Weltraumstart - Space launch
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Der Weltraumstart ist der früheste Teil eines Fluges , der den Weltraum erreicht . Der Weltraumstart umfasst das Abheben , wenn eine Rakete oder ein anderes Weltraumstartfahrzeug zu Beginn eines Fluges den Boden verlässt, ein schwimmendes Schiff oder ein Flugzeug in der Luft . Es gibt zwei Haupttypen des Abhebens: Raketenstart (die derzeitige konventionelle Methode) und Nicht-Raketen-Raumstart (bei dem andere Antriebsformen eingesetzt werden, einschließlich Luftatmungsstrahltriebwerke oder andere Arten).
Probleme beim Erreichen des Weltraums
Definition des Weltraums
Es gibt keine klare Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum, da die Dichte der Atmosphäre mit zunehmender Höhe allmählich abnimmt. Es gibt mehrere Standardgrenzbezeichnungen, nämlich:
- Die Fédération Aéronautique Internationale hat die Kármán-Linie in einer Höhe von 100 km als Arbeitsdefinition für die Grenze zwischen Luft- und Raumfahrt festgelegt. Dies wird verwendet, weil in einer Höhe von etwa 100 km, wie Theodore von Kármán berechnete, ein Fahrzeug schneller als die Umlaufgeschwindigkeit fahren müsste , um einen ausreichenden aerodynamischen Auftrieb aus der Atmosphäre abzuleiten , um sich selbst zu stützen.
- Die Vereinigten Staaten bezeichnen Menschen, die über eine Höhe von 80 km reisen, als Astronauten .
- Das Space Shuttle der NASA verwendete 122 km als Wiedereintrittshöhe (als Eingangsschnittstelle bezeichnet), die ungefähr die Grenze markiert, an der sich der Luftwiderstand bemerkbar macht, und damit den Übergang von der Lenkung mit Triebwerken zu beginnt Manövrieren mit aerodynamischen Steuerflächen.
Energie
Daher ist per Definition für die Raumfahrt eine ausreichende Höhe erforderlich. Dies bedeutet ein Minimum Gravitationspotential Energiebedarf zu überwinden: die Kármán Linie ist dies etwa 1 MJ / kg. W = mgh, m = 1 kg, g = 9,82 m / s 2 , h = 10 5 m. W = 9,82 * 1 * 10 5 ≈10 6 J / kg = 1MJ / kg
In der Praxis muss aufgrund von Verlusten wie Luftdruck, Antriebseffizienz, Zykluseffizienz der eingesetzten Motoren und Schwerkraftwiderstand eine höhere Energie als diese aufgewendet werden .
In den letzten fünfzig Jahren bedeutete Raumfahrt normalerweise, eine Zeit lang im Weltraum zu bleiben, anstatt aufzusteigen und sofort auf die Erde zurückzufallen. Dies beinhaltet eine Umlaufbahn, die meistens eine Frage der Geschwindigkeit und nicht der Höhe ist, obwohl dies nicht bedeutet, dass Luftreibung und relevante Höhen in Bezug darauf und die Umlaufbahn nicht berücksichtigt werden müssen. In viel, viel höheren Höhen als in vielen von Satelliten gehaltenen Umlaufhöhen wird die Höhe immer größer und die Geschwindigkeit immer geringer. In tieferen Lagen ist die Luftreibung aufgrund der hohen Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um im Orbit zu bleiben, eine sehr wichtige Überlegung für Satelliten, viel mehr als im populären Bild des Weltraums. In noch tieferen Lagen können Ballons ohne Vorwärtsgeschwindigkeit viele der Rollen übernehmen, die Satelliten spielen.
G-Kräfte
Viele Ladungen, insbesondere Menschen, haben eine begrenzende G-Kraft , die sie überleben können. Für den Menschen sind dies etwa 3-6 g. Einige Trägerraketen wie Kanonenwerfer würden Beschleunigungen in Hundert oder Tausend g geben und sind daher völlig ungeeignet.
Verlässlichkeit
Trägerraketen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit für die Erreichung der Mission.
Sicherheit
Sicherheit ist die Wahrscheinlichkeit von Verletzungen oder Todesfällen. Unzuverlässige Trägerraketen sind nicht unbedingt unsicher, wohingegen zuverlässige Trägerraketen normalerweise, aber nicht immer sicher sind.
