E. Messerschmid. S. Fasoulas. Raumfahrtsysteme

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1 E. Messerschmid. S. Fasoulas Raumfahrtsysteme

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 E.~esserschnnid S. Fasoulas Raumfahrtsysteme Eine Einführung mit Übungen und lösungen Mit 361 Abbildungen und 81 Tabellen Springer

4 Prof. Dr. Ernst Messerschmid Universität Stuttgart Institut für Raumfahrtsysteme Pfaffenwaldring Stuttgart Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas Technische Universität Dresden Fakultät Maschinenwesen Institut für Luft- und Raumfahrttechnik Mommsenstraße Dresden ISBN ISBN (ebook) DOI / Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Messerschmid, Ernst: Raumfahrtsysteme : eine Einführung mit übungen und Lösungen I Ernst Messerschmid; Stefanos Fasoulas. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris; Singapur ; Tokio: Springer, 2000 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: Struwe & Partner, Heidelberg Satz: Autorendaten Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: z

5 Vorwort Raumfahrtsysteme ennöglichen den Zugang zum erdnahen wie femen Teil des Weltraums. Raketen befördern Satelliten direkt auf Bahnen, die sich besonders für die Telekommunikation oder die Beobachtung der Erde eignen, fernere Ziele werden mit besonders gebauten Oberstufen oder Sonden mit leistungsfähigen Antrieben angesteuert. Schwerlasttransporter, wie das amerikanische Space-Shuttle oder die Ariane-5-Rakete, transportieren große Teile von Raumstationen in den erdnahen Weltraum, wo sie von Astronauten zusammengebaut und genutzt werden. Das Zusammenwirken aller Teilsysteme für Transport, Infrastruktur, miteinander kommunizierenden Betriebseinrichtungen sowie die sie bedienenden Menschen auf der Erde wie im Weltraum, ergibt ein komplexes Gesamtsystem, auch Raumfahrtsystem genannt. Dieses Gesamtsystem kann nur verstanden werden, wenn die notwendigen Grundlagen über die Möglichkeiten und Grenzen der Raketentechnik, Orbitmechanik, Raumfahrtantriebe, Lage- und Bahnregelung, Energieversorgung, Thermalkontrolle, Kommunikationssysteme oder beispielsweise auch des Wiedereintritts wiederverwendbarer Raumtransportsysteme in die Atmosphäre bekannt sind. Das Buch über die "Grundlagen der Raumfahrtsysteme" soll diese wichtigen Kenntnisse auf der Basis eines vorhandenen Wissens über Physik, Technische Mechanik, Aero- und Thermodynamik vennitteln, wie es in etwa den ersten vier Semestern eines ingenieur- oder naturwissenschaftlichen Studiums gelernt wird. Es ist aus der gleichnamigen Vorlesung mit den dazugehörigen Übungen entstanden, die etwa 5-6 Semesterwochenstunden umfassen und seit 15 Jahren an der Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik der Universität Stuttgart und seit 1999 auch an der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden gehalten werden. Die Auswahl der behandelten Themen kann natürlich keine absolut vollständige und umfassende Zusammenstellung aller raumfahrtrelevanten Teilbereiche darstellen. Das Lehrbuch ist vielmehr als ein Einstieg in die interdisziplinäre, komplexe und faszinierende Problematik der Raumfahrttechnik gedacht. Es soll den Studierenden und den interessierten Lesern die Grundlagen übersichtlich vennitteln und dadurch motivieren, den Zugang zu vertiefenden Gebieten zu suchen. Die unterschiedlichen Themenbereiche hätten nicht so effektiv in Vorlesungsstoff umgewandelt werden können, wenn wir nicht auf Vorlesungen und Übungen hätten aufbauen können, die von Prof. R. Bühler bis 1984 und den Wissenschaftlern des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart, insbeson-

