Unbemannte raumfahrt
Unbemannte Raumfahrt
Gliederung:
1) K.E.Ziolkowski
2)Raumfahrzeuge
2.1)Vergleich: unbemannte und bemannte Raumfahrzeuge
2.2)Antrieb
2.3)Start und Wiedereintritt
2.
3)Umlaufbahn um die Erde
3)Unbemannte Raumfahrtprogramme
3.1)Frühe künstliche Satelliten
3.1.1)Sputnik1 & Sputnik 2
3.1.2)Explorer 1 & Vanguard 2
3.
1.3) Mission Voyager 1 & 2
3.2)Unbemannte Flüge zum Mond
3.3)Wissenschaftliche Satelliten
3.4)Astronomische Satelliten
3.5)Satelliten für spezielle Verwendungszwecke
3.
6)Untersuchungen von Planeten und des interstellaren Raums
3.6.1)Mars
3.6.2)Venus
1) K.E.
Ziolkowski - 1857-1935) - er war Mathematiklehrer aus Kaluga -nannte ihn den Vater der sowjetischen Raumfahrt - Bereits 1883 beschrieb Ziolkowski in der Arbeit "Freier Weltraum" zum ersten Mal ein Raumschiff mit Rückstossantrieb
- Ab 1895 befasste er sich mit den theoretischen Arbeiten über Raketenmotoren
- Die Gedanken dazu veröffentlichte er 1903 in "Die Erforschung des Weltraums mit Rückstossgeräten"
- In dieser Schrift wurden erstmalig die Grundlagen der Raketenflugtheorie mit größter Klarheit und Prägnanz dargelegt
- und es wurden die Aufbauprinzipien der Rakete und des Flüssigkeitstriebwerks beschrieben
*- Ziolkowski formulierte einen Satz, den wir heute als Raketengrundgleichung bezeichnen
"Ich wende das Gesetz aus der Mechanik von der Erhaltung der Bewegungsgrösse auf die Rakete an und finde: Das Produkt der Ausströmgeschwindigkeit und der Masse der Verbrennprodukte, die während eines unendlich kleinen Zeitabschnitts ausgestossen werden, ist gleich dem Produkt der Masse der Rakete selbst sowie dem noch vorhandenen Treibstoff und der Beschleunigung, die das Raketenraumschiff während dieses unendlich kleinen Zeitabschnitts erfährt" - - ---
*- beschreibt theoretisch die Leistung einer Rakete
*- In (2) entsprechen v0 der Startgeschwindigkeit und M0 der Startmasse, Mt der Masse und vt der Geschwindigkeit zu einem beliebigen Zeitpunkt t. Die tatsächliche Geschwindigkeit der Rakete wird in der Realität durch zusätzliche Faktoren, wie z. B. dem Luftwiderstand und den Startbedingungen, beeinflusst
*- (2) vt = v0 + c0 ln(M0/Mt).
- Später ) veröffentlichte er unter demselben Titel wertvolle Ergänzungen
- Er beschrieb unter anderem Raumflüge, zeigte Pläne für die Besiedelung des Weltraums
- und schrieb die Nutzung der praktisch unerschöpflich vorhandenen Sonnenenergie auf - Er beschrieb ausserdem die Idee eines elektrischen Raketenantriebs, in dem die Ausströmungsprodukte geladene Teilchen sind
- Er wies auch auf die Vorteile der Entwicklung eines Raketentriebwerks mit Kernenergie hin
- Daneben veröffentlichte er auch Lösungen für ein Flüssigtriebwerk mit Sauerstoff, Ozon und Stickstoff als Oxidatoren und Wasserstoff, Methan, Kohlenwasserstoffe, Benzol, Benzin und andere Flüssigstoffe als Brennstoffe - die Schwerelosigkeit nach seinen Worten: "Die Schwere hat nicht nur nachgelassen, sie ist spurlos verschwunden. Alle Gegenstände, die nicht in der Rakete befestigt sind, verlassen ihren Platz und schweben in der Luft.