Neben dem katastrophalen Ausfall der Trägerrakete selbst gehören zu den weiteren Sicherheitsrisiken die Druckentlastung und die Van-Allen-Strahlungsgürtel, die Umlaufbahnen ausschließen, die lange Zeit in ihnen verbringen.
Flugbahnoptimierung
Bei der Trajektorienoptimierung wird eine Trajektorie entworfen , die ein gewisses Maß an Leistung minimiert (oder maximiert) und gleichzeitig eine Reihe von Einschränkungen erfüllt. Im Allgemeinen ist die Trajektorienoptimierung eine Technik zur Berechnung einer Open-Loop-Lösung für ein optimales Steuerungsproblem . Es wird häufig für Systeme verwendet, bei denen die Berechnung der vollständigen Closed-Loop-Lösung nicht erforderlich, unpraktisch oder unmöglich ist. Wenn ein Problem der Trajektorienoptimierung mit einer Geschwindigkeit gelöst werden kann, die durch die Umkehrung der Lipschitz-Konstante gegeben ist , kann es iterativ verwendet werden, um eine Closed-Loop-Lösung im Sinne von Caratheodory zu generieren . Wenn nur der erste Schritt der Trajektorie für ein Problem mit unendlichem Horizont ausgeführt wird, wird dies als Model Predictive Control (MPC) bezeichnet .
Obwohl die Idee der Trajektorienoptimierung seit Hunderten von Jahren besteht ( Variationsrechnung , Brachystochron-Problem ), wurde sie erst mit dem Aufkommen des Computers für reale Probleme praktikabel. Viele der ursprünglichen Anwendungen der Flugbahnoptimierung waren in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in der Raketen- und Raketenstartbahnen berechnet wurden. In jüngerer Zeit wurde die Trajektorienoptimierung auch in einer Vielzahl von industriellen Prozess- und Robotikanwendungen eingesetzt.Kohlenstoffemissionen
Viele Raketen verwenden fossile Brennstoffe. Eine SpaceX Falcon Heavy-Rakete verbrennt beispielsweise 400 Tonnen Kerosin und stößt in wenigen Minuten mehr Kohlendioxid aus als ein durchschnittliches Auto in mehr als zwei Jahrhunderten. Da die Anzahl der Raketenstarts in den kommenden Jahren voraussichtlich stark zunehmen wird, wird erwartet, dass sich die Auswirkungen des Starts in die Umlaufbahn auf die Erde erheblich verschlechtern. Einige Raketenhersteller (z. B. Orbex , ArianeGroup ) verwenden unterschiedliche Startkraftstoffe (wie Biopropan , aus Biomasse hergestelltes Methan).
Anhaltende Raumfahrt
Suborbitaler Start
Der suborbitale Raumflug ist jeder Weltraumstart, der den Weltraum erreicht, ohne eine vollständige Umlaufbahn um den Planeten zu machen, und eine maximale Geschwindigkeit von etwa 1 km / s erfordert, um den Weltraum zu erreichen, und bis zu 7 km / s für längere Entfernungen, wie z Interkontinentaler Raumflug. Ein Beispiel für einen suborbitalen Flug wäre eine ballistische Rakete oder ein zukünftiger Touristenflug wie Virgin Galactic oder ein interkontinentaler Transportflug wie SpaceLiner . Jeder Weltraumstart ohne Korrektur der Umlaufbahnoptimierung zur Erzielung einer stabilen Umlaufbahn führt zu einem suborbitalen Raumflug, sofern nicht genügend Schub vorhanden ist, um die Umlaufbahn vollständig zu verlassen. (Siehe Space Gun # Auf dem Weg in die Umlaufbahn )
Orbitalstart
Wenn eine Umlaufbahn erforderlich ist, muss außerdem eine viel größere Energiemenge erzeugt werden, um dem Fahrzeug eine gewisse Seitwärtsgeschwindigkeit zu verleihen. Die Geschwindigkeit, die erreicht werden muss, hängt von der Höhe der Umlaufbahn ab - in großer Höhe ist weniger Geschwindigkeit erforderlich. Nachdem jedoch die zusätzliche potentielle Energie berücksichtigt wurde, die sich in höheren Lagen befindet, wird insgesamt mehr Energie verbraucht, um höhere Umlaufbahnen als niedrigere zu erreichen.
