Bahnregelung einer rotierenden Weltraumstation im Orbit?

Hallo,

das ist ein gern gezeigtes Bild in vielen SF: die rotierende Weltraumstation in der Erdumlaufbahn.

Dazu folgende Frage (klingt dämlich, aber ich komme nicht auf eine plausible Antwort):
bekanntlich behält ein Kreisel seine Position und seine Bewegungsachsen bei. Kann also ein rotierender Körper überhaupt eine kreisförmige Umlaufbahn einnehmen - oder müsste er nicht den Drall haben, „geradeaus“ weiterzufliegen, wie ihm seine Kreiselbewegung vorschreibt?

Wahrscheinlich simpel.

Vielen Dank
Badabumm

Die Erde dreht sich um seine eigene Achse und umkreist die Sonne. Aus welchem Grund, sollte das, was die Erde um die Sonne kann, nicht auch eine Raumstation um die Erde können?

Wie bei der Erde um die Sonne bleibt die Ausrichtung der Rotationsachse konstant, wenn man keine Steuermanöver macht. Die Ausrichtung relativ zur Erdoberfläche ändert sich also ständig. Die Station wird aber trotzdem eine "normale", stabile Umlaufbahn haben.

Bei der Spin-Stabilisierung habe ich nun folgendes gefunden:

Das bekannteste Beispiel eines spinstabilisierten Satelliten ist die Erde mit ihrer täglichen Umdrehung. Ein anderes Beispiel sind spinstabilisierte Nachrichtensatelliten, die ihre Spinachse so ausrichten, dass die Solarzellen auf ihrer Trommeloberfläche während der Rotation um ihre Achse nacheinander von der Sonne beschienen werden, während gleichzeitig ihre Antennen, an einem Ende der Trommel sitzend, von einem Motor entdrallt werden, so dass sie immer auf dasselbe Zielgebiet auf der Erde zeigen können. Man spricht dabei auch von einem dual-spin system.

Da in der Schwerelosigkeit die Ausrichtung absolut stabilisiert wird und nicht relativ zur Erde, wird normalerweise eine Spinachse im rechten Winkel zur Orbitfläche verwendet. Ansonsten würde eine Spinachse, welche anfangs zum Erdmittelpunkt zeigt, – bei Kreisbahn – nach einem Viertel der Umlaufbahn tangential zu dieser verlaufen, und nach der Hälfte die andere Seite der Spinachse zur Erde zeigen.

(https://de.wikipedia.org/wiki/Stabilisierung_(Raumfahrt)#Drallstabilisierung)

Bei einer rotierenden Raumstation hätten wir zwei Möglichkeiten: entweder dreht sich der gesamte Komplex - oder nur ein Teil des Komplexes rotiert. Wir hätten einmal eine spingeregelte Station und andernfalls eine drallgeregelte Station.

Ich verstehe den Text (s.0.) so, dass die Rotationsachse senkrecht zum Orbit stehen soll. Andernfalls würde sie ein initiale Ausrichtung einnehmen (z.B. zur Sonne gerichtet) und sich deshalb in einem Umlauf um 360° drehen. Daraus würde aber folgen, dass eine rotierende Station nur „liegend“ rotierend stabil wäre - und nicht, wie oft gezeigt - sozusagen „hochkant“?

Da die ISS ununterbrochen Lagekorrekturen ausführen muss, die sich durch Atmosphärenreibung, Druck auf die Sonnensegel, Ausweichmanövern, Ausrichten von Experimenten, Andockmanövern, Gravitationsgradient, g-Jitter oder Bewegungen der Astronauten oder Flüssigkeitsverteilungen ergeben, sollte es wohl eine Herausforderung sein, all diese Unwuchten in einem rotierenden Kreisel auszugleichen...

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Ich verstehe den Text (s.0.) so, dass die Rotationsachse senkrecht zum Orbit stehen soll. Andernfalls würde sie ein initiale Ausrichtung einnehmen (z.B. zur Sonne gerichtet) und sich deshalb in einem Umlauf um 360° drehen. Daraus würde aber folgen, dass eine rotierende Station nur „liegend“ rotierend stabil wäre - und nicht, wie oft gezeigt - sozusagen „hochkant“?

