Raumfahrtsysteme. Eine Einführung mit Übungen und Lösungen. von Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas. überarbeitet

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1 Raumfahrtsysteme Eine Einführung mit Übungen und Lösungen von Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas überarbeitet Raumfahrtsysteme Messerschmid / Fasoulas schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Fahrzeugtechnik Springer 2008 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 ltsverzeichnis EITUNG...1 INFÜHRUNG... 1 ESCHICHTLICHE 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 )... 5 AUMFAHRTNUTZUNG HEUTE UND MORGEN Überwachung, Erforschung und Erhaltung der terrestrischen Umwelt Verbesserung der Infrastruktur in Verkehr und Kommunikation Erkundung des Weltraums Nutzung der Weltraumumgebung IRTSCHAFTLICHE RELEVANZ DER RAUMFAHRTTECHNIK UND -NUTZUNG OM SPACELAB ÜBER DIE MIR-STATION ZUR ISS ÖGLICHE MISSIONEN NACH DER INTERNATIONALEN RAUMSTATION IOLKOWSKY-RAKETENGLEICHUNG...37 IE ANNAHME DES SCHWEREFREIEN RAUMES MPULSGLEICHUNG DER RAKETE ICHTIGE IMPULSDEFINITIONEN Der Gesamtimpuls Der spezifische Impuls EISTUNGS- ODER ENERGIEWIRKUNGSGRADE Gesamtwirkungsgrad, innerer und äußerer Wirkungsgrad Der integrale oder mittlere äußere Wirkungsgrad IN- UND MEHRSTUFIGE CHEMISCHE TRÄGERRAKETEN Grenzen einstufiger chemischer Raketen Stufenprinzip und Arten der Raketenstufungen Tandemstufung Parallel-Stufung TUFENOPTIMIERUNG (TANDEMSTUFUNG) DLAGEN DER BAHNMECHANIK...69 EGRIFFE UND ANWENDUNGSBEREICHE... 69

3 3.3.1 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 Keplerbahn Ballistische Flugbahnen zwischen zwei Erdpunkten ÖVER ZUR BAHNÄNDERUNG EINFÜHRENDE BEMERKUNGEN MANÖVER MIT IMPULSIVEN SCHUBPHASEN Definitionen Allgemeine Betrachtung Abhängigkeit des Antriebsbedarfs von der Verteilung der Schubphasen Hohmann-Übergänge Dreiimpuls-Übergänge (bielliptische Übergänge) Inklinationsänderung BAHNEN MIT ENDLICHEN SCHUBPHASEN Richtungsänderung in konstanter Höhe Aufspiralen AUFSTIEGSBAHNEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON VERLUSTEN

4 XIII.5.3 Die Bewegungsgleichungen für das Rendezvous-Problem Restbeschleunigung in einem Raumfahrzeug Ankoppeln (Docking) und Landung auf einem Planeten RAVITY-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 ONNENSEGEL ETHERS (SEILE) IM GRAVITATIONSFELD Der Gravitationsgradient Schwingungsverhalten und Störkräfte Bahnmechanische Anwendung Elektrodynamische (leitende) Seile Konstellationen und künstliche Schwerkraft AHLENWERTE FÜR VERSCHIEDENE MISSIONEN MISCHE RAKETEN INTEILUNG Methoden der Treibstoffheizung Thermische Raketen mit geschlossener Heiz- oder Brennkammer Thermische Raketen ohne geschlossene Heizkammer EMERKUNGEN ÜBER DIE VORGÄNGE IN THERMISCHEN RAKETEN AKETENSCHUB DETAILS RGEBNISSE AUS DER ENERGIEGLEICHUNG DEALISIERTE RAKETE MIT IDEALEM GAS ALS TREIBSTOFF Grundgleichungen der eindimensionalen reibungsfreien Strömung Bestimmung der Lavalbedingungen Abhängigkeiten von der Querschnittsänderung DEALE RAKETE Massenstrom und Schub einer idealen Rakete Spezifischer Impuls einer idealen Rakete Wirkungsgrad des idealen Triebwerks Einfluss des Flächenverhältnisses auf den Schub Abgesägte Düse EALE (VERLUSTBEHAFTETE) DÜSEN Mechanische Verluste Thermische Verluste Chemische Verluste