6 VI dere von den Herren H. Kurtz, Prof. Dr. R. Lo, Dr. U. Schöttle und Dr. H. Schrade, bis 1986 gestaltet und auch später in Teilen noch gehalten wurden. Wichtige Vorschläge zur Ergänzung des Vorlesungs stoffes machten die Herren Dr. U. Schöttle (Kap. 4.5, 7, 10, 11), Dr. F. Huber (Kap. 12), 1. Krüger (Kap. 9) und F. Zimmermann (Kap. 4.8). Dafür möchten wir uns sehr bedanken. Ebenso möchten wir uns bei bislang insgesamt 15 Jahrgängen von Luft- und Raumfahrttechnik-Studenten bedanken, die mit ihren Anregungen und Verbesserungsvorschlägen ebenfalls zum vorliegenden Manuskript beigetragen haben. An dieser Stelle sei auch denjenigen gedankt, die uns bei der Erstellung von Manuskript und Bildern in eine druckreife Form sowie beim Korrekturlesen unermüdlich geholfen haben. Besonders erwähnen möchten wir Frau C. Stemke, und die Herren M. Völkel und T. Behnke. Jetzt erst wird unsere dritte Dimension, der Weltraum, erschlossen. Damit werden neue Erkenntnisse gewonnen und neuer Nutzen daraus gezogen. Unsere Informationsgesellschaft, als wesentliches, prägendes Element der Welt des nun beginnenden neuen Jahrhunderts, wird in erheblichem Maße weltraumgestützt sein, global im Charakter werden und neue Formen des Transportes und der Kommunikation annehmen. Die Geschwindigkeit dieser Entwicklung in der Raumfahrt und ihrer Nutzung wird erheblich davon abhängen, wie die zugrundeliegenden Technologien vermittelt, verstanden und schließlich als Teil unserer Kultur akzeptiert werden. Wie für andere neue Technologiefelder ist es dabei von Bedeutung, gleichermaßen die Chancen und Risiken zu bewerten. Ähnlich wie ein Astronaut "seine" Chance ergreift, im Vorgriff auf die Möglichkeiten zukünftiger Generationen die neue Lebenssphäre in der Schwerelosigkeit zu erleben und zu erforschen, werden viel mehr Menschen in Zukunft, indem sie sich mit Raumtransportsystemen und Nutzanwendungen befassen, Zutrauen in die Raumfahrttechnik gewinnen und diese vermehrt nutzen wollen. Man braucht allerdings nicht wie die Astronauten, Raumfahrt vor Ort erlebt zu haben. Auch von der Erde aus können sich nur wenige Menschen der Faszination der Raumfahrt entziehen. Dies liegt am Zusammenwirken von menschlicher Inspiration, Naturwissenschaften, Verfügbarkeit von Hochtechnologien und dem Mut aller Beteiligten, Raumfahrt von der Idee zur Innovation und neuen Einsichten umsetzen zu wollen. Die Raumfahrtnutzung, vom Erkenntniszugewinn bis hin zur Kommerzialisierung, wird zwangsläufig folgen. Das vorliegende Lehrbuch soll, das ist unsere Hoffnung, einen Beitrag dazu leisten. Stuttgart, im März 2000 Ernst Messerschmid Stefanos Fasoulas

7 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG EINFÜHRUNG 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 RAUMSTATIONEN MÖGLICHE MISSIONEN NACH DER INTERNATIONALEN RAUMSTATION DIE ZIOLKOWSKY-RAKETENGLEICHUNG DIE ANNAHME DES SCHWEREFREIEN RAUMES IMpULS GLEICHUNG DER RAKETE WICHTIGE IMpULS DEFINITIONEN 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 ein stufiger chemischer Raketen Stufen prinzip und Arten der Raketenstufungen Tandemstufung Parallel-Stufung STUFENOPTIMIERUNG (TANDEMSTUFUNG)... 60

8 VIII 3 GRUNDLAGEN DER BAHNMECHANIK BEGRIFFE UND ANWENDUNGSBEREICHE KEPLERS GESETZE UND NEWTONS ERGÄNZUNGEN DIE VIS-VIVA-GLEICHUNG Definitionen Drehipulserhaltung - 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-VIV A-GLEICHUNG WICHTIGE ERGEBNISSE AUS DER VIS-VIV A-GLEICHUNG Umlaufzeiten für geschlossene Bahnen Erste kosmische Geschwindigkeit Zweite kosmische Geschwindigkeit (Fluchtgeschwindigkeit) Minimaler Energiebedarfbei einem Start von der Erdoberfläche BESCHREIBUNG VON F'LUGKÖRPERBAHNEN Koordinatensysteme und Darstellung von Umlaufbahnen Die klassischen Bahnelemente Ausgewählte Umlaufbahnen ANWENDUNG VON ELLIPSENBAHNEN Zeit entlang einer Keplerbahn Ballistische Flugbahnen zwischen zwei Erdpunkten MANÖVER ZUR BAHN ÄNDERUNG EINFÜHRENDE BEMERKUNGEN MANÖVER MIT IMPULSIVEN SCHUB PHASEN Definitionen Allgemeine Betrachtung Abhängigkeit des Antriebsbedarfs von den Schubphasen Hohmann-Übergänge Dreiimpuls-Übergänge (bi elliptische Übergänge) Inklinationsänderung BAHNEN MIT ENDLICHEN SCHUBPHASEN Richtungsänderung in konstanter Höhe Aufspiralen... '" AUFSTIEGSBAHNEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON VERLUSTEN RENDEZVOUS- UND ANDOCKMANÖVER Problemstellung