Die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um eine Umlaufbahn in der Nähe der Erdoberfläche aufrechtzuerhalten, entspricht einer Seitwärtsgeschwindigkeit von etwa 7,8 km / s (17.400 mph), einer Energie von etwa 30 MJ / kg. Dies ist ein Mehrfaches der Energie pro kg praktischer Raketentreibstoffmischungen .
Das Gewinnen der kinetischen Energie ist umständlich, da der Airdrag dazu neigt, das Raumschiff zu verlangsamen. Daher fliegen raketengetriebene Raumschiffe im Allgemeinen eine Kompromissbahn, die den dicksten Teil der Atmosphäre sehr früh verlässt, und fliegen dann beispielsweise auf einer Hohmann-Transferbahn , um sie zu erreichen die bestimmte Umlaufbahn, die erforderlich ist. Dies minimiert den Airdrag sowie die Zeit, die das Fahrzeug damit verbringt, sich selbst hochzuhalten. Airdrag ist ein wesentliches Problem bei im Wesentlichen allen vorgeschlagenen und aktuellen Startsystemen, wenn auch normalerweise weniger als die Schwierigkeit, genügend kinetische Energie zu erhalten, um überhaupt nur die Umlaufbahn zu erreichen.
Fluchtgeschwindigkeit
Wenn die Schwerkraft der Erde vollständig überwunden werden soll, muss ein Raumfahrzeug genügend Energie erhalten, um die Tiefe der potentiellen Energiequelle der Schwerkraft zu überschreiten. Sobald dies geschehen ist, verlässt das Fahrzeug den Einfluss der Erde, sofern die Energie nicht auf nicht konservative Weise verloren geht. Die Tiefe des Potentialtopfs hängt von der Position des Fahrzeugs ab, und die Energie hängt von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab. Wenn die kinetische Energie die potentielle Energie überschreitet, tritt ein Entweichen auf. An der Erdoberfläche tritt dies mit einer Geschwindigkeit von 11,2 km / s (25.000 mph) auf, aber in der Praxis ist aufgrund von Airdrag eine viel höhere Geschwindigkeit erforderlich.
Arten des Weltraumstarts
Raketenstart
Nicht-Raketenstart
Nicht-Raketen-Raumstart bezieht sich auf Konzepte für den Start in den Weltraum, bei denen ein Großteil der Geschwindigkeit und Höhe, die zum Erreichen der Umlaufbahn erforderlich sind, durch eine Antriebstechnik bereitgestellt wird, die nicht den Grenzen der Raketengleichung unterliegt . Eine Reihe von Alternativen zu Raketen wurde vorgeschlagen. In einigen Systemen, wie beispielsweise eine Kombination Abschußsystem, Skyhook , Schlitten Raketenstart , Rockoon oder luftgestütztes , wird ein Teil des gesamten Delta-V kann entweder direkt oder indirekt zur Verfügung gestellt werden, durch einen Raketenantrieb verwendet wird .
Die heutigen Startkosten sind sehr hoch - 2.500 bis 25.000 USD pro Kilogramm von der Erde bis zur Erdumlaufbahn (LEO). Infolgedessen machen die Startkosten einen großen Prozentsatz der Kosten aller Raumfahrten aus. Wenn der Start billiger gemacht werden kann, werden die Gesamtkosten für Weltraummissionen reduziert. Aufgrund der exponentiellen Natur der Raketengleichung kann die Bereitstellung eines geringen Betrags der Geschwindigkeit für LEO auf andere Weise die Kosten für die Umlaufbahn erheblich senken.
Startkosten in Höhe von Hunderten von Dollar pro Kilogramm würden viele vorgeschlagene groß angelegte Weltraumprojekte wie die Besiedlung des Weltraums , weltraumgestützte Solarenergie und die Terraformierung des Mars ermöglichen .Verweise
Externe Links
- http://www.spacelaunchreport.com/ Eine regelmäßige Zusammenfassung der weltweiten Weltraumstartaktivitäten.
- NEUESTE SATELLITENSTARTEN von http://www.n2yo.com/
- The Space Review ist eine Online-Publikation, die ausführlichen Artikeln, Kommentaren und Rezensionen zu allen Aspekten der Weltraumforschung gewidmet ist.