Raumfahrtsysteme: Eine Einführung mit Übungen und Lösungen

611 Pages·2009·15.183 MB·German

by  Stefanos Fasoulas, Ernst Messerschmid (auth.)

Raumfahrtsysteme
·
Ernst Messerschmid Stefanos Fasoulas
Raumfahrtsysteme
Eine Einführung mit Übungen und Lösungen
3., neu bearbeitete Auflage
123
Prof.Dr.rer.nat.ErnstMesserschmid
InstitutfürRaumfahrtsysteme
UniversitätStuttgart
Pfaffenwaldring31
70550Stuttgart
[email protected]
Prof.Dr.-Ing.StefanosFasoulas
InstitutfürLuft-undRaumfahrttechnik
FakultätMaschinenwesen
TUDresden
01062Dresden
[email protected]
ISBN978-3-540-77699-4 e-ISBN978-3-540-77700-7
DOI10.1007/978-3-540-77700-7
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GedrucktaufsäurefreiemPapier
987654321
springer.de
Vorwort zur 3. Auflage
Dieses Lehrbuch, ab ca. 1984 im Gerüst als Vorlesungsmanuskript und seit 2000
in gedruckter Form, hat Studentinnen und Studenten über etwa die Hälfte des
Raumfahrtzeitalters begleitet. Sie haben anhand der hier dokumentierten Vor-
lesungen und Übungen ihre erste Berührung mit den Grundlagen der Raum-
fahrttechnik erfahren und viele von ihnen sind nun an verschiedenen Missionen
maßgeblich beteiligt. Vor einer dritten Auflage macht man sich natürlich
Gedanken, ob die Aufbereitung des Lehrstoffes noch zeitgemäß ist, da der
technische Fortschritt selbstverständlich mit großen Schritten insbesondere in der
Raumfahrt Einzug hält. Jedes Kapitel könnte unter diesem Gesichtspunkt deutlich
erweitert werden und viele weitere wären notwendig, um einen detaillierteren
Überblick über die Raumfahrt zu geben. Auch gibt es inzwischen viele Lehrbücher
und Fachliteratur, die neben dem Internet zu speziellen Themen konsultiert werden
können. Deswegen haben wir uns dazu entschlossen, die Struktur des Buches bei-
zubehalten, soll es doch dazu dienen, die Grundlagen unter didaktischen Gesichts-
punkten zu vermitteln, meist auch als Nachschlagewerk dienlich sein und vor
allem die Neugierde auf "mehr Raumfahrtwissen" zu wecken. Viele nutzen es
auch außerhalb der Universitäten in Stuttgart und Dresden zum Selbststudium und
wir haben deshalb auf vielfachen Wunsch in dieser Auflage zu einigen Übungs-
aufgaben auch ausführliche Lösungswege angegeben. Wie bisher auch, freuen wir
uns auf Verbesserungsvorschläge und Anregungen für neue Inhalte.

Stuttgart und Dresden, im Sommer 2008 Ernst Messerschmid
Stefanos Fasoulas
Vorwort zur 2. Auflage
Die stetig zunehmende Nachfrage nach dem Buch Raumfahrtsysteme während der
ersten 4 Jahre nach dem Erscheinen der Erstauflage hat dazu geführt, dass uns der
Springer-Verlag eine Zweitauflage mit dem Ziel anbot, Inhalte zu aktualisieren
und notwendige Ergänzungen sowie Korrekturen vorzunehmen. Dieses Angebot
nahmen wir sehr gerne an. Dabei sind wir speziell auf die Kapitel 1, insbesondere
wirtschaftliche Relevanz der Raumfahrt, und Kapitel 10 Raumtransportsysteme
eingegangen. Ebenso wurden das bewusst kurz gehaltene Literaturverzeichnis
aktualisiert sowie zahlreiche Abbildungen und Tabellen verbessert. Aufbau und
Umfang des Buches sind dabei unverändert geblieben.
