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Raumfahrt => Fragen und Antworten: Raumfahrt => Thema gestartet von: tommyboy am 24. Februar 2020, 20:48:21

Titel: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: tommyboy am 24. Februar 2020, 20:48:21

Hallo,
ich habe eine Doku über die Challenger und dann über die Discovery gesehen.
Warum bremst man beim DeorbitBurn nicht viel stärker ab, um mit weniger Reibung, sprich weniger Hitze in die Atmosphäre einzutreten?
Danke,
tommyboy

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Hugo am 24. Februar 2020, 21:17:23

Der Deorbt-Burn dient lediglich dazu, ein Raumschiff so weit zu "bremsen", dass es in die Atmosphäre eintritt. Die Atmosphäre nutzt man dann, um noch langsamer zu werden.

Mit Treibstoff funktioniert das nicht, denn den hat ein Raumschiff nicht zur Verfügung. Um welchen zu bekommen, müsste man weitere Raketen starten, welche diesen Liefern. Das lohnt sich Wirtschaftlich nicht. Außerdem müsste man dann viele keine Deorbit-Burns machen, denn wenn der Orbit sinkt, nimmt die Geschwindigkeit wieder zu.

Man sieht das ganz deutlich bei der Falcon9. Es gibt hier Videos von SpaceX, wo man die Geschwindigkeit  während der Landung sehen kann. Da sieht man, wie schnell die Rakete wieder an Geschwindigkeit gewinnt.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: tommyboy am 25. Februar 2020, 09:36:13

Vielen Dank, Hugo, für deine Antwort.
Eine Frage hinterher:
Wieso nimmt die Geschwindigkeit zu und in welchem Video sieht man das?
LG, tommyboy

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Sensei am 25. Februar 2020, 10:23:51

Uhh. Wenn die Triebwerke durch schub keine Gegenkraft produzieren setzt sich eben die gute alte Schwerkraft wieder durch und beschleunigt die Stufe nach unten.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Nitro am 25. Februar 2020, 11:14:38

Zitat von: tommyboy am 25. Februar 2020, 09:36:13

Wieso nimmt die Geschwindigkeit zu und in welchem Video sieht man das?

Die Lageenergie (potenziell) sinkt und wird in kinetische Energie (Geschwindigkeit) umgewandelt. Stell es dir wie ein Wasserstrudel vor: Aussen fliesst das Wasser langsamer, aber je naeher du dem Mittelpunkt kommst umso schneller wird es. Wie Hugo schon sagt, man koennte zwar mit Triebwerken abbremsen, aber da in der Raumfahrt jedes Kilo aufgrund der Startkosten gespart werden sollte, nimmt man so wenig Treibstoff wie noetig mit und nutzt dann lieber die Reibewirkung der Atmosphaere beim Wiedereintritt zum Abbremsen ab.

Auch Marssonden konnten schon durch sogenannten Aerobraking, mehrere Kilos an Treibstoff sparen um durch Reibung an der duennen Marsatmosphaere ihre Bahn abzubremsen, anstatt viel Treibstoff in ein Bremsmanoeuver zu stecken um in ihren finale Orbit einzuschwenken.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: tommyboy am 25. Februar 2020, 11:49:15

Danke euch allen für die tollen Erklärungen.
Also sehe ich es richtig: Man nimmt den heiklen Wiedereintritt in Kauf um (viel) Gewicht beim Start zu sparen?

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: blackman am 25. Februar 2020, 12:17:14

Zitat von: tommyboy am 25. Februar 2020, 11:49:15

Danke euch allen für die tollen Erklärungen.
Also sehe ich es richtig: Man nimmt den heiklen Wiedereintritt in Kauf um (viel) Gewicht beim Start zu sparen?