Hallo Badabumm,

was du "hochkant" bezeichnest, ist auch "dynamisch stabil". In allen Fällen versucht die rotierende Station ihre Ausrichtung (ihre Rotationsachse) stabil im Raum zu halten, egal wohin gerichtet. Im ersten Fall ("liegend") sieht es auch von der Erde aus angeschaut "optisch stabil" aus, d.h. sie erscheint immer "gleich". Im zweiten Fall sieht sie von der Erde aus "optisch variabel" aus, ihre Achse scheint zu "kippen". Aber, rein dynamisch ist auch sie stabil, hält ihre Achse "fest im Raum" ... nur die Erdoberfläche rotiert darunter hinweg.

Da die ISS ununterbrochen Lagekorrekturen ausführen muss, die sich durch Atmosphärenreibung, Druck auf die Sonnensegel, Ausweichmanövern, Ausrichten von Experimenten, Andockmanövern, Gravitationsgradient, g-Jitter oder Bewegungen der Astronauten oder Flüssigkeitsverteilungen ergeben, sollte es wohl eine Herausforderung sein, all diese Unwuchten in einem rotierenden Kreisel auszugleichen...

Egal wie ausgerichtet, eine rotieren Station würde immer Störmomente erfahren, die irgendwie ihre Achse kippen wollen:

• Gravitation durch die Abplattung der Erde
• Mond-, Sonnen-, Jupitergravitation
• Solardruck, ggf. auch Sonnenwind
• ggf. aerodynamisch durch die Hochatmosphäre
• Verlagerungen/Bewegungen im Inneren der Station

Vielen Dank.

Bei der ISS haben wir ja einen ziemlich "unausgewogenen" Komplex vor uns. Sie ist in keiner Achse "so richtig" symmetrisch. Bevorzugt wird die erdorientierte "LVLH" (local vertical local horizontal) Orientierung, die aber nicht automatisch stabil ist. Stabil wäre "TEA" (torque equlibrium attitude), die aber aufgrund der Störeinflüsse (besonders der Kollektoren) ebenfalls nachkorrigiert werden muss.
Durch ihre Bauweise hat sie zudem mit Nick- und Rollproblemen zu kämpfen.

Wenn wir nun einen rotationssymmetrischen Körper haben, so soll dieser, um die Winkelgeschwindigkeit für die künstliche Schwerkraft zu minimieren, möglichst groß sein. Angenommen, wir haben ein Rad von 200 m Durchmesser. Dann hätten wir, wenn wir es "aufrecht" stellen, zwischen oben und unten ein Gravitationsgefälle von 200 Metern. Unten wäre die Gravitation größer als oben, trotz gleicher Winkelgeschwindigkeit, denn einmal wird die Erdgravitation addiert, einmal subtrahiert. Die Astronauten würden also zwischen zwei unterschiedlichen Gravitationen pendeln. Ob sie das bemerken würden oder ob es einfach nur messbar wäre, weiß ich nicht. Zudem existiert das Gravitationsgefälle ohnehin, da 200 m höher die Schwerkraft der Erde geringer wäre als 200m tiefer. Deshalb vermute ich, dass ein solcher Körper im Schwerefeld den Drang hätte, sich stabil auszurichten, was eine "liegende" Position bedeutet. Dann befinden sich alle rotierenden Punkte der Station im gleich starken Gravitationseinfluss. Aber das ist eben eine Vermutung.

Da es ja spinstabilisierte Satelliten gibt, würde ich diese als Vorbild nehmen. Soweit ich weiß, rotieren solche Objekte insgesamt, während die Antenne durch einen Motor kontinuierlich entdrallt und auf die Erde gerichtet wird.

Für eine gravitationsgradienten-stabilisierenden Fluglage muss die Achse mit dem kleinsten Massenträgheitsmoment radial ausgerichtet werden (Messerschmid, Bertrand, Pohlemann "Raumstationen",  Springer 1997).

