Table Of ContentE. Messerschmid . S. Fasoulas
Raumfahrtsysteme
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
E.~esserschnnid
S. Fasoulas
Raumfahrtsysteme
Eine Einführung
mit Übungen und lösungen
Mit 361 Abbildungen und 81 Tabellen
Springer
Prof. Dr. Ernst Messerschmid
Universität Stuttgart
Institut für Raumfahrtsysteme
Pfaffenwaldring 31
70550 Stuttgart
Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas
Technische Universität Dresden
Fakultät Maschinenwesen
Institut für Luft-und Raumfahrttechnik
Mommsenstraße 13
01069 Dresden
ISBN 978-3-662-09675-8 ISBN 978-3-662-09674-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09674-1
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Messerschmid, Ernst:
Raumfahrtsysteme : eine Einführung mit übungen und Lösungen I Ernst Messerschmid; Stefanos Fa
soulas. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris; Singapur ;
Tokio: Springer, 2000
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Einbandgestaltung: Struwe & Partner, Heidelberg
Satz: Autorendaten
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10693716 6z13020 - 5 4 3 2 1 0 -
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, 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 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 voll
ständige und umfassende Zusammenstellung aller raumfahrtrelevanten Teil
bereiche 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 vennitteln 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-
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 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) .......................... 4
1.2.5 Die Phase der operationellen Raumfahrt (ab 04.1 0.1957) .................... 5
1.3 RAUMFAHRTNUTZUNG HEUTE UND MORGEN .................................................. 6
1.3.1 Überwachung, Erforschung und Erhaltung der terrestrischen Umwelt. 6
1.3.2 Verbesserung der Infrastruktur in Verkehr und Kommunikation ....... 11
1.3.3 Erkundung des Weltraums .................................................................. 15
1.3.4 Nutzung der Weltraumumgebung ....................................................... 17
1.4 WIRTSCHAFTLICHE RELEVANZ DER RAUMFAHRTTECHNIK UND -NUTZUNG .. 19
1.5 RAUMSTATIONEN ......................................................................................... 21
1.6 MÖGLICHE MISSIONEN NACH DER INTERNATIONALEN RAUMSTATION ......... 28
2 DIE ZIOLKOWSKY-RAKETENGLEICHUNG ........................................... 31
2.1 DIE ANNAHME DES SCHWEREFREIEN RAUMES ............................................. 31
2.2 IMpULS GLEICHUNG DER RAKETE .................................................................. 32
2.3 WICHTIGE IMpULS DEFINITIONEN .................................................................. 35
2.3.1 Der Gesamtimpuls ............................................................................... 35
2.3.2 Der spezifische Impuls ........................................................................ 35
2.4 LEISTUNGS-ODER ENERGIEWIRKUNGSGRADE ................ , ......... ,. .................. 36
2.4.1 Gesamtwirkungsgrad, innerer und äußerer Wirkungsgrad .................. 36
2.4.2 Der integrale oder mittlere äußere Wirkungsgrad ............................... 37
2.5 EIN- UND MEHRSTUFIGE CHEMISCHE TRÄGERRAKETEN ............................... 39
2.5.1 Grenzen ein stufiger chemischer Raketen ............................................ 39
2.5.2 Stufen prinzip und Arten der Raketenstufungen .................................. 41
2.5.3 Tandemstufung .................................................................................... 42
2.5.4 Parallel-Stufung ................................................................................... 50
2.6 STUFENOPTIMIERUNG (TANDEMSTUFUNG) ................................................... 60
VIII
3 GRUNDLAGEN DER BAHNMECHANIK.. .....•......................................•..... 63
3.1 BEGRIFFE UND ANWENDUNGSBEREICHE ...................................................... 63
3.2 KEPLERS GESETZE UND NEWTONS ERGÄNZUNGEN ...................................... 64
3.3 DIE VIS-VIVA-GLEICHUNG .......................................................................... 69
3.3.1 Definitionen ......................................................................................... 69
3.3.2 Drehipulserhaltung -Masse im zentralen Kraftfeld ............................ 69
3.3.3 Konservatives Kraftfeld und Energieerhaltung ................................... 71
3.3.4 Masse im Gravitationsfeld .................................................................. 72
3.3.5 Gravitationsbeschleunigung an der Erdoberfläche .............................. 73
3.3.6 Energien im Gravitationsfeld und Vis-Viva-Gleichung ...................... 74
3.4 ALLGEMEINE LÖSUNG DER VIS-VIV A-GLEICHUNG ...................................... 76
3.5 WICHTIGE ERGEBNISSE AUS DER VIS-VIV A-GLEICHUNG ............................. 80
3.5.1 Umlaufzeiten für geschlossene Bahnen .............................................. 80
3.5.2 Erste kosmische Geschwindigkeit... .................................................... 81
3.5.3 Zweite kosmische Geschwindigkeit (Fluchtgeschwindigkeit) ............ 82
3.5.4 Minimaler Energiebedarfbei einem Start von der Erdoberfläche ....... 83
3.6 BESCHREIBUNG VON F'LUGKÖRPERBAHNEN ................................................. 85
3.6.1 Koordinatensysteme und Darstellung von Umlaufbahnen .................. 85
