Komponenten der Raumfahrt. Steuerung und Regelung in der Raumfahrttechnik PDF
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ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN NATUR-, INGENIEUR- UND GESELLSCHAFTSWISSENSCHAFTEN 115_ SITZUNG AM 11. APRIL 1962 IN DÜSSELDORF ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN NATUR-, INGENIEUR- UND GESELLSCHAFTSWISSENSCHAFTEN HEFT 117 AUGUST WILHELM QUICK Komponenten der Raumfahrt GEORG EMIL KNAUSENBERGER Steuerung und Regelung in der Raumfahrttechnik HERAUSGEGEBEN IM AUFTRAGE DES MINISTERPRÄSIDENTEN Dr. FRANZ MEYERS VON STAATSSEKRETÄR PROFESSOR Dr. h. c. Dr. E. h. LEO BRANDT AUGUST WILHELM QUICK Komponenten der Raumfahrt GEORG EMIL KNAUSENBERGER Steuerung und Regelung der Raumfahrttechnik SPRINGERFACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-00715-9 ISBN 978-3-663-02628-0 ( eBook) DOI 10.1007/978-3-663-02628-0 © 1963 by Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Köln und Opladen 1963 Reprint of the original edition 1963 INHALT August Wilhelm Quick, Aachen Komponenten der Raumfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Georg Emil Knausenberger, Oberpfaffenhafen Steuerung und Regelung in der Raumfahrttechnik . . . . . . . . . . . . 59 Diskussion Staatssekretär Professor Dr. h. c., Dr.-Ing. E. h. Leo Brand!, Präsident Professor Dr. phil.HermannBlenk,Dr. rer. techn. habil.AlfredBoettcher, Professor Dr.-Ing. Volker Aschoff, Professor Dr.-Ing. Georg Emil Knausenberger, Professor Dr. phil. Friedrich Becker, Professor Dr. phil. habil. Alexander Naumann, Professor Dr.-Ing. RudolfWille, Professor Dr.-Ing. August W"ilhelnt Quick ........................... 131 Komponenten der Raumfahrt Von August Wilhelm Quick, Aachen I. Einführung Die Raumfahrt hat einen neuen Zweig der Technik entstehen lassen, der in kurzem Abstand der Atomtechnik gefolgt ist. Diese neue Technik er fordert von Wissenschaftlern und Ingenieuren Spitzenleistungen auf vielen Gebieten. Ein breites Spektrum der Betätigung hat sich eröffnet, und be gierig werden die letzten Erkenntnisse der Naturwissenschaften aufgegrif fen, um sie der Anwendung zuzuführen. Wie so oft in der Technik, stößt man an die Grenze des Wissens vor und fordert weiteres Forschen in be stimmte Richtungen, um ein gestecktes Ziel zu erreichen. In der Raumfahrt technik ist das ganz besonders der Fall. Viele unzureichend erforschte Ge biete werden in Angriff genommen und einer systematischen Untersuchung unterzogen. Ihnen einen Überblick über diese Technik zu geben und hierbei einige Teil gebiete herauszugreifen und näher zu erläutern, ist der Zweck meines Vor trages. 11. Überblick über die Raumfahrttechnik Die Abbildung 1, die in Anlehnung und Abwandlung einer Darstellung von 0. Scholze [1] entstand, zeigt einen Überblick über die verschiedenen Komponenten der Weltraumforschung und der Raumfahrttechnik. An der Spitze stehen vier Programme, die die Absichten menschlicher Betätigung im Weltraum zum Ausdruck bringen. Ein wissenschaftliches Programm enthält alle Wünsche der Forschung nach näherer Kenntnis der Erd- und Sonnenatmosphäre, der Himmelskörper und der biologischen Fragen im Weltraum. Ein wirtschaftliches Programm bringt die bis heute erkennbaren und großen Nutzen versprechenden Anwendungsmöglich keiten der Raumfahrt zum Ausdruck. Wetter-, Nachrichten-, Navigations- 8 August Wilhelm Quick Erdatmosphäre Wetter