Da das Buch nicht nur an der Universität Stuttgart und der TU Dresden,
sondern mittlerweile auch an anderen Universitäten und Fachhochschulen als
einführende Lektüre bzw. als Textbuch empfohlen wird, konnten wir
erfreulicherweise bei der Überarbeitung auch zahlreiche Anregungen aus einem
erweiterten Kreis von Kollegen und Studierenden entgegen nehmen und
berücksichtigen. Wir möchten uns für diese Hinweise sehr herzlich bedanken und
unserer Hoffnung Ausdruck geben, dass auch in der Zukunft die direkte
Verbindung zwischen Leserschaft und Autoren fruchtbar bleibt.

Stuttgart und Dresden, im Sommer 2004 Ernst Messerschmid
Stefanos Fasoulas
Vorwort zur 1. Auflage
Raumfahrtsysteme ermöglichen den Zugang zum erdnahen wie fernen 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, mit-
einander 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 beispiels-
weise 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 vermitteln, 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 inter-
disziplinäre, komplexe und faszinierende Problematik der Raumfahrttechnik
gedacht. Es soll den Studierenden und den interessierten Lesern die Grundlagen
übersichtlich vermitteln und dadurch motivieren, den Zugang zu vertiefenden
Gebieten zu suchen.
Die unterschiedlichen Themenbereiche hätten nicht so effektiv in Vorlesungs-
stoff umgewandelt werden können, wenn wir nicht auf Vorlesungen und Übungen
hätten aufbauen können, die von Prof. R. Bühler bis 1984 und den Wissen-
schaftlern des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart, insbeson-
dere von den Herren H. Kurtz, Prof. Dr. R. Lo, Dr. U. Schöttle und Dr. H. Schrade,
X
bis 1986 gestaltet und auch später in Teilen noch gehalten wurden. Wichtige
Vorschläge zur Ergänzung des Vorlesungsstoffes machten die Herren
Dr. U. Schöttle (Kap. 4.5, 7, 10, 11), Dr. F. Huber (Kap. 12), J. 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 Raumfahrt-
technik-Studenten bedanken, die mit ihren Anregungen und Verbesserungs-
vorschlägen 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 uner-
müdlich 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 Infor-
mationsgesellschaft, 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 zugrunde-
liegenden 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 Raum-
transportsystemen und Nutzanwendungen befassen, Zutrauen in die Raumfahrt-
technik 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 Inspi-
ration, 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
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG..................................................................................................................1
1.1 EINFÜHRUNG.............................................................................................................1
1.2 GESCHICHTLICHE ENTWICKLUNG............................................................................3
1.2.1 Frühe Entwicklungsphase (vorchristliche Zeit bis 1900).................................3
1.2.2 Die Phase der ideenreichen Literaten (1865–1927).........................................4
1.2.3 Die Phase der „enthusiastischen Ingenieure“ (1895–1935).............................4
1.2.4 Die Phase der vorsichtigen Akzeptanz (1935 – 1957).....................................5
1.2.5 Die Phase der operationellen Raumfahrt (ab 04.10.1957)...............................5
1.3 RAUMFAHRTNUTZUNG HEUTE UND MORGEN...........................................................6
1.3.1 Überwachung, Erforschung und Erhaltung der terrestrischen Umwelt............7
1.3.2 Verbesserung der Infrastruktur in Verkehr und Kommunikation..................10
1.3.3 Erkundung des Weltraums.............................................................................13
1.3.4 Nutzung der Weltraumumgebung..................................................................16
1.4 WIRTSCHAFTLICHE RELEVANZ DER RAUMFAHRTTECHNIK UND -NUTZUNG.........18
1.5 VOM SPACELAB ÜBER DIE MIR-STATION ZUR ISS.................................................22
1.6 MÖGLICHE MISSIONEN NACH DER INTERNATIONALEN RAUMSTATION.................31
2 DIE ZIOLKOWSKY-RAKETENGLEICHUNG.......................................................37
2.1 DIE ANNAHME DES SCHWEREFREIEN RAUMES.......................................................37
2.2 IMPULSGLEICHUNG DER RAKETE...........................................................................38
2.3 WICHTIGE IMPULSDEFINITIONEN...........................................................................41
2.3.1 Der Gesamtimpuls..........................................................................................41
2.3.2 Der spezifische Impuls...................................................................................41
2.4 LEISTUNGS- ODER ENERGIEWIRKUNGSGRADE.......................................................42