Auch wir selbst berühren den Boden nicht und nehmen eine beliebige Lage und Richtung ein: stehen auf dem Boden und auch auf der Decke und auf den Wänden, stehen senkrecht und schräg, schwimmen in der Mitte der Rakete wie Fische, aber ohne Kraftaufwand und ohne etwas zu rühren" - Diese Beschreibung entstand zwischen 1926 und 1929, einer Zeit also, in der man noch gar nicht so richtig wusste was sich ausserhalb der Erde befand - Überbevölkerung, Abkühlung der Sonne und andere Katastrophen sah Ziolkowski als potentielle Ursachen dafür an, dass der Mensch sich neue Lebens- und Schaffensräume ausserhalb der Erde suchen muss und wird - Er ist dort jedoch nicht allein - Laut Ziolkowski wird der Mensch auf andere Zivilisationen in anderen Galaxien stossen - die Wahrscheinlichkeit dafür sei gross, denn "welchen Sinn wohl hätte das Weltall, wäre es nicht angefüllt mit einer organischen, vernunftbegabten, fühlenden Welt?". - Ziolkowski war nicht nur ein Techniker, sondern auch ein Poet - Seine theoretischen Forschungen wurden zum Fundament der sowjetischen (und westlichen) Raumfahrt
2 ) Raumfahrzeuge
2.1) Vergleich
1.1.1) Unbemannte Raumfahrzeuge:
- je nach Verwendungszweck unterschiedlich Groß (von wenigen cm bis zu mehreren m Durchmessern)
- sind auch unterschiedliche Formen möglich
- ohne Besatzung: sind mit funktionstechnischer Ausrüstung versehen um Daten an die Erde zurückzusenden und um die Position des Fahrzeuges anzuzeigen
1.1.
2) Bemannte Raumfahrzeuge:
- anspruchvollere Anforderungen
- müssen außerdem Luft, Lebensmittel, Wasser, Navigations-& Lenkvorrichtung und Kommunikationstechnik vorhanden sein
2.2) Antrieb
- drei Typen von Raketentriebwerken mit denen Raketen gestartet und angetrieben werden:
- Feststoffraketen (- werden feste chem. Substanzen verbrannt)
- Flüssigkeitsraketen (- werden flüssige Treibstoffe & Oxidations-
mittel in getrennten Tanks untergebracht)
- Hybridraketen ( werden fest und flüssige Treibstoffkomponenten miteinander kombiniert)
- die meisten Raketen haben mehrere Treibwerkstufen
- jede Stufe verfügt über eigenen Treibstoff
- ist der Treibstoff einer Stufe verbraucht löst sie sich vom Raumfahrzeug
2.3) Start und Wiedereintritt
- Start:
- startet von eigens konstruierten Abschussrampe
- Kapsel und Trägerrakete werden eingehend inspiziert
- danach werden die Raketentriebwerke gezündet und die Trägerrakete hebt mit dem Raumfahrzeug ab
- Wiedereintritt:
- muss das Raumfahrzeug vor dem Verglühen geschützt werden
- löst man mit einem speziell dafür entwickeltem Hitzeschild ( z.B. aus Metallen, Kunststoffen und keramischen Werkstoffen)
- beim Wiedereintritt in die Atmosphäre schmelzen und verdampfen die Substanzen, wodurch die Hitze abgewehrt bzw.
, abgeleitet
2.4) Umlaufbahn um die Erde
- Umlaufbahn um die Erde kann kreisförmig oder elliptisch sein
- auf einer kreisförmigen Umlaufbahn beweg sich ein künstlicher Satellit mit gleich bleibender Geschw.
- je größer der Abstand zu Erde desto niedriger seine Geschw.
Liegt die Flugbahn eines Satelliten 35 800 Kilometer über dem Äquator, bezeichnet man diese Bahn als geostationär.
- der Satellit bewegt sich auf einer geosynchronen Umlaufbahn, wenn er zusätzlich genau dieselbe Geschwindigkeit hat wie die Erde, so dass er in einer festen Position über einer bestimmten Stelle auf dem Äquator bleibt
- die meisten Nachrichtensatelliten befinden sich auf solchen Umlaufbahnen.