5 5.8.2 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 KTRISCHE ANTRIEBE DEFINITION VORTEILE ELEKTRISCHER ANTRIEBE WIDERSTANDSBEHEIZTE TRIEBWERKE (RESISTOJET) GRUNDLAGEN FÜR LICHTBOGENTRIEBWERKE ELEKTROTHERMISCHE LICHTBOGENTRIEBWERKE (ARCJETS) MAGNETOPLASMADYNAMISCHE TRIEBWERKE Eigenfeldbeschleuniger Fremdfeldbeschleuniger Hallionenbeschleuniger ELEKTROSTATISCHE TRIEBWERKE Grundlagen zu elektrostatischen Triebwerken Kaufman-Triebwerk RIT-Triebwerk Feldemissions-Triebwerk RIEBSSYSTEME 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 Anforderungen der Drallstabilisierung Anforderungen der Dreiachsenstabilisierung BAHNREGELUNG UND BAHNKORREKTUR Übersicht Kompensation von Injektionsfehlern und Positionierung Bahnregelung geostationärer Satelliten SYSTEMANFORDERUNGEN

6 XV GIEVERSORGUNGSANLAGEN LLGEMEIN Leistungsbedarf von Raumfahrzeugen Mögliche Energiesysteme für Raumfahrtzwecke Typische Missionen und Erfordernisse Einfluss der Schattenphase auf solare Energieversorgungssysteme BERSICHT ÜBER KURZZEIT-ANLAGEN Primärzellen Sekundärzellen BERSICHT ÜBER LANGZEITANLAGEN Solarzellenanlagen Das Prinzip der Solarzelle Ausgeführte Anlagen Nukleare Anlagen Thermoelektrische Wandlung Radioisotopenbatterien Nukleare Reaktoren NDERE UNTERSUCHTE ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME Solardynamische Energieversorgungsanlagen Vergleich Photovoltaik Solardynamik für eine Raumstation Solare Kraftwerksatelliten MALKONTROLLSYSTEME RUNDLAGEN DER WÄRMEÜBERTRAGUNG DURCH STRAHLUNG Der schwarze Strahler Optische Eigenschaften von Materialien Graue Strahler und technische Oberflächen MWELTBEDINGUNGEN Solarstrahlung Albedostrahlung Erdeigenstrahlung Aerodynamische Aufheizung NTWURF VON THERMALKONTROLLSYSTEMEN HERMALANALYSE Durchführung von Thermalanalysen Wärmebilanz Gleichgewichtstemperaturen Mathematische Modellierung Thermische Massen Wärmetransportmechanismen

7 9.5.1 Passive Thermalkontrolle Aktive Thermalkontrolle THERMALTESTS UMTRANSPORTSYSTEME 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 Marktführer USA Aufsteiger Japan Die Neulinge China und Indien ZUKÜNFTIGE PROJEKTE FÜR RAUMTRANSPORTFAHRZEUGE NASA s neue Raketen 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 R 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 ORBITTRANSFERFAHRZEUGE (AOTV) Einleitung Aerodynamische Orbit Transfer Fahrzeuge für erdnahe Bahnen

8 XVII EN- UND KOMMUNIKATIONSSYSTEME EINLEITUNG DATENMANAGEMENTSYSTEM ÜBERTRAGUNGSSTRECKEN ZU DEN RAUMSTATIONEN VERTEILTE DATENSYSTEME Netz-Topologien Physikalische Datenverbindungen Software und Programmiersprachen AUSLEGUNG DER FUNKSYSTEME ANTENNEN MODULATION UND CODIERUNG DAS TDRS-SYSTEM ELTFAKTOREN 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 G A GESCHICHTLICHE DATEN G B ÜBUNGSAUFGABEN G C FORMELSAMMLUNG...573