2.4.1 Gesamtwirkungsgrad, innerer und äußerer Wirkungsgrad.............................42
2.4.2 Der integrale oder mittlere äußere Wirkungsgrad..........................................43
2.5 EIN- UND MEHRSTUFIGE CHEMISCHE TRÄGERRAKETEN........................................45
2.5.1 Grenzen einstufiger chemischer Raketen.......................................................45
2.5.2 Stufenprinzip und Arten der Raketenstufungen.............................................47
2.5.3 Tandemstufung...............................................................................................48
2.5.4 Parallel-Stufung..............................................................................................56
2.6 STUFENOPTIMIERUNG (TANDEMSTUFUNG)............................................................66
3 GRUNDLAGEN DER BAHNMECHANIK................................................................69
3.1 BEGRIFFE UND ANWENDUNGSBEREICHE................................................................69
3.2 KEPLERS GESETZE UND NEWTONS ERGÄNZUNGEN...............................................70
3.3 DIE VIS-VIVA-GLEICHUNG.....................................................................................75
XII
3.3.1 Definitionen....................................................................................................75
3.3.2 Drehimpulserhaltung – Masse im zentralen Kraftfeld...................................75
3.3.3 Konservatives Kraftfeld und Energieerhaltung..............................................77
3.3.4 Masse im Gravitationsfeld..............................................................................78
3.3.5 Gravitationsbeschleunigung an der Erdoberfläche.........................................78
3.3.6 Energien im Gravitationsfeld und Vis-Viva-Gleichung.................................79
3.4 ALLGEMEINE LÖSUNG DER VIS-VIVA-GLEICHUNG...............................................81
3.5 WICHTIGE ERGEBNISSE AUS DER VIS-VIVA-GLEICHUNG......................................85
3.5.1 Umlaufzeiten für geschlossene Bahnen..........................................................85
3.5.2 Erste kosmische Geschwindigkeit..................................................................86
3.5.3 Zweite kosmische Geschwindigkeit (Fluchtgeschwindigkeit).......................87
3.5.4 Minimaler Energiebedarf bei einem Start von der Erdoberfläche..................88
3.6 ALTERNATIVE HERLEITUNG DER GRUNDGLEICHUNGEN.......................................90
3.6.1 Die Bewegungsgleichung für ein Zweikörperproblem..................................90
3.6.2 Die Drehimpulserhaltung...............................................................................91
3.6.3 Die Vis-Viva-Gleichung.................................................................................92
3.6.4 Die Kegelschnittgleichung.............................................................................93
3.6.5 Das Dreikörperproblem..................................................................................94
3.6.6 Das n-Körperproblem.....................................................................................96
3.7 BESCHREIBUNG VON FLUGKÖRPERBAHNEN...........................................................97
3.7.1 Koordinatensysteme und Darstellung von Umlaufbahnen.............................97
3.7.2 Die klassischen Bahnelemente.....................................................................103
3.7.3 Ausgewählte Umlaufbahnen........................................................................103
3.8 ANWENDUNG VON ELLIPSENBAHNEN..................................................................108
3.8.1 Zeit entlang einer Keplerbahn......................................................................108
3.8.2 Ballistische Flugbahnen zwischen zwei Erdpunkten...................................111
4 MANÖVER ZUR BAHNÄNDERUNG.....................................................................115
4.1 EINFÜHRENDE BEMERKUNGEN.............................................................................115
4.2 MANÖVER MIT IMPULSIVEN SCHUBPHASEN.........................................................116
4.2.1 Definitionen..................................................................................................116
4.2.2 Allgemeine Betrachtung...............................................................................117
4.2.3 Abhängigkeit des Antriebsbedarfs von der Verteilung der Schubphasen....118
4.2.4 Hohmann-Übergänge...................................................................................121
4.2.5 Dreiimpuls-Übergänge (bielliptische Übergänge).......................................126
4.2.6 Inklinationsänderung....................................................................................127
4.3 BAHNEN MIT ENDLICHEN SCHUBPHASEN.............................................................128