- auf einer elliptischen Umlaufbahn ist die Geschwindigkeit veränderlich
- im Perigäum (Erdnähe) ist sie am höchsten
- im Apogäum (Erdferne) am niedrigsten
- den Winkel zwischen der Ebene der Bahn und der Äquatorebene nennt man Bahnebenenneigung
- eine polare Umlaufbahn verläuft über Nord- und Südpol
- d.
h., die Satellitenbahn schneidet die Erdrotationsachse
- Eine äquatoriale Umlaufbahn liegt über dem Äquator.
- unterhalb eines Satelliten, in einer polaren Umlaufbahn, dreht sich die Erde in 24 Stunden einmal um die eigene Achse
- so kann ein Wettersatellit auf einer polaren Umlaufbahn an einem Tag die meteorologischen Bedingungen des gesamten Globus von Pol zu Pol beobachten
- hat die Umlaufbahn eine andere Bahnebenenneigung, so wird ein kleinerer Teil der Erde erfasst, wobei die Gebiete um die Pole herum ausgespart bleiben.
- solange die Umlaufbahn eines Flugkörpers im Vakuum des Weltraumes verläuft, wird sich der Körper ohne Antriebskraft auf dieser Umlaufbahn weiterbewegen, da keine abbremsenden Reibungskräfte vorhanden sind
- verläuft jedoch ein Teil oder aber die gesamte Umlaufbahn durch die Erdatmosphäre, wird der Körper durch den aerodynamischen Luftwiderstand verlangsamt
- dadurch sinkt seine Umlaufbahn immer tiefer, bis der Körper wieder vollständig in die Atmosphäre eingetreten ist und schließlich wie ein Meteorit auf die Erdoberfläche herabstürzt.
3) Unbemannte Raumfahrtprogramme
3.1) Frühe künstliche Satelliten
3.
1.1 ) Sputnik1 & Sputnik 2
Sputnik 1:
- Der sowjetische Satellit Sputnik 1 startete am 4. Oktober 1957 zum ersten Flug in die Erdumlaufbahn
- Damit gelang der Menschheit der erste Schritt in den Weltraum.
- bestand aus einer Aluminiumkugel mit 58 Zentimeter Durchmesser und wog 83 Kilogramm
- umkreiste die Erde in 96,2 min.
- auf elliptischer Umlaufbahn erreichte er ein Apogäum von 946 Kilometern und ein Perigäum von 227 Kilometern
- in der Kugel befanden sich Geräte, die 21 Tage lang Daten über kosmische Strahlen, Meteoriten und die Dichte und Temperatur der oberen Atmosphäreschichten sendeten
- nach Ablauf von 57 Tagen trat der Satellit wieder in die Atmosphäre ein und verglühte
Sputnik 2:
- auch der zweite künstliche Satellit war ein sowjetischer Raumflugkörper
- er wurde am 3. November 1957, mit einer Hündin namens Laika an Bord, gestartet und übermittelte die ersten biomedizinischen Messergebnisse aus dem Weltraum
- nach 162 Flugtagen trat Sputnik 2 wieder in die Atmosphäre ein und verglühte wie Sputnik 1.
3.1.2 ) Explorer 1 & Vanguard 2
Explorer 1 :
- starteten die Vereinigten Staaten am 31. Januar 1958, als Sputnik 2 sich noch auf seiner Umlaufbahn befand
- war ihr erster Erdsatellit
- der zylinderförmige Satellit wog 14 Kilogramm, hatte einen Durchmesser von 15 Zentimetern und war 203 Zentimeter lang
- Explorer 1 übermittelte 112 Tage lang Messergebnisse über kosmische Strahlen und Mikrometeoriten und lieferte die ersten durch Satelliten gewonnenen Daten, die zur Entdeckung des Van-Allen-Strahlungsgürtels führten (Strahlungsgürtel, im Weltraum um die Erde und um die Planeten Jupiter und Saturn liegende, etwa ringförmige Zonen, in denen sich Protonen und Elektronen mit hoher Energie bewegen)
Vanguard 2:
- am 17. März 1958 starteten die Vereinigten Staaten ihren zweiten Satelliten
- genaue Untersuchung der Abweichungen auf seiner Umlaufbahn ergab, dass die Erde keine regelmäßige Kugelgestalt besitzt und an den Polen abgeflacht ist
- mit Hilfe von Sonnenenergie übermittelte der Satellit mehr als sechs Jahre lang Signale
- er folgte den amerikanischen Satelliten Explorer 3, der am 26. März 1958 gestartet wurde und der am 15.
