Raumstationen: Systeme und Nutzung

554 Pages·1997·17.109 MB·German

by  Professor Dr. Ernst Messerschmid, Dipl.-Ing. Reinhold Bertrand, Dr.-Ing. Frank Pohlemann (auth.)

Raumstationen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
ErnstMesserschmid .Reinhold Bertrand· FrankPohlemann
Raumstationen
Systeme und Nutzung
Springer
ProfessorDr.ErnstMesserschmid
Dipl.-Ing.ReinholdBertrand
Universitat Stuttgart
InstitutfurRaumfahrtsysteme
Pfaffenwaldring31
70550 Stuttgart
Dr.-Ing.FrankPohlemann
Palkenstrafse1
73760 Ostfildern-Scharnhausen
ISBN 978-3-540-60992-6 ISBN 978-3-662-09676-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09676-5
DieDeutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Messerschmid,Ernst:
Raumstationen:Systemeund NutzungIErnstMesserschmid;ReinholdBertrand;FrankPahlemann.-Berlin;
HeidelbergjNewYork;Barcelona;Budapest;Honkong;London;Mailand;Paris;SantaClara;Singapur;Tokio:
Springer,1997
NE:Bertrand,Reinhold:;Pohlemann,Frank:
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©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1997
OriginallypublishedbySpringer-VerlagBerlinlIeidelbergNewYorkin 1997.
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SPIN:10495744 62/3020-54 32 I 0 -GedrucktaufsiiurefreiemPapier
Vorwort
Dieses Buch tiber Raumstationen ist aus der gleichnamigen Vorlesung der letzten
Jahre an der Universitat Stuttgart hervorgegangen. Nachdem mit der ersten deut
schenSpacelab-Mission DI 1985das Interesseder Offentlichkeitund der Wissen
schaftler an der bemannten Raumfahrt einen Hohepunkt erreichte und die euro
paische Raumfahrtpolitik inden Jahren danach die Beteiligung an einerinternatio
nalen Raumstation in Aussicht stellte, lag es nahe, auch an den Universitaten
Seminare und Vorlesungen zu denThemen Raumstationen und Raumfahrtnutzung
anzubieten. An der Universitat Stuttgart wurde im Wintersemester 1987/88 erst
mals eine Seminarreihe "Der Weltraum als Labor" angeboten,die nach zweimali
ger Wiederholung zur Vorlesung tiber "Raumstationen" ausgearbeitet wurde.
Diese Vorlesung wird seitdem Wintersemester 1990/91 nicht nur ander Universi
tat Stuttgart gehalten, sondern auch in englischer Sprache an der Ecole Nationale
Superieure de L'Aeronautique et de I'Espace (E.N.S.A.E.) in Toulouse und seit
1995/96 im Rahmen des neu eingerichteten Studienprogrammes mit AbschluB
zum Master ofSpace Studies (MSS) an der International Space University (ISU)
in Stralsburg. Parallel zur Vorlesung wird seit kurzem fur die genannten
Hochschulen auch ein Space Station Design Workshop als Kompaktkurs angebo
ten, der es Studierenden ermoglicht, mit einem am Institut fur Raumfahrtsysteme
(IRS) aufgebauten Programmsystem fur vorgegebene Randbedingungen und
Nutzerwunscheeine Raumstation, mit Expertenwissen unterlegt, selbst zu entwer
fen, zu optimierenund aufeinem Arbeitsplatzrechner"fliegen" zu lassen.
Das nunmehr vorliegende Buch stellt jedoch nicht nur eine Unterlage fur die
Horer der oben genannten Veranstaltungen dar. Es ist vielmehr auch als Dber
sichtswerk fur aile Interessenten der Raumstationsthematik -Ingenieure wie
Nutzer- gedacht. Mit seinen einfuhrenden Texten versucht das Buch, erstmals in
deutscher Sprache, den interessierten Leser an die vielen Facetten der interdiszi
plinaren Aufgabe 'Raumstation' heranzufuhren. Wenn trotzdem englischsprachige
Ausdrucke vor allem in Abbildungen und Tabellen ubernornmen wurden,so wird
damit dem Sprachgebrauch in internationalen Projekten (hier auch zur Eintibung)
Rechnung getragen.
