins All. Die Menschen schaffen etwas sehr Großes: Sie schicken riesige Schiffe in den Weltraum. Die Schiffe wiegen viele hundert Tonnen. Dafür braucht die Rakete einen sehr starken Schub. Sie muss die Anziehung der Erde besiegen. Sie muss viele Kilometer pro Sekunde schnell werden.

Aber dann kommt sofort ein neues Problem: Wie kommt das Schiff sicher zurück? Wie kann man es sicher zurückholen?

Das Schiff kommt in die Atmosphäre. Die Kräfte dort sind sehr stark. Die Astronauten im Schiff müssen absolut sicher bleiben. Deshalb muss das Schiff auf einem guten Weg in die Atmosphäre fliegen. Die Luft bremst das Schiff. Das ist gut, aber die Belastung darf nicht zu groß werden. Auch die Temperatur muss man kontrollieren. Und das Schiff muss am richtigen Ort landen, oft im Meer.

Hinter wenigen Minuten Rückkehr aus dem All stehen viele Jahrzehnte Arbeit. Das sind Orbit-Mechanik, Hyperschall-Aerodynamik und optimale Steuerung.

Nguyen Xuan Vinh arbeitet sein Leben lang an diesen Problemen.

Vom Flugzeug zur Mathematik

Man kann das Problem so einfach erklären:

Man legt ein Messer langsam ins Wasser. Das Messer geht fast leicht durch das Wasser. Aber man schlägt mit dem Messer sehr schnell. Dann ist das Wasser plötzlich nicht mehr weich. Das Messer wird sehr schnell gebremst. Es kann sogar zurückspringen oder die Richtung ändern.

Wenn ein Objekt sehr schnell fliegt, muss es die Luft oder das Wasser sehr schnell zur Seite drücken. Die Zeit ist extrem kurz. Deshalb wird der Widerstand sehr groß. Nicht nur Wasser, auch Luft kann sehr starken Widerstand machen. Luft ist viel dünner als Wasser.

Ein Beispiel: Ein Auto fährt 120 km/h. Der Luftwiderstand ist dann neunmal so groß wie bei 40 km/h. Das Auto braucht dann viel mehr Benzin. Ein normales Flugzeug fliegt 1.000 km/h. Der Widerstand ist noch viel größer.

Ein Raumschiff fliegt in hundert Kilometern Höhe. Es fliegt sehr schnell nach unten. Die Luft vor dem Schiff wird sehr stark gedrückt. Sie wird sehr heiß. Der Widerstand gegen das Schiff wird sehr schnell größer.

Das sind sehr große Probleme für Wissenschaftler und Ingenieure in den 1960er Jahren.

Nguyen Xuan Vinh geht im Jahr 1962 in die USA. Vorher arbeitet er bei der Luftwaffe von Südvietnam. An der Universität von Colorado lernt und forscht er. In einem Interview im Jahr 2003 erzählt er: Von 1962 bis 1968 ist er zuerst Student, dann Lehrer. Er arbeitet mit zwei Wissenschaftlern. Sie sind Experten für Aerodynamik bei Hyperschall-Geschwindigkeit. Mit guter Mathematik forschen sie zusammen für die USAF und die NASA. Die USAF ist die Luftwaffe der USA. Die NASA ist die Raumfahrt-Behörde der USA. Die NASA veröffentlicht später wichtige Ergebnisse als technische Berichte.

Nguyen Xuan Vinh ist kein normaler Mitarbeiter der NASA. Er ist Forscher an der Universität. Universitäten und Forschergruppen können Geld oder Verträge von der Regierung bekommen. Der Wissenschaftler forscht an der Universität. Die Behörde gibt das Problem, das Geld und die Regeln für Berichte.

Das ist ein sehr wichtiges Modell in den USA und in vielen Ländern im Westen. Ein Labor oder eine Universität muss nicht zur Regierung gehören. Sie kann trotzdem für die Regierung forschen. Ein Professor kann lehren. Er kann eine eigene Gruppe aufbauen und leiten. Gleichzeitig kann er Projekte mit anderen Partnern machen. So ist es bei Nguyen Xuan Vinh: Die NASA stellt ihn nicht ein. Aber die NASA gibt Geld für seine Gruppe an der Universität von Michigan. Die Gruppe löst Probleme für die NASA.

Während seiner Zeit als Lehrer und Forscher für Luft- und Raumfahrt in den USA schreibt er circa 100 wissenschaftliche und technische Dokumente. Darunter sind technische Berichte und Forschungsberichte für Verträge. USAF oder NASA veröffentlichen sie.

In den 1960er Jahren werden Flüge mit Überschall und die Rückkehr immer wichtiger. Ein Schiff aus dem All kommt zuerst fast aus dem Vakuum. Dort gibt es fast kein Material und fast keine Reibung. Dann kommt es in die Atmosphäre. Dort wird die Luft schnell dichter. Die Geschwindigkeit am Anfang ist sehr groß. Widerstand und Auftrieb hängen von der Höhe, der Geschwindigkeit, der Position und der Aerodynamik des Schiffes ab.

Für Experten ist die echte Frage: Wie machen wir den Widerstand der Atmosphäre zu einem Werkzeug für die Steuerung?

Ein Schiff mit Auftrieb kann nicht nur bremsen. Es kann auch den Weg ändern. Deshalb müssen Wissenschaftler den besten Weg finden. Zum Beispiel: weniger Hitze, weniger Beschleunigung, weniger Benzin, oder Landung am richtigen Ort. Das Schiff hat nur wenige zehn Minuten für die Rückkehr und die Landung. Wenn man einen Fehler macht, gibt es fast keine zweite Chance.

Es ist schon nicht leicht, den Weg in einer fremden Stadt zu finden. Durch eine Wüste oder über einen Ozean ist es noch viel schwerer. Das sind Probleme seit vielen Jahrhunderten. Die Menschen erfinden gute Geräte für Richtung, Länge und Breite. Aber im All wird alles sofort viel komplexer.

Der Weltraum hat drei Dimensionen. Die Entfernung ist viele zehntausend Kilometer groß. Die Geschwindigkeit ist viele zehnmal so groß wie der Schall. Was ist in diesen extremen Grenzen der beste Weg?

Hier ist die Mathematik von Nguyen Xuan Vinh sehr stark. Er baut ein Rechensystem. Es findet Flugwege. Die Wege machen die Hitze kleiner. Aber die Beschleunigung bleibt sicher für den menschlichen Körper.