Mai gestartete sowjetische Satellit Sputnik 3
*- der 1 327 Kilogramm schwere sowjetische Satellit führte bis zu seiner Zerstörung im April 1960 Messungen der Sonnenstrahlung, kosmischer Strahlen, von Magnetfeldern und anderen Erscheinungen im Weltraum durch
3.1.3) Mission Voyager 1 & 2
- die beiden Voyager Missionen zählen zu den erfolgreichsten Missionen überhaupt, die
jemals zur Erkundung des Sonnensystem gestartet wurden
- Voyager 2 wurde am 20.August 1977 gestartet
- Voyager 1 folgte in einem Abstand von 16 Tagen
- Voyager 1 hat ihre Mission, die Planeten Jupiter und Saturn mit ihren vielen Monden zu erkunden
- dies wurde erfolgreich abgeschlossen und nun befindet sie sich jenseits des Sonnensystems
- Voyager 2 war ihrer Schwester Voyager 1 zu Jupiter und Saturn gefolgt
- besuchte außerdem noch den Uranus im Januar 1986 und Neptun im August 1989
- im Herbst 1990 sandte Voyager die ersten Bilder zur Erde zurück, die jemals von so weit draußen im Weltraum, -jenseits des Sonnensystems-, aus aufgenommen wurden
- das dominanteste Erscheinungsbild der Sonden sind wohl die 3,5 Meter großen Hochleistungsantennen, die für die Datenübertragung zwischen den Voyager Sonden und den Kontrolleuren auf der Erde verantwortlich sind
- Des weiteren tragen die Voyager-Sonden eine gold-schimmernde "Schallplatte" mit sich, die "Klänge der Erde (Sound of Earth)" genannt werden
- Auf diesen Platten sind Grußbotschaften der Menschen mit Bildern und Geräuschen unseres Planeten vorhanden, um eventuellen Intelligenzen, die auf die Sonde stoßen sollten, zu offenbaren, woher dieser "Reisende" herkommen
- Die Raumsonde Voyager 1 stellte einen neuen Rekord auf: Voyager 1 ist nun das Raumfahrzeug, das am weitesten von der Erde entfernt ist
- Die Raumsonde ist jetzt das am weitesten von der Erde entfernte Raumfahrzeug.
- Mit der Rekordentfernung von 10,4 Milliarden Kilometern von der Erde hat die vor
über zwei Jahrzehnten gestartete Voyager 1 die Raumsonde Pioneer 10 überholt. Im
Gegensatz zu Pioneer 10, bei der in den nächsten Monaten mit dem Versiegen der
Energie gerechnet wird, hoffen die Wissenschaftler Voyager 1 noch über 20 Jahre
aufrecht erhalten zu können
3.