Die verschiedenen Aspekte einer Raumstation vom Entwurf bis zum Bau und
Betrieb, d. h. der anschlieBenden Nutzung in ganz unterschiedlichen Disziplinen,
hatten nicht so fruh beleuchtet und umfassend in Vorlesungsstoff umgewandelt
werden konnen, wenn es uns nicht von Anfang gelungen ware, Experten aus der
Raumfahrtforschung und -industrie als Vortragende fur einzelne Themen zu ge
winnen. Diese haben dann mit ihren Beitragen zu den folgend aufgezahlten Kapi-
VI Vorwort
teln in substantieller Weise beigetragen: Umwelt (H.Hamacher, DLR Koln-Porz,
M. Laux, IRS/IBM), Energiesystem (B. Oberle und C.Audy, DLR Stuttgart),
Lage- und Bahnregelungssystem (T.Laible, IRS), Nutzung (B. Feuerbacher, DLR
Koln-Porz, D. Isakeit, ESA und W.Littke, UniversitatFreiburg), Mikrogravitation
(T. Roesgen, IRSIESTEC, F.Gampe und R.Meiner, ESTEC), Synergismen
(J. Fabig, IRS Stuttgart), Human Factors (P.Granseuer, ESTEC), Betrieb und
Wartung (H. Lenski, DASA und K.Meinzer, Universitat Marburg), Die lnterna
tionale Raumstation ISS (D.Isakeit, ESA und H.W.Ripken, DARA GmbH).
Ihnen allen sei an dieserStelleebensogedankt wie den Mitarbeitern und Kollegen
A. Hintiber, F. Huber, U. Schottle und F. Zimmermann vom Institut fur Raum
fahrtsysteme (IRS) der Universitat Stuttgart, die uns durch ihre Untersttitzung
beim Aufbau der Vorlesung und des Space Station Design Workshop untersttitz
ten. GroBer Dank gebuhrt Frau A. Frank fur die unerrnudliche Arbeit bei der
Anfertigung oderUberarbeitung der Bilderund das Editieren des Textes. SchlieB
Iich danken wir Herrn Dr. D. Merkle vom Springer-Verlag fur die gute Zusam
menarbeitaufdem Weg hinzur Veroffentlichung.
Durch eine finanzielle Untersttitzung zur Herstellung des Buches ist es insbeson
dere fur unsereStudierenden moglich,dieses kostengunstig zu erwerben.Dafur sei
Frau M. Bedorf und der Deutschen Agentur fur Raumfahrtangelegenheiten
(DARA, Bonn) herzlich gedankt.
Mit der im Oktober 1995 erfolgten Entscheidung der Europaer, sich an c1er Inter
nationalen Raumstation zu beteiligen, ist nach Encleeiner konfliktreichen Periocle
des Wettlaufeszwischen Ost und West auch auf dem Gebietder Raumfahrttechnik
nun die Zeit gekommen, in konstruktiver Zusammenarbeit eine wahrhaftig Inter
nationale Raumstation aufzubauen und sie gemeinsam zu nutzen. Dieser Hohe
punkt einer langen und von vielen Raumfahrtpionieren vorhergesagten Entwick
lung wird in bisher noch nicht dagewesener Weise Interdisziplinaritat und Inter
nationalitat ineinem aufierst interessanten multikulturellen und extraterrestrischen
Umfeld verbinden.Wir sind der Uberzeugung, daBnoch viele Raumstationen fol
gen werden und geben unserer Hoffnung Ausdruck, daB dies den Beginn einer
fortdauernden Ara der friedlichen Zusammenarbeit begrunden hilft und unser
Buch einen kleinen, cinfuhrenden Beitrag zum Verstandnis fur "Raumstationen
Systemeund Nutzung" leisten kann.
Stuttgart, imDezember 1996
Ernst Messerschmid
Reinhold Bertrand
Frank Pohlemann
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrnng ......................................•........