Erdsatelliten Aufklärung Sonnenatmosphäre Nachrichten Mond-und Navigation (interplanetar. Raum) Navigation Planetenerforschg. Nachrichten Mond Geodäsie Verteidigung Planeten Angriff Galaxis Biolog. Forschung Transport Nichtchem. Antriebe Werkstoffe, Leichtbau Montage Werkstoffe, Leichtbau Flugdynamik Kontrolle Flugdynamik Lenkung, Steuerung Start Lenkung, Steuerung Energieanlagen Verfolgung Wiedergewinnung Instrumentierung Kommando-u. Datenübertragung Datenübertragung Simulatoren Auswertung Wiedergewinnung Abb. 1: Weltraumforschung und Raumfahrt und geodätische Satelliten werden neue Möglichkeiten auf diesen Gebieten erschließen und große Vorteile mit schon heute sicherem wirtschaftlichen Nutzen bringen. Die bemannte Raumfahrt ist ein weiterer Teil der Pro gramme, über deren Sinn und Wert zwar viel diskutiert wird, aber hier nicht näher eingegangen werden soll. Wir wollen sie als Realität hinnehmen, da das erste Stadium des bemannten Fluges im Erdsatelliten bereits verwirk licht und das zweite, nämlich die Erkundung des Mondes, in Vorbereitung ist. Es dürfte heute nicht mehr zweifelhaft sein, daß auch der dritte Schritt, die Erkundung der Planeten, von der Menschheit in Angriff genommen wird. Leider fügt sich diesen drei Programmen ein viertes an. Auch diese neue Technik kann militärischer Verwendung zugeführt werden, und die Mög lichkeiten der Aufklärung, Navigation, Nachrichtenübertragung, Verteidi gung und des Angriffs werden in Erwägung gezogen werden. Es kann auch nicht übersehen werden, daß, ähnlich wie in der Luftfahrt- und Atom technik, diese Anwendungsmöglichkeiten bei den großen Mächten dieser Komponenten der Raumfahrt 9 Erde einen wesentlichen Antrieb zur Förderung der Raumfahrttechnik bilden. Diese vier Programme bedienen sich der Raumfahrttechnik, bei der drei große Arbeitsgebiete unterschieden werden können. Zunächst benötigt man Trägerraketen, deren Zweck es ist, eine gewisse Nutzlast, nämlich das Raum fahrzeug, in den Raum zu befördern. Die Realisierung erfordert die Lösung großer Ingenieuraufgaben, von denen die wichtigsten mit den Worten An triebe, Werkstoffe, Leichtbau, Flugdynamik, Lenkung, Steuerung und Wiedergewinnung charakterisiert sind. Das zweite Gebiet umfaßt das eigentliche Raumfahrzeug, dessen Bau außer den in der Trägerrakete ange deuteten Problemen noch die wichtigen Gebiete der Energieversorgung, Instrumentierung, Datenübertragung und Simulation umfaßt. Schließlich erfordert der Abschuß dieser Raumfahrzeuge Bodenanlagen, deren Umfang außerordentlich groß ist und bei flüchtiger Betrachtung meist zu sehr in den Hintergrund tritt. Ungewöhnliche Probleme müssen gelöst werden, die hier nur mit den Worten Erdtransport, Montagegerüste, Kontrollanlagen, Startrampen, V erfolgungsanlagen, Kommando-und Datenübertragung und Auswerteanlagen angedeutet werden können. Aus diesem breiten Feld kann ich nur einiges herausgreifen, und somit möchte ich mich zunächst den allgemeinen Anforderungen zuwenden, wie sie sich aus den Überlegungen der Raumflugmechanik ergeben. III. Einige Ergebnisse der Raumf!ugt~~echanik Der Raumflug wird beherrscht von der sogenannten Raketengrund gleichung. Sie gibt den Geschwindigkeitszuwachs Llv an, den eine Rakete im widerstands- und gravitationsfreien Raum erfährt, wenn sie mit einem An fangsgewicht G startet und bei Brennschluß noch ein Gewicht G2 besitzt. 