9 IX Flugphasen Die Bewegungsgleichungen für das Rendezvous-Problem Restbeschleunigung in einem Raumfahrzeug Antriebsbedarf einiger Rendezvousmanöver Ankoppeln (Docking) und Landung auf einem Planeten GRAVITY-ASSIST- ODER SWINGBy-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 t=ae/at auf den Schub "Abgesägte" Düse REALE (VERLUSTBEHAFfETE) DÜSEN

10 x Mechanische Verluste Thermische Verluste Chemische Verluste CHEMISCHE RAKETENTREffiSTOFFE Theoretische Leistungen chemischer Raketentreibstoffe Treibstoffauswahl ANTRIEBSSYSTEME CHEMISCHER RAKETEN Einteilung nach dem Aggregatzustand der Treibstoffe Einteilung nach dem spezifischen Impuls Einteilung nach der Zahl der Treibstoffkomponenten Einteilung nach sonstigen Betriebsparametem Einteilung nach Art der Anwendung Komponenten und Prozesse ELEKTRISCHE ANTRIEBE DEFINmON VORTEILE ELEKTRISCHER ANTRIEBE WIDERSTANDSBEHEIZTE TRIEBWERKE (RESISTOJET) GRUNDLAGEN FÜR LICHTBOGENTRIEBWERKE ELEKTROTHERMISCHES LICHTBOGENTRIEBWERK (ARCJET) MAGNETOPLASMADYNAMISCHE TRIEBWERKE Eigenfeldbeschleuniger Fremdfeldbeschleuniger Hallionenbeschleuniger ELEKTROSTATISCHE TRIEBWERKE Grundlagen zu elektrostatischen Triebwerken Kaufman-Triebwerk RIT-Triebwerk Feldernissions-Triebwerk ANTRIEBSSYSTEME FÜR DIE 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

11 Xl Anforderungen der Drallstabilisierung Anforderungen der Dreiachsenstabilisierung BAHNREGELUNG UND BAHNKORREKTUR Übersicht Kompensation von Injektionsfehlern und Positionierung Bahnregelung geostationärer Satelliten SySTEMANFORDERUNGEN ARTEN SEKUNDÄRER ANTRIEBS SYSTEME VERGLEICH DER WICHTIGSTEN TRIEBWERKS SYSTEME ENERGIEVERSORGUNGSANLAGEN ALLGEMEIN Leistungsbedarf von Raumfahrzeugen Mögliche Energiesysteme für Raumfahrtzwecke Typische Missionen und deren Erfordernisse Einfluß der SchaUenphase auf solare Energieversorgungssysteme ÜBERSICHT ÜBER KURZZEIT-ANLAGEN Primärzellen Sekundärzellen ÜBERSICHT ÜBER LANGZEIT-ANLAGEN Solarzellenanlagen Das Prinzip der Solarzelle Ausgeführte Anlagen Nukleare Anlagen Thermoelektrische Wandlung RadioisotopenbaUerien 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

12 XII Albedostrahlung Erdeigenstrahlung Aerodynamische Autbeizung ENTWURF VON THERMALKONTROLLSYSTEMEN THERMALANALySE Durchführung von Thermalanalysen Wärmebilanz Gleichgewichtstemperaturen Mathematische Modellierung Thermische Massen Wärmetransportmechanismen Formfaktoren, Strahlungskopplungen Software-Werkzeuge ARTEN VON THERMALKONTROLLSYSTEMEN Passive Thermalkontrolle Aktive Thermalkontrolle THERMALTESTS RAUMTRANSPORTSYSTEME EINLEITUNG MOMENTANER STAND Überblick Einteilungskriterien von Trägerraketen Zur Zeit in Einsatz befindliche Trägerraketen DAS ARIANE-PROGRAMM ZUSAMMENFASSUNG EXISTIERENDER STARTFAHRZEUGE ZUKÜNFTIGE PROJEKTE FÜR RAUMTRANSPORTFAHRZEUGE Gegenwärtiger Status und laufende Projekte 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

