Ernst Messerschmid Stefanos Fasoulas. Raumfahrtsysteme. Eine Einführung mit Übungen und Lösungen. 4., neu bearbeitete Auflage

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1 Ernst Messerschmid Stefanos Fasoulas Raumfahrtsysteme Eine Einführung mit Übungen und Lösungen 4., neu bearbeitete Auflage

2 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG * EINFÜHRUNG l 1.2 GESCHICHTLICHE ENTWICKLUNG Frühe Entwicklungsphase (vorchristliche Zeit bis 1900) Die Phase der ideenreichen Literaten ( ) Die Phase der enthusiastischen Ingenieure" ( ) Die Phase der vorsichtigen Akzeptanz ( ) Die Phase der operationellen Raumfahrt (ab ) RAUMFAHRTNUTZUNG HEUTE UND MORGEN Überwachung, Erforschung und Erhaltung der terrestrischen Umwelt Verbesserung der Infrastruktur in Verkehr und Kommunikation Erkundung des Weltraums Nutzung der Weltraumumgebung : WIRTSCHAFTLICHE RELEVANZ DER RAUMFAHRTTECHNIK UND -NUTZUNG VOM SPACELAB ÜBER DIE MIR-STATION ZUR ISS MÖGLICHE MISSIONEN NACH DER INTERNATIONALEN RAUMSTATION 34 2 DIE ZIOLKOWSKY-RAKETENGLEICHUNG DIE ANNAHME DES SCHWEREFREIEN RAUMES IMPULSGLEICHUNG DER RAKETE WICHTIGE impulsdefinrnonen Der Gesamtimpuls Der spezifische Impuls LEISTUNGS- ODER ENERGIEWIRKUNGSGRADE Gesamtwirkungsgrad, innerer und äußerer Wirkungsgrad Der integrale oder mittlere äußere Wirkungsgrad EIN- UND MEHRSTUFIGE CHEMISCHE TRÄGERRAKETEN Grenzen einstufiger chemischer Raketen Stufenprinzip und Arten der Raketenstufungen Tandemstufung Parallel-Stufung STUFENOPTIMIERUNG (TANDEMSTUFUNG) 72 3 GRUNDLAGEN DER BAHNMECHANIK BEGRIFFE UND ANWENDUNGSBEREICHE KEPLERS GESETZE UND NEWTONS ERGÄNZUNGEN DIE VIS-VIVA-GLEICHUNG 81

3 xn Definitionen Drehimpulserhaltung - Masse im zentralen Kraftfeld Konservatives Kraftfeld und Energieerhaltung Masse im Gravitationsfeld Gravitationsbeschleunigung an der Erdoberfläche Energien im Gravitationsfeld und Vis-Viva-Gleichung ALLGEMEINE LÖSUNG DER VIS-VIVA-GLEICHUNG WICHTIGE ERGEBNISSE AUS DER VIS-VIVA-GLEICHUNG Umlaufzeiten für geschlossene Bahnen Erste kosmische Geschwindigkeit Zweite kosmische Geschwindigkeit (Fluchtgeschwindigkeit) Minimaler Energiebedarf bei einem Start von der Erdoberfläche ALTERNATIVE HERLEITUNG DER GRUNDGLEICHUNGEN Die Bewegungsgleichung für ein Zweikörperproblem Die Drehimpulserhaltung Die Vis-Viva-Gleichung Die Kegelschnittgleichung Das Dreikörperproblem Das n-körperproblem BESCHREIBUNG VON FLUGKÖRPERBAHNEN Koordinatensysteme und Darstellung von Umlaufbahnen Die klassischen Bahnelemente Ausgewählte Umlaufbahnen ANWENDUNG VON ELLIPSENBAHNEN Zeit entlang einer Kepleibahn Ballistische Flugbahnen zwischen zwei Erdpunkten MANÖVER ZUR BAHNÄNDERUNG EINFÜHRENDE BEMERKUNGEN MANÖVER MIT IMPULSIVEN SCHUBPHASEN Definitionen Allgemeine Betrachtung Abhängigkeit des Antriebsbedarfs von der Verteilung der Schubphasen Hohmann-Obergänge Dreiimpuls-Übergänge (bielliptische Übergänge) Inklinationsänderung, BAHNEN MIT ENDLICHEN SCHUBPHASEN Richtungsänderung in konstanter Höhe Aufspiralen AUFSTIEGSBAHNEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON VERLUSTEN RENDEZVOUS-UND ANDOCKMANÖVER Problemstellung Flugphasen 150

