Vergleich der Charakteristiken von Hyperschallgeschossen mit Starthilfen.
D. Rakov
Moscow Aviation Institute - Technische Universität Berlin
Rußland
. Übersicht
Eine der wichtigsten Aufgaben, die bei der Eroberung des erdnahen kos-mischen Raumes stehen, ist die Schaf-fung eines leistungsfähigen wis-senschaftlichen Produktionskomplexes und die Größe der Transportströme in Richtung Erde-Weltraum-Erde.
In dieser Arbeit werden die Hyperschallgeschosse, die die aerody-namische Qualität haben, betrachtet.
Die Flugbahncharakteristiken der Geschosse wurden durch numeri-sche Integration der Bewegungsgs-leichungen nach der Euler-Methode ermittelt, wobei die Schrittweite mit 0.001 s angenommen wurde. Bei den Berechnungen wurde angenommen, daß die Geschosse von einer Kanone aus starten, deren Höhe 0,2,4,6,8 km beträgt; diese Geschosse haben während des Fluges in der Atmosphäre die Querschnittsbelastung von 1000 bis 10000 kg/m2. Der Startwinkel der Apparate beträgt 0 bis 90 Grad. Die Geschosse haben eine aerodynamische Qualität. Die Apparate wurden mit Hilfe eines Endgeschwindigkeitskriteriums verglichen.
Am Ende kann man die Schluß-folgerung ziehen, daß sich im Ver-gleich zu den ballistischen Geschossen diese Apparate durch folgende Vorzüge auszeichnen:
1. Senkung der Wärme- und Geschwindigkeitsströmungen.
2. Niedrige Kosten der Transport-operationen , weil die Schleuder waage-recht aufgestellt ist.
Formelzeichen
a - Schallgeschwindigkeit;
A - Bezugfläche
p=A/m - Querschnittsbelastung
cl - Auftriebsbeiwert
cd - Widerstandbeiwert
d - Durchmesser
D - Widerstand
g - Erdbeschleunigung
H,h - Flughöhe
Q - Gleitwinkel
K=Cl/Cd - Aerodynamische Qualität
L - Auftrieb
M,Ma - Machzahl
m - Startmasse
q - Dynamischer Druck
s - Sekunde
t - Zeit
V - Geschwindigkeit
al - Anstellwinkel
ro - Luftdichte
Indizes
e - Endzustand
o - Anfangszustand
2. Einleitung
Bei der künftigen Nutzung des Weltraums steht die Problematik der geeigneten Raumtransportsysteme an erster Stelle. Da die Technologie der chemischen Antriebe fast ausgereizt ist und somit niedrigere Transportkosten mit chemischen Antrieben nur noch über größere Systeme und höhere Startraten zu erreichen sind, kann nur die Entwicklung geeigneter elektrischer oder nuklearer Antriebe weiterhelfen. Für den Start von Planetenoberflächen aus sind elektrostatische Antriebe wegen ihres geringen Schubes ungeeignet und nukleare Antriebe aus ökologischer und politischer Sicht problematisch/1,2,3,4/.
Die elektromagnetischen Massen-beschleuniger und die Massen-beschleuniger, die leichte Gase aus-nutzen, nehmen mit ihrem hohen Schub unter den elektromagnetischen Antrieben eine Sonderstellung ein. Außerdem sind sie praktisch unabhängig von der Art der verwen-deten Reaktionmasse.
Unter erdgestützten Anwendun-gen sollen alle die Anwendungs-möglichkeiten verstanden werden, bei denen Massen von einem fest auf der Erdoberfläche installierten Beschleuni-ger aus in den Weltraum geschossen werden. Darunter lassen sich im wesentlichen die vier folgenden Anwendungen zusammenfassen/1/:
1. Beförderung von Satelliten und Massengut in Erdumlaufbahnen.
2. Endlagerung von Atommüll im Weltraum außerhalb unseres Sonnensystems.
3. Abschluß von Sonden zur Tiefenraumerforschung.
4. Starthilfe für kleinere chemische Raketen.
Eine der wichtigsten Aufgaben, die bei der Eroberung des erdnahen kosmischen Raumes stehen, ist die Schaffung eines leistungsfähigen wissenschaftlichen Produktionskomplexes und die Größe der Transportströme in Richtung Erde-Weltraum-Erde. In dieser Arbeit werden die Hyperschallgeschosse, die aerodynamische Qualität haben, untersucht.