Es ist davon auszugehen, dass auch eine solche zukünftige rotierende Raumstation Solarpaneele benötigt. Fusionsreaktoren oder Superbatterien sind noch Science Fiction. Wir haben also den rotierenden Teil mit möglichst konstanter 1g-Gravitation (das heißt, die Rotationsgeschwindigkeit soll gleich bleiben) und daran gekoppelt die Sonnensegel, die logischerweise der Sonne nachgeführt werden. Hier stellt sich die Frage, wie beide Komponenten günstig angeordnet werden, um Beschattung oder Atmosphärenreibung zu minimieren.

Ich denke, da kommen gerade ein paar Sachen durcheinander ...

Bei der ISS haben wir ja einen ziemlich "unausgewogenen" Komplex vor uns. Sie ist in keiner Achse "so richtig" symmetrisch.

Meinst du optische Symmetrik? Die ist egal. Symmetrik der Massenverteilung ist für Gravitationsmomente interessant. geometrische Symmetrik ist für "Flächenkräfte", z.B. Aerodynamik oder Solardruck, interessant.

Deshalb vermute ich, dass ein solcher Körper im Schwerefeld den Drang hätte, sich stabil auszurichten, was eine "liegende" Position bedeutet. Dann befinden sich alle rotierenden Punkte der Station im gleich starken Gravitationseinfluss. Aber das ist eben eine Vermutung.

Genau das Gegenteil ist der Fall. So eine "liegende Lage", auf einem "Gravitationsniveau", ist gerade labil/instabil. Es gibt kein "Rückstellmoment" bei Störungen. Sobald ein Ende etwas abweicht, geht es weiter, bis das Objekt aufrecht steht. Anschlaulich: Das Ende, das durch Zufall "nach unten" taucht, kommt sofort in den Einfluss etwas stärkerer Gravitation und wird weiter nach unten gezogen ... bis  es den tiefsten Punkt erreicht hat. Um diese "aufrechte" Lage pendelt es dann.

Unten wäre die Gravitation größer als oben, trotz gleicher Winkelgeschwindigkeit, denn einmal wird die Erdgravitation addiert, einmal subtrahiert.

Das müssen wir noch etwas genauer betrachten, habe aber heute nicht mehr die Zeit. Nur, die Formulierung an sich ist falsch oder weist den falschen Weg. Nicht die Gravitation an sich "addiert" sich "oben" und "unten", sondern die Differenz aus Gravitation auf dieser Höhe und der lokalen Winkelgeschwindigkeit gegenüber der Erde. Im Schwerpunkt gleicht die Orbitbewegung die Gravitationswirkung aus, ich bin im freien Fall "um die Erde". Wenn ich "darüber" oder "darunter" bin, muss ich meine dortige Bewegung um die Erde mit der dortigen Gravitaiton "verrechnen", um die Nettowirkung zu bekommen. Für ein roteriendes Objekt muss ich dann schauen, wie sich meine lokale Rotaiton um den Schwerpunkt der Station auf meine Rotation um die Erde auswirkt.

Zu 1: ja, ich meine natürlich die Massenverteilung. Wir haben mit dem Truss einen ziemlich langes Element, das zu Schwingungen neigt, außerdem eine ungleichmäßige Verteilung der russischen und amerikanischen Sektion. Die Sonnenpaneele sind wiederum sehr ausgewogen montiert