4 xm Die Bewegungsgleichungen für das Rendezvous-Problem Restbeschleunigung in einem Raumfahrzeug Ankoppeln (Docking) und Landung auf einem Planeten GRAVITY-ASSIST- ODER SWTNGBY-MANÖVER Zur Entwicklung der Gravity-Assist-Technologie Übergang vom heliozentrischen ins planetenfeste System Berechnung der Geschwindigkeitsänderung Maximaler Energiegewinn im heliozentrischen System Maximierung der Austrittsgeschwindigkeit SONNENSEGEL TETHERS (SEILE) IM GRAVITATIONSFELD Der Gravitationsgradient Schwingungsverhalten und Störkräfte Bahnmechanische Anwendung Elektrodynamische (leitende) Seile Konstellationen und künstliche Schwerkraft ZAHLENWERTE FÜR VERSCHIEDENE MISSIONEN THERMISCHE RAKETEN EINTEILUNG.' Methoden der Treibstoffheizung Thermische Raketen mit geschlossener Heiz- oder Brennkammer Thermische Raketen ohne geschlossene Heizkammer BEMERKUNGEN ÜBER DIE VORGÄNGE IN THERMISCHEN RAKETEN RAKETENSCHUB-DETAILS ERGEBNISSE AUS DER ENERGIEGLEICHUNG IDEALISIERTE RAKETE MIT IDEALEM GAS ALS TREIBSTOFF Grundgleichungen der eindimensionalen reibungsfreien Strömung Bestimmung der Lavalbedingungen Abhängigkeiten von der Querschnittsänderung IDEALE RAKETE Massenstrom und Schub einer idealen Rakete Spezifischer Impuls einer idealen Rakete Wirkungsgrad des idealen Triebwerks Einfluss des Flächenverhältnisses auf den Schub Abgesägte" Düse REALE (VERLUSTBEHAFTETE) DÜSEN Mechanische Verluste Thermische Verluste Chemische Verluste CHEMISCHE RAKETENTREIBSTOFFE Theoretische Leistungen chemischer Raketentreibstoffe 220

5 xrv Treibstoffauswahl ANTRIEBSSYSTEME CHEMISCHER RAKETEN Einteilung nach dem Aggregatzustand der Treibstoffe Einteilung nach dem spezifischen Impuls Einteilung nach der Zahl der Treibstoffkomponenten Einteilung nach sonstigen Betriebsparametern Einteilung nach Art der Anwendung Komponenten und Prozesse ELEKTRISCHE ANTRIEBE DEFINITION VORTEILE ELEKTRISCHER ANTRIEBE WIDERSTANDSBEHEIZTE TRIEBWERKE (RESISTOJET) GRUNDLAGEN FÜR LICHTBOGENTRIEB WERKE ELEKTROTHERMISCHE LICHTBOGENTRIEBWERKE (ARCJETS) MAGNETOPLASMADYNAMISCHE TRIEB WERKE Eigenfeldbeschleuniger Fremdfeldbeschleuniger Hallionenbeschleuniger ELEKTROSTATISCHE TRIEBWERKE Grundlagen zu elektrostatischen Triebwerken Kaufman-Triebwerk RIT-Triebwerk ' Feldemissions-Triebwerk ANTRIEBSSYSTEME FÜRDDE LAGE- UND BAHNREGELUNG EINFÜHRUNG ABGRENZUNG DER SEKUNDÄR- GEGENÜBER DEN PRIMÄRSYSTEMEN AUFGABEN UND ANFORDERUNGEN DIE LAGEREGELUNG VON RAUMFAHRZEUGEN Die Eulerschen Gleichungen Aufgaben der Lageregelung, Stabilisierungsarten, Stellglieder Anforderungen der Drallstabilisierung Anforderungen der Dreiachsenstabilisierung BAHNREGELUNG UND BAHNKORREKTUR Übersicht Kompensation von Injektionsfehlem und Positionierung Bahnregelung geostationärer Satelliten SYSTEMANFORDERUNGEN ARTEN SEKUNDÄRER ANTRIEBSSYSTEME : VERGLEICH DER WICHTIGSTEN TRIEB WERKSSYSTEME 298

