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Über dieses Buch

Dieses erfolgreiche Standardwerk deckt inhaltlich und didaktisch die Bedürfnisse von Studierenden der Luft- und Raumfahrttechnik ab. Aber auch der Raumfahrt-Ingenieur in Forschung und Praxis erhält einen Überblick und rasch abrufbare Informationen über sein Fachgebiet. Besonderen Wert legen die Autoren auf eine gut verständliche, physikalische und mathematisch nachvollziehbare Darstellung der Grundlagen der Raumfahrt. Die 4. Auflage wurde insbesondere hinsichtlich der wirtschaftlichen Relevanz der Raumfahrt sowie den gegenwärtig diskutierten zukünftigen Konzepten aktualisiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Die Raumfahrt ermöglicht uns die Reise in die Zukunft. In der einzigartigen Verbindung von Wissenschaft und Technik, vorangetrieben durch die menschliche Neugier, eröffnet sie uns neue Horizonte in Raum und Zeit. Der erdnahe Orbit über der Erdatmosphäre schafft uns die besten Voraussetzungen, bei der „Mission zum Planeten Erde“ unsere terrestrischen Biosphären zu erkunden und den auch manchmal negativen Einfluss des menschlichen Expansionsdranges auf seine Umwelt vor Augen zu führen. Von hier aus, mit Blick nach außen, haben Astronomen und Astrophysiker einen von der Atmosphäre unverschleierten Blick zur Beobachtung unseres Planetensystems und des Universums. Ein Labor in der erdnahen Umlaufbahn, im freien Fall um die Erde, eröffnet uns völlig neue Perspektiven für die Grundlagenforschung, einen weiten Bogen spannend von Physik, Verfahrenstechnik, Materialforschung bis hin zu den Lebenswissenschaften Biologie und Medizin. Möglicherweise entwickelt sich demnächst der erdnahe Weltraum vom Labor zum Markt, nämlich dann, wenn Einkristalle, Verbundwerkstoffe und Medikamente dort in der immerwährenden Schwerelosigkeit besser und kostengünstig hergestellt werden können.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

2. Die Ziolkowsky-Raketengleichung

Die in diesem Kapitel hergeleitete Raketengleichung wird dem russischen Gymnasiallehrer Konstantin Ziolkowsky zugeschrieben, der diese Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte und 1903 publizierte. Er wurde damit zum Begründer der mathematischen Theorie zur Beschreibung des Raketenfluges. Mit der Ziolkowsky-Raketengleichung, die im Wesentlichen die Impulserhaltungsgleichung einer Rakete darstellt, lässt sich das Antriebsvermögen einer Rakete berechnen, falls die Austrittsgeschwindigkeit der Raketengase an der Düse und das Verhältnis der Raketenmasse beim Brennschluss zur Startmasse bekannt sind. Umgekehrt kann bei Vorgabe einer gewünschten Geschwindigkeitsänderung der Rakete die dazu notwendige Treibstoffmasse bestimmt werden.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

3. Grundlagen der Bahnmechanik

In diesem Kapitel sollen die grundlegenden physikalischen Gesetze für die Beschreibung der Bewegung von Satelliten und Planeten im Raum erläutert werden. Man bezeichnet diese Fragestellung als Bahnmechanik, häufig aber auch als Astrodynamik oder Orbitmechanik. Sie soll die nötigen Informationen liefern für
a)
die Planung von Antriebssystemen und Missionen,
 
b)
die genauen Vorausberechnungen der Bahnen und Flugzeiten (wird hier nicht vertieft) und
 
c)
die Durchführung von Missionen (Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung, Berechnung von Korrekturmanövern usw., wird ebenfalls nicht behandelt).
 
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

4. Manöver zur Bahnänderung

Im Kapitel 3 wurden allgemein die möglichen Flugbahnen ohne eine zwischenzeitliche Bahnänderung behandelt. Damit man aber überhaupt erst in eine Umlaufbahn kommt, z. B. in einen geostationären Orbit, sind teilweise mehrere Bahnänderungsmanöver notwendig, deren Energiebedarf durch eine „Rakete“ (Triebwerk) mit einer entsprechenden Treibstoffmenge bereitgestellt werden muss. Die für die Bahnänderungen benötigte Mindestantriebsenergie könnte man grundsätzlich auch mit Hilfe des integralen äußeren Wirkungsgrades ηA einer Rakete abschätzen, was aber wesentlich schwieriger durchzuführen, weniger verständlich und daher auch weniger verlässlich ist. Zum Beispiel liefern Schubimpulse normal zur Flugrichtung (oder Bahn) für Richtungsänderungen keine zusätzliche Bahnenergie, haben also Energie-Wirkungsgrad Null und sind daher energiemäßig schlecht zu erfassen.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