13 XIII Strömungsbereiche FLUGBEREICHSBESCHRÄNKUNGEN UND FAHRZEUGANFORDERUNGEN WÄRMESCHUTZMETHODEN BALLISTISCHER UND SEMIBALLISTISCHER WIEDEREINTRITT Wiedereintrittsflüge ohne Auftrieb Wiedereintrittsflüge mit Auftrieb WIEDEREINTRITT VON GEFLÜGELTEN GLEITFAHRZEUGEN AERODYNAMISCHE ORBIT-TRANSFERFAHRZEUGE (AOTV) Einleitung l.7.2 Aerodynamische Orbit Transfer Fahrzeuge für erdnahe Bahnen Synergetische Bahndrehmanöver Planetenmissionen l.7.5 Technologieaspekte der Aeroassist-Konzepte DATEN- UND KOMMUNIKA TIONSSYSTEME EINLEITUNG DATENMANAGEMENTSYSTEM ÜBERTRAGUNGSSTRECKEN zu DEN RAUMSTATIONEN VERTEILTEDATENSySTEME Netz-Topologien Physikalische Datenverbindungen Software und Programmiersprachen AUSLEGUNG DER FUNKSYSTEME ANTENNEN MODULATION UND CODIERUNG DAS TDRS-SYSTEM UMWEL TF AKTO REN... 4S EINFÜHRUNG GRAVITATIONSFELDER Gravitationsfeld in größerem Abstand von einem Zentralkörper Gravitationsfeld in der Nähe eines Zentralkörpers Entwicklung des Gravitationspotentials nach Kugelfunktionen MAGNETFELDER Das magnetische Dipolfeld Das Magnetfeld der Sonne

14 XIV Das Magnetfeld der Erde l3.4 ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG ATMOSPHÄRE FES1E MA1ERIE DAS SONNENSYS1EM Die Sonne Die Planeten Die Planetoiden Die Monde Die Kometen ANHANG A GESCHICHTLICHE DATEN A.l FRÜHE ENTWICKLUNGS PHASE (VORCHRIS1UCHE ZEIT BIS 1900) A.2 PHASE DER IDEENREICHEN LI1ERA1EN ( ) A.3 PHASE DER "ENTHUSIASTISCHEN INGENIEURE" ( ) A.4 PHASE DER VORSICHTIGEN AKZEPTANZ ( ) A.5 PHASE DER OPERATIONELLEN RAUMFAHRT (AB ) B ÜBUNGSAUFGABEN

15 xv Literatur 1. Hallmann, W., Ley, W., "Handbuch der Raumfahrttechnik - Grundlagen, Nutzung, Raumfahrtsysteme, Produktsicherung und Projektmanagement", 2. Auflage, ISBN , Carl Hanser Verlag, München, Wien, Oberth, H., "Die Rakete zu den Planetenräumen", R. Oldenbourg, München, 1923,5. Auflage bei UNI-Verlag Dr. Roth-Oberth, Sänger, E., "Raumfahrt Heute - Morgen - Übermorgen", Econ Verlag GmbH, Düsseldorf, Wien, Renner, U., Nauck, J., Balteas, N., "Satellitenteehnik - eine Einführung", Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Ruppe, H.O., "Die grenzenlose Dimension - Raumfahrt", Bände 1&2, Econ Verlag GmbH, Düsseldorf, Wien, Woodeock, G.R., "Spaee Stations and Platforms", Orbit Book Company, Malabar Florida, Staufenbiel, R., Spaee Course Aaehen, 1991, s.auch Journal of Spaeecraft, Jul Aug Wertz, J.R., "Spacecraft Attitude Dynamies and Control", Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, Loh, W.H.T., "Re-Entry and Planetary Entry Physies and Technology", Vol. I/II, Springer Verlag, New York, Ine., Regan, F,J., "Re-Entry Vehicle Dynamies", Ameriean Institute of Aeronauties and Astronautics, Ine.,New York, Hord, R.M., "Handbook of Spaee Teehnology: Status and Projections", CRC Press, Ine., Hankey, W.L., "Re-Entry Aerodynamies", AIAA Education Series, Ameriean Institute of Aeronauties and Astronautics, Washington D.C., Anderson, J.D., "Hypersonie and High Temperature Gas Dynamics", McGraw-Hill Book Company, Brown, C.D., "Spaceeraft Mission Design", AIAA Education Series, American Institute of Aeronauties and Astronautics, Washington D.C., Chetty, "Satellite Teehnology and its Applieation", McGraw-Hill, Griffin, M.D., Freneh, J.R.,,,spaee Vehicle Design", AIAA Edueation Series, Ameriean Institute of Aeronauties and Astronautics, Washington D.C., "Pioneering the Space Frontier", The Report of the US National Commission on Spaee, Bantam Books, ISBN , May Miles, F., "Aufbruch zum Mars", Fanekh'sehe Verlagshandlung Stuttgart, "Ameriea's Spaee Exploration Initiative", The Synthesis Group Reports, U.S. Government Printing Office, Washington D.C.

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