2) Unbemannte Flüge zum Mond
- der Mond als nächster Nachbar war das Ziel vieler Weltraumflüge
- Versuche mit Mondsonden im Jahre 1958 von den Vereinigten Staaten und der
Sowjetunion schlugen fehl
- 1959 gestartete Luna 2 übermittelt die ersten Bilder von der erdabgewandten
Seite des Mondes
- 1964 übermittelt die amerikanische Mondsonde Ranger7 erste Nahaufnahmen vom
Mond
- 1966 gelang Luna 9 die erste weiche Mondlandung ( ohne zerstört zu werden)
- im selben Jahr folgten die Amerikaner mit Surveyor 1
- das Interesse konzentriert sich auf das Programm einen Menschen auf den Mond
fliegen zu lassen
- zu diesem Zweck unternahmen die Amerikaner weitere unbemannte Flüge
- Surveyor 3 entnahm Proben vom Mondbodens und hatte eine Fernsehkamera
- Surveyor 5 nahm eine chem. Analyse der Mondoberfläche vor
- das war die erste Analyse eines außerirdischem Himmelskörpers vor Ort
- weitere Mondsonde, die amerikanische Luna Orbiter, umkreiste 1966 & 1967 den
Erdtrabanten und funkte tausende von Fotos zur Erde
- mit Hilfe dieser Fotos wurde das Mondlandeprogramm Apollo Ausgewählt
- Sept. 1970 landete Luna 16 auf dem Mond und schickte 113g Mondgestein zur Erde
- Nov. 1970 brachte die russische Sonde Luna 17 das selbstfahrende, mit
Sonnenenergie betriebene Mondfahrzeug Lunochod 1 auf den Erdtrabanten
- er legte in 10 Tagen eine Strecke von 10,5km zurück und lieferte wissenschaftliche
Daten an die Erdstation
- 1973 wiederholte Lunochod 2 diese Leistung
- beide waren mit einer Fernsehkamera und einem Bodenanalysegerät ausgerüstet
- mit Hilfe der 1994 gestarteten Raumsonde Clementine gelang es 1996
amerikanischen Wissenschaftlern möglicherweise in einem zwölf Kilometer tiefen
Krater nahe dem Mondsüdpol, ein größeres Vorkommen von Eis zu entdecken
- der Mond galt bisher als wasserlos
- durch hohe Temp. von über 100 °C während der Mondtage würde Wasser
vollständig verdunsten, und die schwache Schwerkraft des Erdtrabanten würde
dieses Gas in den Weltraum entweichen lassen
- die Gashülle des Mondes ist dünner als jedes bisher im Labor hergestellte Vakuum
- Clementine erkundete einen Einschlagskrater mit über 2 500 Kilometer
Durchmesser, des Aitken-Becken, in dem der lunare Südpol liegt
- mit einer Tiefe von zwölf Kilometern erfüllt das Becken alle Bedingungen für eine
Kältefalle
- im ewigen Schatten dieses Kraters entdeckten die Forscher Anzeichen für ein
Vorkommen von Eis, vielleicht aber auch von anderen Substanzen
- das fleckige, schmutzige, mit Mondgestein vermischte Eis bedeckt eine Fläche von
etwa 100 Quadratkilometern
- die Begrenztheit des Vorkommens spricht für einen ehemaligen Kometen als Quelle
- leider gelang es bislang nicht, die Messergebnisse von Clementine zu untermauern -
- die NASA startete am 6. Januar 1998 die Sonde Lugar Prospector
- sie untersuchte den Erdtrabanten über ein Jahr lang aus einer Mondumlaufbahn und
stürzte wie geplant am 31.
Juli 1999 im Südpolargebiet ab
- in dem beim Aufprall entstandenen Staub- und Partikelwirbel konnten jedoch
Spuren von Eis und Wasser nachgewiesen werden
3.3) Wissenschaftliche Satelliten
- Als die Trägerraketen und die wissenschaftlichen Messgeräte immer zuverlässiger
wurden, entwickelte man eine große Vielfalt von Satelliten
- Wissenschaftler waren darauf bedacht, Daten zu sammeln und genaue
Untersuchungen der Sonne, anderer Sterne, der Erde und des Weltraumes
vorzunehmen
- es ist nicht möglich, solche Daten von der Erdoberfläche aus zu machen, da die Erde
von der Atmosphäre umgeben ist
3.4) Astronomische Satelliten
- in den Vereinigten Staaten wurden viele astronomische Satelliten gestartet
- seit 1962 untersucht man die Ultraviolette-, die Röntgen- und die
Gammastrahlung der Sonne
- Satelliten der Pioneer-Serie führten Untersuchungen der kosmischen Strahlung,
des Sonnenwindes und der elektromagnetischen Eigenschaften des Weltraumes durch
- es werden Beobachtungen der stellaren Strahlung und Untersuchungen der
Beziehungen zwischen der Sonne, der Erde und ihrer Umgebung durchgeführt
- Mit dem Infrarot-Astronomie-Satelliten (IRAS), einem britisch-amerikanischen
Gemeinschaftsprojekt, das 1983 gestartet wurde, untersuchte man die bisher
verborgenen Regionen unserer Galaxis
3.5) Satelliten für spezielle Verwendungszwecke
- Unterteilung der Satelliten in drei Gruppen: Nachrichten-, Umwelt- und Navigationssatelliten
Umweltsatelliten:
- beobachten die Erde und die Atmosphäre und übermitteln Bilder für eine Vielzahl von Aufgabenstellungen
- Wettersatelliten:
- liefern täglich Messergebnisse von Temperaturen und Übertragungen von Wolkenfeldern
- Erdbeobachtungssatelliten:
- nimmt Bilder von militärischer Bedeutung auf
- damit lassen sich z. B. atomare Explosionen, Startrampen für ballistische
Raketen sowie Schiffs- und Truppenbewegungen registrieren
- Navigationssatelliten:
- bilden einen bekannten, die Erde umkreisenden Bezugspunkt, mit dessen Hilfe
Schiffe und Unterseeboote ihre Position fast metergenau feststellen können
3.