3. Morphologischer Kasten
In der Arbeit /1/ wird ein morphologischer Kasten für verschiedene Massenbeschleuniger untersucht. Aus dem prinzipiellen Aufbau eines Massenbeschleunigers und grundsätzlichen Anwendungs-möglichkeiten lassen sich zehn wichtige Merkmale ableiten, nach deren Ausprägungen sich die Massenbeschleuniger klassifizieren lassen:
• Anwendung
• Art der Energieerzeugung.
• Betriebsart des Beschleunigers
• Form der Energiespeicherung und -wandlung für den Beschleunigungsvorgang.
• Funktionsprinzip der Umwandlung elektrischer Energie in kinetische Energie des Projektils.
• Anordnung von Beschleuniger und Projektil.
• Anzahl Stufen des Beschleunigers.
• Art der Beschleunigerstromkreise.
• Aggregatzustand der beschleunigten Masse.
• Aufbau des Projektils.
Für die Untersuchung der Hyperschallgeschosse werden noch 5 Merkmale gebraucht:
• Querschnittsbelastung
p < 2000 kg/m2
2000 < p < 5000 kg/m2
p > 5000 kg/m2
• Aerodynamische Daten
K=0 (min D)
Kmax > K > 0
K = Kmax
K > Kmax (max L)
• Anfangswinkel
Qo=0°
0° < Qo < 90°
Qo=90°
• Anfangshöhe
h = 0 km
h > 0 km
• Manöver
Ohne Manöver
2D-Manöver
3D-Manöver
BILD 1 zeigt die Flugbahnfamilie für die Hyperschallgeschosse mit kleiner aerodynamischer Qualität. BILD 2 zeigt die 3D-Flug-bahnfamilie für die Hyperschall-geschosse mit kleiner aerodynamischer Qualität.
BILD 1: Schema des Fluges Hyperschallgeschosses mit kleiner aerodynamischen Qualität (2D-Darstellund).
BILD 2: Schema des Fluges Hyperschallgeschosses mit kleiner aerodynamischen Qualität (3D-Darstellung).
4. Aerodynamische Modelle
Die Geschosse haben eine aerodynamische Qualität. BILD 3 zeigt die untersuchten Modelle der Hyperschallgeschosse mit kleiner aerodynamischer Qualität.
BILD 3: Modelle der untersuchten Hyperschallgeschosse.
BILDER 4 bis 9 zeigen aerodynamische Abhängigkeiten von verschiedenen Faktoren. Bei den Berechnungen der aerodynamischen Kennziffern wurden die Modelle der Kontinuumsaerodynamik zugrunde gelegt.
BILD 4: Aerodynamische Abhängigkeit Cd=f(a) (Modell 1).
BILD 5: Aerodynamische Abhängigkeit Cl=f(a)(Modell 1).
BILD 6: Aerodynamische Abhängigkeit Cd=f(a)(Modell 2).
BILD 7: Aerodynamische Abhängigkeit Cl=f(Cd)(Modell 2).
BILD 8: Aerodynamische Abhängigkeit Cd=f(a)(Modell 3).
BILD 9: Aerodynamische Abhängigkeit Cl=f(a) (Modell 3).
5. Ballistische Berechnungen
Bei den Berechnungen wurde angenommen, daß die Geschosse 0, 2000, 4000, 8000 m Höhe haben und mit Anfangswinkel von 0 bis 90 Grad fliegen. Die Flugbahncharakteristika der Hyperschallgeschosse wurden durch numerische Integration der Bewegungsgleichungen nach der Euler-Methode ermittelt, wobei die Schrittweite als 0.001 s angenommen wurde.
Bei den Berechnungen wurde ange-nommen, daß die Hyperschall-geschosse von einer Kanone aus starten, deren Höhe 0,2,4,6,8 km beträgt; diese Geschosse haben während des Fluges in der Atmosphäre die Querschnitts-belastung von 1000 bis 10000 kg/m2. Bei jedem Integrationsschritt wurden folgende Größen bestimmt:
BILD 10 zeigt ein Schema der Berechnung der Geschosse.
6. Resultate
BILDER 11 bis12 zeigen die Flugbahndaten der Hyperschallgeschosse. Die Apparate wurden mit Hilfe eines Endgeschwindigkeits-kriteriums verglichen.
Anfangsdaten des Geschosses (BILD 11):
Qo=15 Grad Ho=0 km
a=4 Grad p=2000 kg/m2
BILD 10: Ablauf-Diagramm für Programm.