6 XV 8 ENERGIEVERSORGUNGSANLAGEN ALLGEMEIN Leistungsbedarf von Raumfahrzeugen Mögliche Energiesysteme für Raumfahrtzwecke Typische Missionen und Erfordernisse Einfluss der Schattenphase auf solare Energieversorgungssysteme ÜBERSICHT ÜBER KURZZEIT-ANLAGEN Primärzellen Sekundärzellen ÜBERSICHT ÜBER LANGZEIT-ANLAGEN Solarzellenanlagen Das Prinzip der Solarzelle Ausgeführte Anlagen Nukleare Anlagen : Thermoelektrische Wandlung Radioisotopenbatterien Nukleare Reaktoren ANDERE UNTERSUCHTE ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME Solardynamische Energieversorgungsanlagen Vergleich Photovoltaik - Solardynamik für eine Raumstation Solare Kraftwerksatelliten THERMALKONTROLLSYSTEME GRUNDLAGEN DER WÄRMEÜBERTRAGUNG DURCH STRAHLUNG Der schwarze Strahler Optische Eigenschaften von Materialien Graue Strahler und technische Oberflächen UMWELTBEDINGUNGEN Solarstrahlung, Albedostrahlung Erdeigenstrahlung Aerodynamische Aufheizung ENTWURF VON THERMALKONTROLLSYSTEMEN THERMALANALYSE* Durchführung von Thermalanalysen Wärmebilanz Gleichgewichtstemperaturen Mathematische Modellierung Thermische Massen Wärmetransportmechanismen Formfaktoren, Strahlungskopplungen Software-Werkzeuge ARTEN VON THERMALKONTROLLSYSTEMEN 357

7 XVI Passive Thermalkontrolle Aktive Thermalkontrolle THERMALTESTS : RAUMTRANSPORTSYSTEME EINLEITUNG MOMENTANER STAND Überblick Einteilungskriterien von Trägerraketen DAS ARIANE-PROGRAMM ZUSAMMENFASSUNG EXISTIERENDER STARTFAHRZEUGE Die europäische Ariane im kommerziellen Geschäft zeitweise vorn Russland: Der wieder erstarkte Riese 387 o Marktführer USA ' Aufsteiger Japan Die Neulinge China und Indien ZUKÜNFTIGE PROJEKTE FÜR RAUMTRANSPORTFAHRZEUGE NASA's geplante Constellation-Rsketen zum Mond Europäische Entwicklungen und die Konkurrenz Studien über zukünftige Raumtransportsysteme Missionen für die zukünftigen Raumtransportsysteme Konzepte für zukünftige europäische Transportsysteme Startkosten für zukünftige Startfahrzeuge Technologieentwicklungen und langfristige Zielsetzung DER EINTRITT VON FAHRZEUGEN IN DIE ATMOSPHÄRE EINLEITUNG FLUGBEREICHE Wiedereintrittsflugprofile Strömungsbereiche FLUGBEREICHSBESCHRÄNKUNGEN UND FAHRZEUGANFORDERUNGEN WÄRMESCHUTZMETHODEN BALLISTISCHER UND SEMIBALLISTISCHER WIEDEREINTRITT Wiedereintrittsflüge ohne Auftrieb Wiedereintrittsflüge mit Auftrieb WIEDEREINTRITT VON GEFLÜGELTEN GLEITFAHRZEUGEN AERODYNAMISCHE ORBIT-TRANSFERFAHRZEUGE (AOTV) Einleitung Aerodynamische Orbit Transfer Fahrzeuge für erdnahe Bahnen Synergetische Bahndrehmanöver Planetenmissionen Technologieaspekte der Aeroassist-Konzepte 440

8 xvn 12 DATEN- UND KOMMUNIKATIONSSYSTEME EINLEITUNG DATENMANAGEMENTSYSTEM ÜBERTRAGUNGSSTRECKEN zu DEN RAUMSTATIONEN VERTEILTE DATENSYSTEME 445 t Netz-Topologien Physikalische Datenverbindungen Software und Programmiersprachen AUSLEGUNG DER FUNKSYSTEME ANTENNEN MODULATION UND CODIERUNG, DAS TDRS-SYSTEM UMWELTFAKTOREN ' EINFÜHRUNG GRAVITATIONSFELDER Gravitationsfeld in größerem Abstand von einem Zentralkörper Gravitationsfeld in der Nähe eines Zentralkörpers Entwicklung des Gravitationspotenzials nach Kugelfunktionen MAGNETFELDER ' Das magnetische Dipolfeld Das Magnetfeld der Sonne Das Magnetfeld der Erde ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG ATMOSPHÄRE FESTE MATERIE DAS SONNENSYSTEM Die Sonne Die Planeten und Zwergplaneten Die Planetoiden Die Monde Die Kometen 485 ANHANG A GESCHICHTLICHE DATEN 489 ANHANG B ÜBUNGSAUFGABEN 511 ANHANG C FORMELSAMMLUNG 581