1 Der Treibstoff sei mit einer konstanten Ausströmgeschwindigkeit v a aus gestoßen. Die einfache Berechnung dieses Falles ergibt Gt ~v = Va ·ln (1) G2 Diese Beziehung zeigt zunächst, daß Llv mit Va ansteigt und somit das Inter esse besteht, diesen Wert möglichst groß werden zu lassen. Abbildung 2 zeigt den Verlauf des Wertes Llv/va in Abhängigkeit von G2/G1. 10 August Wilhelm Quick Start Brennschluß v = O v = ßv ~ ßv Treibst ff Va 5 !J.v = Geschwindigkeitszuwachs = va Ausströmgeschw. ßv = valn GG1- G1 = tartgewicht 2 Gz = Brennschlußgewicht 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 --+- 2 Abb. 2: Raketengrundgleichung ßv !J.v = Geschw.-Zuwachs Va = A usströmgeschw. v- ---- -- n = Stufenzahl 4 /:A __..-- 0,0_1_, -----"""-::012- - ·-······· r-· T = Treibstoffgewicht L'L_ --~---- L = Leergewicht L1 L2 Ls 0,1 0,1 k = 2 ~·.::::·.~·- ·-'-. ·- 0,2· - -············ ~. GI = Startgewicht G2, G3 usw. = Gewicht der Stufen 2, 3 usw. N = utzlast = GnH 2 3 4 5 6 00 _____.. n Abb. 3: 6 v in Abhängigkeit von der Stufenzahl Komponenten der Raumfahrt 11 Zur Verwirklichung von Satellitenflugbahnen sind Werte für !lvfva von der Größe 3 erforderlich. Somit muß das Gewichtsverhältnis G2/G1 etwa 0,05 sein, d. h. daß 95% des Startgewichtes aus Treibstoffbestehen müßten. Diese Forderung ist kaum realisierbar, und für noch weitergehende Wün sche gibt es mit dieser einfachen Konzeption keine Lösung. Ein besseres Ergebnis ist aber erreichbar, wenn eine vielstufige Rakete benutzt wird. In Abbildung 3 ist diese am Beispiel einer dreistufigen Rakete schematisch dargestellt. Das Startgewicht sei G1. Die Rakete besteht aus einem Treibstoffanteil T 1 und einem Leergewicht L1 sowie der Nutzlast dieser Stufe G2. Nach dem Abbrand von T 1 wird L1 abgeworfen, so daß G2 das Anfangsgewicht einer neuen Rakete, der zweiten Stufe, darstellt, die aber bereits einen bestimmten Geschwindigkeitszuwachs !lv zur Zeit ihres Startes besitzt. Jetzt zündet der Treibstoff T und beschleunigt die Rakete 2 weiter. Nach Brennschluß wird L2 abgeworfen, und die Nutzlast G3 stellt die dritte Stufe dar, die nach Abbrand von T 3 und Abwurf von L3 die Nutz last N = G4 auf den Endwert !lv beschleunigt hat. Unter Voraussetzung konstanter Ausströmgeschwindigkeit v a aller Stufen und konstanter Verhältnisse k = L1/T1 = L2/T2 = L3jT3 usw. und wieder für den Flug im widerstands- und gravitationsfreien Raum er gibt sich für n Stufen ein Geschwindigkeitszuwachs !lv von + ßv 1 k - = n ·ln + (2) Va k (N/Gl)l/n für n oo erhält man hieraus -+ ßv G1/N -=ln- (3) + Va 1 k Abbildung 3 zeigt den Verlauf von !lvfva für verschiedene Werte von k und NJG1 in Abhängigkeit von der Stufenzahl n. Um höhere Werte von !lv/va zu erreichen, ist außer einem geringen Verhältnis NjG1 von Nutzlast zu Startgewicht sowie geringem Wert k vor allem eine Mehrstufigkeit sehr zweckmäßig. Die verwendete Stufenzahl von 2 und 3 findet damit ihre Er klärung, wobei abschließend bemerkt sei, daß dieser Vorteil durch die Mög lichkeit des zwischenzeitliehen Abwurfes aller Leergewichte von L1 bis Ln-1 entsteht, da diese Massen nicht auf die Endwerte beschleunigt zu werden brauchen. Es ist natürlich verständlich, daß das Startgewicht G1 anwachsen muß, wenn die Nutzlast N konstant bleiben, der Geschwindigkeitszuwachs !lv aber mit der Stufenzahl n steigen soll. Unter der Annahme, daß jede Stufe
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