6) Untersuchungen von Planeten und des interstellaren Raums
- Raumsonden landeten auch auf Mars und Venus
- andere Sonden flogen an anderen Planeten wie Merkur, Jupiter & Saturn, Uranus & Neptun vorbei, ausgenommen Pluto
- untersuchten Kometen außerhalb der Planetenbahn, aber noch innerhalb des Sonnensystems
3.6.1) Mars
- die ersten Bilder vom Mars sendete die US-Sonde Mariner 4
- sie erreichte den Planeten am 14. Juli 1965 und flog planmäßig an ihm vorbei
- Amerikaner starteten ihre Sonde Mariner 9
- sie erreichte am 24. November 1971 die Marsumlaufbahn und blieb dort
- Mariner 9 untersuchte den Roten Planeten fast ein Jahr lang und lieferte neben
Videobildern von der Oberfläche auch detaillierte Aufnahmen von den Monden Phobos und
Deimos
- andere Raumfahrzeuge nahmen noch Untersuchungen an der Atmosphäre, Oberfläche und
Marskatographien durch
3.6.
2) Venus
- Anfang der siebziger Jahre gelang es russischen Raumsonden erstmals, die dichte, wolkenverhangene Atmosphäre der Venus zu durchdringen
- August 1970 wurde Venera 7 gestartet, die Temperaturangaben zu übermitteln
- Venera 8 sendete Daten von der Planetenoberfläche, u. a. von vor Ort untersuchten Bodenproben
- Oktober 1975 brachten Venera 9 und 10 Landegeräte auf die Oberfläche und übertrugen die ersten Fotos von der Venusoberfläche
- 1978 koppelten Venera 11 und 12 Sonden ab, die am 25. bzw. 21. Dezember auf der Venus landeten
- Beide Sonden registrierten einen Druck von 8 900 Kilopascal (88 Atmosphären) und eine Oberflächentemperatur von 460 °C
- 1.
bzw. 5. März 1982 landeten Venera 13 und 14 auf der Venus
- sie übertrugen Fotos von der Planetenoberfläche und analysierten die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und des Bodens
- 10. und 14. Oktober 1983 flogen Venera 15 und 16 auf eine Venusumlaufbahn und übermittelten Radaraufnahmen, und im Juni 1985 schickten Vegas 1 und 2, die auf dem Weg zum Halleyschen Kometen waren, vier Sonden in die Venusatmosphäre
- Von den USA wurden der Orbiter Pioneer Venus 1 und Pioneer Venus 2 erreichten die Venus am 5. bzw.
9. Dezember
- Der Orbiter erfasste fast die gesamte Venusoberfläche kartographisch, und die Sonden analysierten die Zusammensetzung und Bewegung der Atmosphäre und ihr Zusammenwirken mit dem Sonnenwind
- Von einem Spaceshuttle aus wurde 1989 die Magellan-Sonde zur Venus geschickt, die im August 1990 die ersten Radaraufnahmen von der Planetenoberfläche sendete
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