5. Thermische Raketen

Als „thermische Raketen“ bezeichnen wir alle Triebwerke, in denen die in der Energiequelle enthaltene Energie in Wärme umgewandelt und damit ein Treibstoff aufgeheizt wird. Anschließend wird diese Wärme im Treibstoffgas durch Expansion so gut wie möglich in „gerichtete kinetische Energie“ der Treibstoffteilchen (Schubstrahlenergie) umgewandelt. Die thermischen Raketen umfassen bei weitem den größten Teil aller jetzt und in der nahen Zukunft praktisch brauchbaren Antriebe für die Raumfahrt. Im Gegensatz zu den thermischen Raketen stehen speziell gewisse elektrische Raketen, bei denen der Treibstoff durch Einwirkung von elektrostatischen oder elektromagnetischen Kräften beschleunigt wird. Mit diesen elektrischen Beschleunigungsmethoden kann man fast beliebig hohe Austrittsgeschwindigkeiten (oder spezifische Impulse) erreichen, die Leistungsdichten und daher der Schub pro Masseneinheit des Antriebssystems sind aber meist sehr begrenzt. Bei den thermischen Raketen dagegen sind die Leistungsdichten und die massenspezifischen Leistungen generell wesentlich höher, dafür sind aber die Austrittsgeschwindigkeiten mehr begrenzt, ausgenommen vielleicht die Kernfusionsraketen der weiteren Zukunft.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

6. Elektrische Antriebe

Aus der Diskussion in den Kapiteln 2 und 5 wurde deutlich, dass bei chemischen Raketenantrieben das Antriebsvermögen durch die Limitierung im möglichen Energiegehalt des Treibstoffes begrenzt ist. Die maximal erreichbaren Austrittsgeschwindigkeiten der chemischen Treibstoffe liegen deshalb bei ca. 4 bis 5 km/s. Eine Möglichkeit diese Beschränkung zu überwinden, ist die Einkopplung zusätzlicher Energie, z. B. in Form von elektrischer Energie. Unterschiedliche Konzepte wurden in der Vergangenheit diskutiert und vorgestellt, da man prinzipiell die elektrische Energie in verschiedenen Formen einbringen kann (rein thermisch, elektrostatisch und elektromagnetisch). In diesem Kapitel soll nun ein Überblick über die grundlegende Funktionsweise dieser unkonventionellen Triebwerkstechnologie gegeben werden. Als elektrische Antriebe können allgemein die folgenden Arten definiert werden:
  • Die Energiequelle ist vom Treibstoff getrennt und
  • dem Treibstoff wird elektrische Energie zugeführt.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

7. Antriebssysteme för die Lage- und Bahnregelung

In diesem Kapitel werden die grundlegenden Gleichungen für die Beschreibung der Lage- und Bahnregelung von Satelliten und insbesondere die dazugehörigen Antriebssysteme diskutiert. Diese Satellitenantriebe gehören zur Klasse der sekundären Antriebssysteme, deren augenfälligstes Unterscheidungsmerkmal zu Hauptantriebssystemen in der Kleinheit des Triebwerksschubes und des Antriebsvermögens besteht. Gegenüber Primärantrieben weisen sie eine Reihe spezifischer Charakteristiken auf, die sich aus dem Einsatzgebiet in der Schwerelosigkeit und der Aufgabenstellung ergeben.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

8. Energieversorgungsanlagen

Jedes Raumfahrzeug und jeder Satellit benötigt elektrische Energie zum Betrieb der Subsysteme für Lage- und Bahnregelung, Thermalkontrolle, Bordrechner, Daten- und Kommunikationsverbindungen, Nutzlastbetrieb usw. und bei von Astronauten betriebenen Raumfahrzeugen und Raumstationen insbesondere für das Lebenserhaltungssystem. Ein Energieversorgungssystem muss wie alle anderen Untersysteme sicher, zuverlässig und möglichst über einen langen Zeitraum betrieben werden können. Es kann, wie in Abb. 8.1 dargestellt, in drei Komponenten unterteilt werden: Primäre Energiequelle, Energiemanagement- und Verteilungssystem und Energiespeicherung.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

9. Thermalkontrollsysteme

Als Bezeichnung für die Regulierung des Wärmehaushaltes wird inzwischen allgemein der aus dem Englischen („thermal control“) abgeleitete Begriff Thermalkontrolle verwendet. In der Raumfahrt bezeichnet man damit die Bereitstellung und Aufrechterhaltung der von Besatzung, Geräten und Subsystemen geforderten thermalen Umgebung während aller Phasen einer Raumflugmission, auch unter Berücksichtigung eventuell auftretender Extremsituationen. Dieses Kapitel stellt nach einer kurzen Einführung in die Grundlagen der Wärmeübertragung und einer Beschreibung der thermalen Umgebung im Weltall den Entwurfsprozess, die Analyse und den Test von Thermalsystemen dar. In einem weiteren Abschnitt werden momentan verwendete Thermalkontrollsysteme beschrieben.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