3.6.2 Die klassischen Bahnelemente ............................................................ 91
3.6.3 Ausgewählte Umlaufbahnen ............................................................... 91
3.7 ANWENDUNG VON ELLIPSENBAHNEN ........................................................... 96
3.7.1 Zeit entlang einer Keplerbahn ............................................................. 96
3.7.2 Ballistische Flugbahnen zwischen zwei Erdpunkten .......................... 99
4 MANÖVER ZUR BAHNÄ NDERUNG ......................................................... 103
4.1 EINFÜHRENDE BEMERKUNGEN ................................................................... 103
4.2 MANÖVER MIT IMPULSIVEN SCHUB PHASEN ............................................... 104
4.2.1 Definitionen ....................................................................................... 104
4.2.2 Allgemeine Betrachtung .................................................................... 105
4.2.3 Abhängigkeit des Antriebsbedarfs von den Schubphasen ................ 106
4.2.4 Hohmann-Übergänge ........................................................................ 109
4.2.5 Dreiimpuls-Übergänge (bi elliptische Übergänge) ............................ 114
4.2.6 Inklinationsänderung ......................................................................... 115
4.3 BAHNEN MIT ENDLICHEN SCHUBPHASEN ................................................... 116
4.3.1 Richtungsänderung in konstanter Höhe ............................................ 116
4.3.2 Aufspiralen ........ '" ............................................................................. 118
4.4 AUFSTIEGSBAHNEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON VERLUSTEN ............ 122
4.5 RENDEZVOUS- UND ANDOCKMANÖVER ..................................................... 129
4.5.1 Problemstellung ................................................................................. 130
IX
4.5.2 Flugphasen ........................................................................................ 132
4.5.3 Die Bewegungsgleichungen für das Rendezvous-Problem ............... 133
4.5.4 Restbeschleunigung in einem Raumfahrzeug ................................... 138
4.5.5 Antriebsbedarf einiger Rendezvousmanöver .................................... 139
4.5.6 Ankoppeln (Docking) und Landung auf einem Planeten .................. 139
4.6 GRAVITY-ASSIST-ODER SWINGBy-MANÖVER ........................................... 142
4.6.1 Zur Entwicklung der Gravity-Assist-Technologie ............................ 142
4.6.2 Übergang vom heliozentrischen ins planetenfeste System ............... 142
4.6.3 Berechnung der Geschwindigkeitsänderung ..................................... 145
4.6.4 Maximaler Energiegewinn im heliozentrischen System ................... 147
4.6.5 Maximierung der Austrittsgeschwindigkeit ...................................... 149
4.7 SONNENSEGEL ........................................................................................... 151
4.8 TETHERS (SEILE) IM GRAVITATIONSFELD ................................................... 155
4.8.1 Der Gravitationsgradient ................................................................... 156
4.8.2 Schwingungsverhalten und Störkräfte ............................................... 159
4.8.3 Bahnmechanische Anwendung ......................................................... 160
4.8.4 Elektrodynamische (leitende) Seile ................................................... 162
4.8.5 Konstellationen und künstliche Schwerkraft... .................................. 165
4.9 ZAHLENWERTE FÜR VERSCHIEDENE MISSIONEN ......................................... 166
5 THERMISCHE RAKETEN ........................................................................... 169
5.1 EINTEILUNG ............................................................................................... 169
5.1.1 Methoden der Treibstoffheizung ....................................................... 169
5.1.2 Thermische Raketen mit geschlossener Heiz- oder Brennkammer... 171
5.1.3 Thermische Raketen ohne geschlossene Heizkammer ...................... 173
5.2 BEMERKUNGEN ÜBER DIE VORGÄNGE IN THERMISCHEN RAKETEN ............ 175
5.3 RAKETENSCHUB - DETAILS ....................................................................... 180
5.4 ERGEBNISSE AUS DER ENERGIEGLEICHUNG ................................................ 181
5.5 IDEALISIERTE RAKETE MIT IDEALEM GAS ALS TREIBSTOFF ........................ 185
5.5.1 Grundgleichungen der eindimensionalen reibungsfreien Strömung. 185
5.5.2 Bestimmung der Lavalbedingungen .................................................. 187
5.5.3 Abhängigkeiten von der Querschnittsänderung ................................ 188
5.6 IDEALE RAKETE ......................................................................................... 189
5.6.1 Massenstrom und Schub einer idealen Rakete .................................. 191
5.6.2 Spezifischer Impuls einer idealen Rakete ......................................... 193
5.6.3 Wirkungsgrad des idealen Triebwerks .............................................. 194
5.6.4 Einfluß des Flächenverhältnisses t=Ae/At auf den Schub ................ 194
5.6.5 "Abgesägte" Düse ............................................................................. 195
5.7 REALE (VERLUSTBEHAFfETE) DÜSEN ........................................................ 197