4.3.1 Richtungsänderung in konstanter Höhe.......................................................128
4.3.2 Aufspiralen...................................................................................................130
4.4 AUFSTIEGSBAHNEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON VERLUSTEN....................134
4.5 RENDEZVOUS- UND ANDOCKMANÖVER...............................................................141
4.5.1 Problemstellung............................................................................................142
4.5.2 Flugphasen...................................................................................................144
XIII
4.5.3 Die Bewegungsgleichungen für das Rendezvous-Problem..........................145
4.5.4 Restbeschleunigung in einem Raumfahrzeug..............................................150
4.5.5 Ankoppeln (Docking) und Landung auf einem Planeten.............................151
4.6 GRAVITY-ASSIST- ODER SWINGBY-MANÖVER....................................................152
4.6.1 Zur Entwicklung der Gravity-Assist-Technologie.......................................152
4.6.2 Übergang vom heliozentrischen ins planetenfeste System...........................152
4.6.3 Berechnung der Geschwindigkeitsänderung................................................155
4.6.4 Maximaler Energiegewinn im heliozentrischen System..............................157
4.6.5 Maximierung der Austrittsgeschwindigkeit.................................................159
4.7 SONNENSEGEL......................................................................................................161
4.8 TETHERS (SEILE) IM GRAVITATIONSFELD............................................................165
4.8.1 Der Gravitationsgradient..............................................................................166
4.8.2 Schwingungsverhalten und Störkräfte..........................................................169
4.8.3 Bahnmechanische Anwendung....................................................................169
4.8.4 Elektrodynamische (leitende) Seile..............................................................172
4.8.5 Konstellationen und künstliche Schwerkraft................................................174
4.9 ZAHLENWERTE FÜR VERSCHIEDENE MISSIONEN..................................................176
5 THERMISCHE RAKETEN.......................................................................................179
5.1 EINTEILUNG..........................................................................................................179
5.1.1 Methoden der Treibstoffheizung..................................................................179
5.1.2 Thermische Raketen mit geschlossener Heiz- oder Brennkammer..............181
5.1.3 Thermische Raketen ohne geschlossene Heizkammer.................................183
5.2 BEMERKUNGEN ÜBER DIE VORGÄNGE IN THERMISCHEN RAKETEN....................185
5.3 RAKETENSCHUB – DETAILS..................................................................................190
5.4 ERGEBNISSE AUS DER ENERGIEGLEICHUNG.........................................................191
5.5 IDEALISIERTE RAKETE MIT IDEALEM GAS ALS TREIBSTOFF................................195
5.5.1 Grundgleichungen der eindimensionalen reibungsfreien Strömung............195
5.5.2 Bestimmung der Lavalbedingungen.............................................................197
5.5.3 Abhängigkeiten von der Querschnittsänderung...........................................198
5.6 IDEALE RAKETE....................................................................................................199
5.6.1 Massenstrom und Schub einer idealen Rakete.............................................201
5.6.2 Spezifischer Impuls einer idealen Rakete.....................................................203
5.6.3 Wirkungsgrad des idealen Triebwerks.........................................................204
5.6.4 Einfluss des Flächenverhältnisses auf den Schub........................................205
5.6.5 Abgesägte” Düse........................................................................................206
”
5.7 REALE (VERLUSTBEHAFTETE) DÜSEN..................................................................208
5.7.1 Mechanische Verluste..................................................................................208
5.7.2 Thermische Verluste.....................................................................................212
5.7.3 Chemische Verluste......................................................................................212
5.8 CHEMISCHE RAKETENTREIBSTOFFE.....................................................................214
5.8.1 Theoretische Leistungen chemischer Raketentreibstoffe.............................214