Richtig. Um dir mal zu verdeutlichen wie viel mehr Treibstoff das wäre: In einem niedrigen Erdorbit hat man Geschwindigkeiten von 7-8 km/s. Um einen normalen Deorbit auszuführen muss man nur etwa 100m/s (die genaue Zahl hängt vom Orbit ab) abbremsen um in tiefere Schichten der Atmosphäre zu gelangen. Das ist etwa Faktor 100. Das ist technisch nicht mal anstatzweise möglich so viel Treibstoff zu haben.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: tommyboy am 25. Februar 2020, 12:23:11

Okay, das klingt einleuchtend. Danke für diese Erklärung.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Klakow am 25. Februar 2020, 13:16:50

Hier mal eine einfache Erklärung warum sowas mit chemischen Treibstoffen einfach unmöglich ist.
Für ein beliebigen Treibstoff gilt:

deltaV=Ausströmgeschwindigkeit*LN(Abflugmasse/Leermasse)
Die Ausströmgeschwindigkeit ist selbst bei Wasserstoff+Sauerstoff im Vakuum gerade mal ca. 4600m/s groß,
real aber eher unter 4000m/s, weil die Ausströmgeschwindigkeit einer Rakete in Meereshöhe deutlich unter 4000m/s sinkt.
Das Verhältnis Abflugmasse/Leermasse sagt auf das eine Rakete die z.B. 1000t beim Start hat und 500t nach dem ende der Beschleunigung nur noch 500t hätte.
Der LN ist nun der natürliche Logarithmus, nimmt man nun mal immer 1000t beim Start an und eine bestimmte Leermasse, so folgt:
LN(1000t/500t)=LN(2)  =0,693-> dV=  2773m/s (50% Nutzlastanteil)
LN(1000/250)  =LN(4)   =1,386-> dV=  5545m/s (25%)
LN(1000/125)  =LN(8.)   =2,079-> dV=  8318m/s (12,5%)
LN(1000/62,5) =LN(16) =2,773-> dV=11090m/s (6,25%)
Wie man sieht nimmt die Effektivität sehr schnell ab, erschwährend kommt hinzu das eine startende Rakete erst mal gegen die Schwerkraft ankommen muss, was dazu führt das sie beim Start jede Sekunde nochmals 9,81m/s verliert, zusätzlich muss sie sich erstmal durch die dicke Lufthülle quälen.
Egal was man tut, es gibt keine Rakete die sonderlich viel Nutzlastanteil ins All bringen kann, hier sind 5% schon viel.
Hätte man hingegen ein Triebwerk das z.b. 8000m/s Ausströmgeschwindigkeit hätte, so könne man ca. 20% Nutzlast in einen Orbit bringen, oder man könnte auch mehr alls doppelt so schnell werden.
Das ist auch der Grund warum man früher versucht hat einen Kernreaktor zu nutzen um Wasserstoff direkt ohne Sauerstoff als Treibstoff zu nutzen, hiermit wäre je nach Kerntemperatur und Druck bis zu 10km/s erreichbar gewesen, aber sowas hätte halt andere Probleme.
Kleine Bemerkung am Rande, früher wurden die Triebwerke in SF-Filmen oft in weiser sonnenheller Farbe dargestellt, was aber in den meisten Fällen eher falsch wäre wenn die Raumschiffe wirkleich schnell fliegen könnten, da dann die Farbe der Triebwerke eher blau, violet oder sogar fast unsichtbar sein müssten wenn die Triebwerke vielleicht eine Ausströmgeschwindigkeit von 10.000km/s oder mehr erreichen würden.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: tommyboy am 25. Februar 2020, 16:48:42

Hallo Klakow,
ich bin beeindruckt von der Mühe, die du dir gemacht hast.
Aber ich muss gestehen, dass ich so gut wie gar nicht verstehe.
Das ist mir zu hoch - trotz naturwissenschaftlichem Interesse.
Ich denke aber, dass es einige gibt, für die diese Infos hilfreich sind.
Danke nochmal zu dir
tommyboy

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: PaddyPatrone am 25. Februar 2020, 17:01:25

Kennst du das Computerspiel Kerbal Space Program? Ist ganz gut um ein grundsätzliches Verständnis für die ganze Sache aufzubauen.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: tommyboy am 25. Februar 2020, 17:13:26