2 GeschichteundaktuelleEntwicklnng ...........••...•........ 7
2.1 Visionen, Konzepte underste Entwurfe vonRaumstationen
(1865 - 1957) 7
2.2 ChronologieamerikanischerRaumstations-Studien(1957 - 1985)
undSkylab II
2.3 Die russischen Raumstationen SalyutundMir bis 1994 26
2.4 DaseuropaischeRaumlaborSpacelabunddas amerikanische
Modul Spacehab 31
2.4.1 DaseuropaischeSpacelab-Programrn 31
2.4.2 Das amerikanischeSpacehab-Modul 40
2.5 VonderMir-Station zurIntemationalenRaumstation
(1994 -2003) 41
2.5.1 Weiterer Ausbau und Nutzung derMir-Station,
Phase 1(1994 - 1997) ........................... 43
2.5.2 Beginn desAufbaus derInternationalenRaumstation,
Phase2(1997 - 1999) " 45
2.5.3 Nutzung derInternationalenRaumstation und weiterer
Ausbau, Phase 3(1999 -2002) .................... 48
2.5.4 AllgemeineBeschreibungderInternationalen
Raumstation 50
2.6 Raumstationen imVergleich 55
3 Umwelt ..........................•. •..••.•••.•....•...•.• 59
3.1 Gravitationsfeld. ...................................... 59
3.1.1 GravitationsfeldingrofieremAbstand voneinem
Zentralkorper 60
VIII Inhaltsverzeichnis
3.1.2 Gravitationsfeld inderNaheeinesZentralkorpers ..... 61
3.2 Magnetfeld . 63
3.2.1 DasMagnetfeld der Erde . 63
3.2.2 DasMagnetfeld derSonne . 67
3.3 RadioaktiveStrahlung . 68
3.3.1 Grundbegriffe . 68
3.3.2 Teilchensolaren Ursprungs:Sonnenwind . 70
3.3.3 Teilchensolaren Ursprungs:SolarFlares . 70
3.3.4 TeilchengalaktischenUrsprungs . 71
3.3.5 StrahlungsgurtelimErdmagnetfeld . 71
3.3.6 AuswirkungenderStrahlungaufMaterialien und
aufden Organismus . 74
3.3.7 SchutzmaBnahmen . 76
3.4 ElektrornagnetischeStrahlung . 79
3.4.1 GalaktischesRadiofrequenz-Rauschen . 80
3.4.2 SolareStrahlung . 80
3.4.3 SolarerStrahlungsdruck . 82
3.4.4 Albedostrahlung . 82
3.4.5 Thermalstrahlung . 82
3.5 Natiirlicheundandere Strahiungsquellen . 83
3.6 Atmosphare . 84
3.6.1 Aufbau . 84
3.6.2 AtomarerSauerstoff . 89
3.7 Ionosphare ........ .. ..... .... ..... .... .. .... .... ... .. 91
3.7.1 Ionospharenmodelle. ........................... 91
3.7.2 Variationen inderIonosphare ..................... 92
3.7.3 Verhalten vonRadiowellen inderIonosphare 93
3.8 FesteMaterie 94
3.8.1 Meteoroiden .................................. 94
3.8.2 SporadischerFluB .. ............................ 95
3.8.3 Meteoroidenschauer ............................ 96
3.8.4 Space Debris .................................. 97
3.8.5 AuftretenvonSpaceDebris 97
3.8.6 ZeitlicheEntwicklungderGefahrendurch
SpaceDebris ........ 100
3.8.7 SchutzvorSpace DebrisundImplikationen
fur Raumstationen ............................. 102
3.9 InduzierteUmgebung- Kontaminationen .................. 105
Inhaltsverzeichnis IX
4 Das Lebenserhaltungssystem ••..•.........••.•••.••.......• 109
4.1 DasLebenserhaltungssystemals 'Umweltschiitzer
desMenschen' 109
4.1.1 PhysiologischeRandbedingungen 110
4.1.2 MetabolischeRandbedingungen ................... 112
4.1.3 WeitereRandbedingungen 113
4.2 AufgabendesLebenserhaltungssystemes 114
4.2.1 UbersichtundKlassifizierung 114
4.2.2 Luftmanagement ............................... lIS
4.2.3 Wassermanagement. .......................... 130
4.2.4 Abfallmanagement ............................ 138
4.2.5 Nahrungsversorgung ........................... 139
4.2.6 Crewsicherheit ............................... 140
4.3 AusblickaufbioregenerativeLebenserhaltungssysteme 141
4.4 Zusammenfassung .. ..... .............. ... .... ... .... . 146
5 Energiesystem. ......•....•.•.•.••••................•.... 149
5.1 Energieversorgung .................................... 149
5.1.1 BesonderheitenderRaumstationen ISO
5.1.2 EnergiequellenundSpeichersysteme 152
5.2 Technologie ............. ........... ... .... ..... ..... 157
5.2.1 PhotovoltaischeSolargeneratoren ................. 157
5.2.2 SolardynamischeGeneratoren 167
5.2.3 EinfluBderSchattenphase aufdieAuslegung
solarerEnergieversorgungssysteme 170
5.2.4 VergleichPhotovoltaik -Solardynamik 174
5.2.5 Energieverteilung undAufbereitung ............... 177
5.3 Gesamtsystem-Beispiele 180
6 Das Lage- und Bahnregelungssystem ....•.•................. 185
6.1 ZumLage-undBahnregelungsproblem 185
6.2 Storeinflusse 187
6.2.1 AerodynamischeVerzogerung 188
6.2.2 AerodynamischesMoment 191