10. Raumtransportsysteme

Ziel dieses Kapitels ist es, ein größeres Verständnis für die Technologien zukünftiger Raumtransportsysteme zu gewinnen. Frühere und gegenwärtige Trägersysteme werden beschrieben, wobei insbesondere auf die Entwicklung des Ariane-Programms eingegangen wird. Unterschiedliche Entwicklungsrichtungen werden anhand von Konzepten zukünftiger Raumtransportsysteme vorgestellt. Seit dem 12. April 1981 ist das amerikanische Space-Shuttle-Transportsystem im Einsatz. Es ist der erste teilweise wiederverwendbare Raumtransporter der Welt. Im Wettstreit mit den USA auch bei der Wiederverwendbarkeit, starteten die Russen im Oktober 1988 ihre Energia-Schwerlastrakete mit geflügelter Oberstufe, die entsprechend dem amerikanischen Space-Shuttle eine wiederverwendbare Orbiterstufe namens Buran trug. Wegen des Zusammenbruchs der Sowjetunion sollte es jedoch bei diesem einen Start bleiben. Mit Ausnahme dieser Transportsysteme sind alle verwendeten Träger konventionelle Raketen ähnlich der im Jahre 1957 erstmals eingesetzten russischen A-Trägerrakete (SL-1). Seither laufen alle Entwicklungstrends zu steigendem spezifischen Impuls und zur Reduzierung des Fahrzeugstrukturgewichtsanteils. Eine Verbesserung des spezifischen Impulses wird durch Verwendung der hochenergetischen Wasserstoff/Sauerstoff-Reaktion und Erhöhung des Brennkammerdrucks erreicht. Erwähnenswert ist, dass die Atlasrakete das niedrigste Strukturmassenverhältnis σ=5,03% von allen bislang existierenden Startgeräten hat. Die Atlas-Agena-Rakete hat 1958 den ersten Kommunikationssatelliten der Welt auf die Umlaufbahn gebracht!
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

11. Der Eintritt von Fahrzeugen in die Atmosphäre

der Technik dar. Jeder hat schon über die Rückkehr von Kapseln und geflügelten Fahrzeugen gehört, die sich der Erde nähern und daraufhin sicher landen. Dies konnte jedoch nur nach sehr vielen Untersuchungen in der Hochgeschwindigkeitsaerodynamik und nach zahlreichen Parameterstudien verwirklicht werden, um ein optimales Entwurfskonzept auszuwählen. Dennoch ist der Wiedereintritt von speziellen Raumfahrzeugtypen wie z. B. das Space Shuttle heutzutage keineswegs vollständig verstanden. Die Wiedereintrittstechnologie erfordert Studien über:
1.
aerodynamische Aufheizung und Belastungen,
 
2.
Fahrzeugstabilität,
 
3.
Lenkung und Kontrollsysteme, um einen ausgewählten Landeplatz zu erreichen,
 
4.
Landecharakteristiken.
 
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

12. Daten- und Kommunikationssysteme

Der Betrieb von Raumfahrzeugen und Nutzlasten erfordert sorgfältig konzipierte Daten- und Kommunikationssysteme. Dies rührt nicht nur vom Umfang der zu verarbeitenden Datenmenge her, sondern von der Vielfalt der Datenquellen und -senken und dem Zusammenwirken von Bord- und Bodensystemen bei ständig wechselnden Übertragungsbedingungen. Benötigt wird daher Mobilfunk für sowohl kleine wie auch sehr große Entfernungen unter Einbeziehung von Satelliten- und bodengebundenen Kommunikationssystemen – und all dies äußerst zuverlässig und möglichst rund um die Uhr. Zur besseren Übersicht des Themengebietes werden im Folgenden die Daten- und Kommunikationssysteme am Beispiel der Anforderungen für eine Raumstation diskutiert.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

13. Umweltfaktoren

Satelliten, Raumsonden, Raumstationen und Raumfahrzeuge unterliegen einer Vielzahl von Umgebungseinflüssen. Diese Einflüsse können direkt oder indirekt auf den Orbit, auf Beschaffenheit und Zustand der verwendeten Werkstoffe, auf an Bord befindliche Besatzungsmitglieder oder auf Experimente und deren Betrieb einwirken. In Tabelle 13.1 sind die auftretenden Umwelteinflüsse und deren mögliche Auswirkungen (speziell in „Low Earth Orbit“) dargestellt. Man unterteilt die Umwelteinflüsse im Allgemeinen in zwei Hauptgruppen:
  • Natürliche Weltraumumgebung: interplanetare Materie, kosmische Teilchen, Gravitations- und Strahlungsfelder.
  • Durch Raumfahrzeuge induzierte Umgebung: Wird durch die Präsenz von Raumfahrzeugen oder aktive Freisetzung von Materie und Energie verursacht (Steuermanöver, Ausgasen, Space Debris, Leckverluste). Von besonderer Bedeutung für permanente Raumstationen und -plattformen sind Einflüsse auf die μg-Umgebung dieser Raumfahrzeuge, da davon im Wesentlichen die Durchführbarkeit vieler Experimente an Bord abhängt.
Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas

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