Nein, aber werde ich mir anschauen.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Klakow am 25. Februar 2020, 17:20:24

Hey, das ist keine schwere Mathe, das ist leicht.
Nehme doch einfach mal an eine Rakete hätte 1000t beim Start und jede Sekunde würden 5t Treibstoff verbrant und unten ausgestossen.
Das würde bedeuten das nach nach drei Minuten 900t Treibstoff verbrant sind, der Rest (100t) teilt sich auf die Masse des Raumschiffs,
die Nutzlast, zum Beispiel die Masse eines Satelliten und den restlichen Treibstoff auf.
Wenn du nun annimmst, dass das Raketentriebwerk mit Methan+Sauerstoff arbeitet, so verlässt das Abgas das Triebwerk mit ca. 3400m/s
(das ist ca. 100 mal schneller als du vermutlich auf der Autobahn unterwegs bist).
Die wichtigste Erkenntnis wäre hier, dass eine Rakete welche 500t Treibstoff verbrant hat um knapp 70% schneller geworden ist als die Geschwindigkeit ihres Antriebsstrahls.
Bei 3400m/s sind das ca. 2360m/s.
Willst du die Rakete doppelt so schnell machen, muss du wieder die hälfte der Masse an Treibstoff verbrennen.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: fl67 am 27. Februar 2020, 05:04:28

Zitat von: Klakow am 25. Februar 2020, 13:16:50

deltaV=Ausströmgeschwindigkeit*LN(Abflugmasse/Leermasse)

Das ist die Raketengrundgleichung (https://de.wikipedia.org/wiki/Raketengrundgleichung).
Die Rakete wird immer leichter, je länger der Antrieb läuft. Die Schubkraft bleibt immer gleich stark, aber wegen der immer kleineren Masse wächst die Beschleunigung und damit die Geschwindigkeit.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Klakow am 27. Februar 2020, 14:56:06

Dast stimmt natürlich nur im Vakuum und nicht im Schwerefeld eines Planeten, aber es reicht erstmal zum Verständnis.

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Ariane 42L am 27. Februar 2020, 18:24:01

In der Geschichte der Raumfahrt gab es schon Raumflüge da wurde "stärker gebremst".
Das hatte dann dazu geführt das eine ballistische Abstiegsbahn geflogen worden war.

Beispiel dafür ist Sojus-33 im April 1979.
https://de.wikipedia.org/wiki/Sojus_33 (https://de.wikipedia.org/wiki/Sojus_33)

Titel: Re: Warum wird vor dem Wiedereintritt nicht stärker abgebremst?
Beitrag von: Ariane 42L am 27. Februar 2020, 19:20:13

Zitat von: tommyboy am 25. Februar 2020, 09:36:13

Vielen Dank, Hugo, für deine Antwort.
Eine Frage hinterher:
Wieso nimmt die Geschwindigkeit zu und in welchem Video sieht man das?
LG, tommyboy

Geschwindigkeitsangaben von STS-1/Columbia im Apil 1981

Flughöhe in km	Geschwindigkeit in Mach	Anmerkungen
ca.280	?	De-Orbit, Geschwingkeitseduzierung um 90m/sec.
122	24.6	Eintritt in die Atmosphäre nach NASA
103	24.7	Auffreffen der ersten Atmosphäreschichten
70	21.3	maximale Erhitzung überstanden
65	18	Eintritt in die Äquilibriumsgleitzone

Quelle
Jesco von Puttkamer: Der erste Tag der neuen Welt – Vom Abenteuer der Raumfahrt zur Zukunft im All. Umschau-Verlag 1981

Die Columbia hatte nach den De-Orbit eine Bahn von 0 * 280 km gehabt. Wenn man den Erdradius dazu zählt, kommen 6371 * 6651 km daraus.
Je näher man den tiefsten Punkt der Bahn an den Erdmittelpunkt führt, desto stärker wirkt die Erdanziehungskraft und desto schneller wird das Raumfahrzeug beschleunigt.