BILD 11: Abhängigkeit der Umlaufbahndaten von der Flugzeit (Modell 1)
Anfangsdaten des Geschosses 2 (BILD 12):
Qo=30 Grad Ho=2 km
a=0 Grad (Ballistische Bahndaten)
p=2000 kg/m2
BILD 12: Abhängigkeit der Umlaufbahndaten von der Flugzeit (Modell 1).
BILD 13 zeigt die Abhängig-keit der Startgeschwindigkeit von Anstellwinkel und Querschnittsbe-lastung. Das Minimum der Startge-schwindigkeit wird bei dem Anstell-winkel 8 Grad erreicht, aber die maximale aerodynamische Qualität wird bei dem Anstellwinkel 10-11 Grad erreicht. Der Gewinn beträgt 8-14%. Im Vergleich zu ballistischen Geschossen beträgt der Gewinn:
207% bei p=3000 kg/m2
154% bei p=8000 kg/m2.
BILD 13: Abhängigkeit Vo =f(a,m/A)
Es ist bekannt:
Staudruck= ro**2
Wärmestrom = ro**3
Das Huperschallgeschoß mit der aero-dynamischen Qualität hat einen geringeren Wärmestrom (Senkung in 8,9-3,4 mal) und Staudruck (Senkung in 4,3-2,3 mal). Diese Umstände führen zur Verringerung der Masse des Geschosses.
BILD 14 zeigt die Abhängigkeit Qe=f(Qo,m/A). Bei niedriger Quer-schnittsbelastung erreichen die Hyperschallgeschosse einen vertikalen Aufstieg.
BILD 14: Abhängigkeit Ve,Qe=f(m/A)
BILD 15 zeigt die Abhängigkeit Vo=f(m/A,Qo).
Bei
p=1000kg/m2 Vo=33,9 km/s
p=3000 kg/m2 Vo=15,7 km/s
p=5000kg/m2 Vo=12,4 km/s
BILD 15: Abhängigkeit Vo=f(m/A,Qo)
BILD 16 zeigt die Abhängigkeit m/A=f(Schlankheitsgrad,Modelle) für verschiedene Materialen und Raketen.
AIM-9L,R-60 - Raketen
W-Wolfram
Ir-Iridium
Pt-Platinum
St-Stahl
Mo-Molibden
BILD 16: die Abhängigkeit m/A=f(Schlankheitsgrad,Modelle).
7. Zusammenfassung
Am Ende kann man die Schluß-folgerung ziehen, daß sich im Vergleich zu den ballistischen Geschossen diese Apparate durch folgende Vorzüge aus-zeichnen:
1. Die Senkung der Wärme- und Geschwindigkeitsströmungen.
2. Niedrige Kosten der Transport-operationen, weil die Schleuder waage-recht aufgestellt ist.
3. Als Ergebnis stehen dazu die optimalen Bahndaten und 3D-Daten
Vo=f(m/A,Cl,Cd,a) und Vo=f(m/A,Qo) zur Verfügung.
4. Die obenerwähnten Faktoren führen dazu, daß man für die Zubrin-gung eine geringere Masse braucht, was einer Vergrößerung von Nutzlast in den alten Zubringermitteln gleich ist, d.h. die Effektivität des Systems als Ganzes wird höher sein.
Weitere beabsichtigte Arbeiten betreffen die Untersuchung folgender Probleme:
1. Präzisierung der aerodynamischen Berechnung.
2. Thermodynamische Berechnung.
8. Literaturverzeichnis
1. U. Apel: "Electromagnetische Massenbeschleuniger " ILR-Bericht, TUBerlin,1984.
2. Grischin S.D. Industrialisierung des Weltraumes, Verlag Nauka, Moskau,1988.
3. Hawke,R.S.; Brooks,A.L.;Fowler,C.M.; Peterson,D.R.; Electromagnetic railgun launchers-Space propulsion applications;AIAA Paper 81-0751 810400,AIAA,JSASS and DGLR, International Electric Propulsion Conference, 15th,Las Vegas,Nevada,
21-23 April 1981
4. Harry O. Ruppe. Introduction to Astronautics. Volume 1. Verlag Nauka, Moskau,1970.
5. Rice, E.E.; Miller,L.A.;Feasibility of an Earth-to-Space Rail Launcher System; IAF Paper 82-46, 33RD Congress of the International Astronautically Federation, 27.Sep.-2.Okt.1982,Paris.
6. F.Zwicky, Entdecken,Erfinden,Forschen im Morphologischen Weltbild. Munchen,1966