zu 2: Da versagen meine Mathematikkenntnisse. Ich werde versuchen, mich da einzulesen. Aber schon die Tensorgleichungen für die ISS übersteigen meinen Horizont. Aus Wikipedia konnte ich entnehmen, dass gravitationsstabilisierte Objekte offenbar mit der Längsachse zum Erdmittelpunkt (bzw. rechtwinklig auf der Oribitfläche) zeigen, was man z.B. auch mit einem Tether und Gegengewicht erreichen könnte. Ein langer Zylinder würde also „aufrecht“ einpendeln. Dann würde man deine Schlussfolgerung von einem starren Zylinder übertragen auf eine Querachse im rotierenden Torus. Die Massenverteilung wäre dann sozusagen ein Rotationsellisoid (wie eine rotierende Münze auf der Schmalseite). Dann würde der Torus also leicht taumeln. Warum aber die ausgesuchte Achse zufällig entsteht und der Körper dann auf dieser beharrt, ist mir noch nicht klar. Bei der Münze wirkt die Schwerkraft unaufhörlich auf die anfängliche Rotation ein, so dass diese irgendwann flach zu Boden fällt - warum sollte das bei einem Torus im Orbit nicht auch so sein?

Bei deinem zweiten Absatz komme ich nicht ganz mit. Ich verstehe nicht richtig, was du sagen/beschreiben willst.

Rotationen: Rotationsachen sind nicht ganz beliebig/zufällig. Ein freier Körper rotiert nur stabil um seine Hauptträgheitsachsen. Wenn Kräfte/Momente über längere Zeit einwirken, ist nur die Achse mit dem größten Trägheitsmoment stabil. Das sieht man allgemein wie Planeten und Asteroiden rotieren, grundsätzlich alle um die Achse des größten Trägheitsmoments.

Kippende Achsen, durch äußere oder innere Störungen angeregt, führen dann natürlich auch noch zur Präzessionsbewegung des "Kreisels".

Bei einem Torus hat man ja die Rotationsachse. Angenommen, wir nennen sie y. Die beiden anderen Achsen x und z unterscheiden sich im Massenträgheitsmoment nicht. Sie gehen beide im rechten Winkel durch den Torus. Klar, kein Körper, und schon gar nicht eine Raumstation, ist perfekt ausbalanciert, aber der Unterschied zwischen der Rotationsachse y einerseits und x und z andererseits ist schon eindeutig.

Am Ende stellt sich die Frage ganz anders. Welche Bahnlage streben wir eigentlich an? Oder anders gefragt: wofür brauchen wir eine rotierende Weltraumstation? Der Vorteil einer Station im Orbit, nämlich die Mikrogravitation, fällt ja weg. Die simulierte Schwerkraft dient ja nur dazu, Langzeitaufenthalte ohne Schäden zu ermöglichen. Wir wollen Menschen länger als 6 Monate im Orbit beherbergen. Doch was sollen die da tun? 0 g-Experimente gibt es keine, Erd- und Sternbeobachtung werden schwierig. Eigentlich können sie nur Skat spielen und Netflix gucken... Wir haben im Prinzip drei Hauptanwendungsbereiche:

1. Die Station dient als Dauer-Aufenthaltsbaracke für Montagearbeiter, die im Orbit die "Mars One" oder die "Discovery" zusammenbauen (wir befinden uns ja eigentlich im SF-Bereich...).

2. Die Station ist "Bahnhof" bzw. Pferdewechselstation, z.B. zum Umsteigen zwischen Erdfähre und Mondlander, z.B. im Lagrange-Punkt.

3. Die Station ist ein Kreuzfahrtschiff für reiche Touristen.

Jeder dieser Vorgaben erfordert sicherlich eine bevorzugte Bahnlage. Bei der "aufrechten" Lage, wie sie hier postuliert wird, hätte man dummerweise eine große Angriffsfläche für Weltraumschrott und Meteoriten. Welche Position für Andockmanöver sinnvoll wäre, könnte man sich aus der ISS ableiten (von HausD weiß ich, dass diese Manöver absolut nicht einfach sind...).

Dann bleibt noch die Überlegung, ob die Rotation überhaupt dauerhaft sein soll. Vorstellen könnte ich mir durchaus auch schwerelose Phasen. Dazu muss man errechnen, wieviel Treibstoff es braucht, um einen Torus von 200m Durchmesser zu beschleunigen und abzubremsen. Man könnte also drei Monate lang Mikrogravitationsexperimente und Beobachtung machen, und drei Monate lang Gäste aus Dubai beherbergen...

.... also drei Monate lang Mikrogravitationsexperimente und Beobachtung machen, und drei Monate lang Gäste aus Dubai beherbergen...
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Das Missionsprofil wird ja völlig unüberschaubar wenn man beides in einer Station will würde ich feststehende Nabe mit Rotierenden Rad vorziehen.
In diesem Zusammenhang meine Frage würde es nicht Sinn machen die Rotierende Masse möglichst klein im Verhältnis zur Gesamtmasse zu halten? Damit wirkt der rotierende Teil doch wie die Kreisel der Lageregelung. Das Stabilste was ich mir mit meinem Laienhaften Verständnis vorstellen ist eine Station bestehend aus einem langen Träger. Mit Masse an den Enden und einem möglichst leichten Rad in der Mitte...

Nun ja, das ist ja alles in Kladde gedacht. War ja nur eine Idee.

Die Mikrogravitationsexperimente auf der ISS werden durch Aktivitäten der Besatzung deutlich gestört. Gerade die stundenlangen Sportübungen rufen periodische Schwingungen hervor, so dass viele Experimente stattfinden, wenn Schlafenszeit ist. Schon jetzt ist die ISS stark durchgetaktet, was Experimente, Reboost, Ausweichmanöver, Sonnenausrichtung usw. betrifft. Da geht selten etwas gleichzeitig, sondern nur nacheinander.

Je leichter nun so eine Struktur ist, desto leichter kann sie beeinflusst werden. Das rotierende Rad wäre ohnehin ein Kreisel, ob schwer oder leicht, das heißt, die Tendenz zur Ausrichtung besteht immer. Wenn wir zwei Komponenten haben, von denen eine rotiert, so darf natürlich keine Übertragung über die Nabe stattfinden, sie müsste theoretisch völlig berührungsfrei gelagert sein. Sonst hätten wir in der Mikrogravitationsabteilung zuviele Störungen. Das merkt man schon, wenn in der Nachbarwohnung eine Waschmaschine läuft - die Schwingungen werden durch die Struktur hindurchgeleitet.  Könnte man sicher irgendwie mit Magnetlagerung hinkriegen. Dann haben wir aber wieder das Problem des Stoffaustausches, der komplett durch die Drehachse verlaufen müsste. Vielleicht sind beide Komponenten für sich gesehen autark genug, so dass der drehende und der ruhende Teil separate Versorgungen haben. Da auch die rotierende Station Lageregelungen durchführen muss, muss letztendlich die gesamte Struktur insgesamt bewegt werden können - da zählt dann die Gesamtmasse. Es ist natürlich so, dass der Komplex umso schwerer aus der Position zu bewegen ist, je massereicher der Kreisel ist. Ursprünglich hätte ich das aus Stabilisierungsgründen bevorzugt, aber vielleicht ist das genau der falsche Weg.

Anspruchsvolle Mikrogravitation für Experimente gehört meiner Meinung nach in Freiflieger...
Mir ging es darum den Aufwand für den Rotierende Teil als zusätzlichen Nutzen für die Bahnstabilisierung zu nutzen anstatt bei der Bahnregelung noch dagegen ankämpfen zu müssen.

Anspruchsvolle Mikrogravitation für Experimente gehört meiner Meinung nach in Freiflieger...
Mir ging es darum den Aufwand für den Rotierende Teil als zusätzlichen Nutzen für die Bahnstabilisierung zu nutzen anstatt bei der Bahnregelung noch dagegen ankämpfen zu müssen.

Ich könnte mir vorstellen, dass das nur in Lagrange-Punkten machbar wäre. Egal, wie die Ausrichtung des Rotors im Orbit am Ende am stabilsten sein wird: die Lage muss unaufhörlich korrigiert werden, allein schon aus der Notwendigkeit des Ausweichens oder der Sonnennachführung oder der Entdrallung. Und wenn man wieder nur eine Höhe von ca. 400-500km (wie die ISS) annimmt, so braucht es auch dort Reboosts.