Triebwerk im Vakuum nötig?

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Tazcom

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Triebwerk im Vakuum nötig?
« am: 28. April 2015, 06:09:41 »
Hallo,

warum braucht man ein Triebwerk im Weltall (Vakuum)?

Es würde doch auch eine Rakete reichen die, die Raumkapsel auf sehr hohe Geschwindigkeit aus dem Orbit katapultiert und auf den gewünschten Kurs bringt -- Am Ende eine Bremsrakete die dann wiede zum abbremsen auf 0 genutzt wird.
Im Weltall gibt es keine Luft und auch keine Reibung die diese am Anfang gewonne Geschwindigkeit abbremsen würde, oder? Also warum brauch man dann überhaupt ein Ionentriebwerk o.ä.?

Gruß


Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #1 am: 28. April 2015, 07:25:56 »
Du hast dich noch nicht sonderlich mit Raumfahrt beschäftigt, oder?

Man fliegt im Weltraum nicht einfach so geradeaus. Man braucht Kurskorrekturen (selbst bei Satellitenstarts wo der Satellit nur im Orbit um die Erde bleiben soll braucht man immer noch etwas Korrektur wenn man sicherstellen will, dass der Satellit den richtigen Orbit hat) und Swing-By-Manöver, bei einem Ziel zu halten ist mehr als nur eine Bremsrakete zu zünden  usw.

Und wenn man den Orbit der Erde verlassen hat, befindet man sich immer noch im Orbit um die Sonne, wo man ebenfalls nach den Regeln der Orbitalmechanik vorgehen muss (d.h. wenn man zu weiter außen gelegenen Himmelskörpern kommen will, muss man seine Orbitalgeschwindigkeit erhöhen, wenn man zu weiter innen gelegenen Himmelskörpern will muss man bremsen)

Und dann darfst du auch nicht vergessen, dass, nur weil es keine Dichte Athmosphäre gibt, das nicht heißt, dass es keine Störfaktoren mehr gibt.

Und ztu guter letzt muss man bei einem interplanetaren Flug auch immer sicherstellen, dass die Kommmunikationsanlage in Richtung Erde zeigt, damit auch irgendetwas empfangen wird.
Raumfahrt ohne Vision ist nichts. Also lasst uns das Unmögliche wahr werden!

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Offline Schillrich

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #2 am: 28. April 2015, 07:44:08 »
Hallo Tascom, willkommen bei uns ... und bei Fragen helfen wir gerne :).

Mein Vorposter hat ja schon ein paar Dinge angesprochen. Das kann man aber noch mit ein paar grundsätzlichen Argumenten ausbauen:

In deinem Beispiel geben wir einmal am Anfang und einmal am Ende Gas. Je nach Antriebsart ist das aber nicht möglich/nicht ausreichend. Man kann nicht "einfach irgendwo" auf der Flugbahn beschleunigen. Es gibt ausgewählte Punkte, an denen man ein Manöver durchführen muss, ein Ziel oder einen Zielorbit zu erreichen. Außerdem ist ist es nur an bestimmten stellen effizient dies zu tun (also keinen Treibstoff zu vergeuden).

Bewegungen in einem Schwerefeld erfolgen anders als man hier am Boden meinen würde ...

Ein Grundsatz der Raumfahrt ist auch: tote Masse abwerfen, nachdem sie ihre Funktion erfüllt hat. Je nach Technologie und Missionsdesign kombiniert man ggf. verschiedene Antriebsmodule (schau die Apollo an, wie sie zum Mond sind und wie sie zurück sind), um einzelne Manöver/Phasen optimal zu arbeiten. So muss man den folgenden Manövern weniger Masse bewegen. In deinem Beispiel wirft man nach dem Startschubs vielleicht die ausgebrannte Stufe ab, um beim Einbremsen am Ziel weniger Masse zu haben und dort weniger Treibstoff zu benötige. Dasselbe kann für Zwischenmanöver gelten ...
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Offline blackman

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #3 am: 28. April 2015, 08:39:14 »
Wenn dir die ganze Thematik nicht logisch erscheint, dann spiel Kerbal Space Program. Dann wirst du sehr schnell sehen wie das alles funktioniert ;)

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Offline Schillrich

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #4 am: 28. April 2015, 08:39:52 »
Noch ein Punkt zu den "nicht intuitiven Bewegungsgesetzen" im Schwerefeld:

Der "direkte" Weg von A nach B im Orbit ist nicht nur "nicht gerade", sondern kann noch um viel mehr "Ecken" gehen. So eine Trajektorie samt Manöversequenz muss optimiert werden. Je nach Aufgabenstellung kann die Forderung so sein:
- möglichst kurze Flugzeit (z.B. bemannte Missionen)
- Ankunft zu einer bestimmten Zeit am Ziel (gilt quasi immer, wenn man einen Planeten "treffen" möchte)
- möglichst viel Masse zum Ziel bringen, bzw. möglichst wenig Treibstoff verbrauchen
- möglichst breite/flexible Startfenster
- Beschränkung der maximal erlaubten Beschleunigung
- ...

Solche Bedingungen können auch gemischt auftreten.

Der dann für die Mission "optimale Weg" führt meist nicht "direkt (gekrümmt) von A nach B" und hat auch nicht nur " Manöver an A und B", sondern fliegt durchaus komplexe Umwege und macht zwischendurch Manöver.
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Offline Volker

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #5 am: 28. April 2015, 08:59:40 »
Hallo,

Du hast dich noch nicht sonderlich mit Raumfahrt beschäftigt, oder?

Na, wenigstens hat Tazcom das erste Newtonsche Gesetz, also das Trägheitsgesetz hier angewandt. Insofern hat er schon recht: wenn keine Kräfte wirken, bleibt seine Rakete auf einer geraden Bahn mit konstanter Geschwindigkeit.
Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare (dank Wikipedia kommt auch das verschüttete Latinum mal wieder zum Einsatz).

Alles andere was hier geschrieben wurde stimmt natürlich auch. Aber ob ein Spiel wie Kerbal Space das richtige ist, um die Physik zu verstehen...?

Gruß,
Volker
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Offline Schillrich

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #6 am: 28. April 2015, 09:07:32 »
...
Alles andere was hier geschrieben wurde stimmt natürlich auch. Aber ob ein Spiel wie Kerbal Space das richtige ist, um die Physik zu verstehen...?
...

Ja, ist es :). Ich habe das sogar bei einer Schulung unserer Projektleiter mal einfließen lassen (zur Auflockerung) und die waren angetan ;).

Quantitativ stimmt die Physik in KSP natürlich nicht, entweder ist die Physik sehr großzügig oder die Technik sehr leistungsfähig. Aber qualitativ stimmt das, was sie da abbilden. Man lernt dort spielerisch einiges über:
- Orbitmechanik und -manöver,
- Raketentechnik, u.a. Stufenprinzip und gravity-turns,
- die Herausforderung mit begrenzter Technik weit ins Sonnensystem vorzustoßen --- so dass man von selbst zu "orbit-rendezvous"-Architekturen kommt (Apollo lässt grüßen)
- den Sexappeal von Treibstoffdepots und ISRU für die weite Exploration ...
- uvm.




Aber das Thema verlasse ich damit ...
\\   //    Grüße
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Offline blackman

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #7 am: 28. April 2015, 09:08:58 »
Man wird auf jeden Fall sehen das sein Vorgehen...

Zitat
Es würde doch auch eine Rakete reichen die, die Raumkapsel auf sehr hohe Geschwindigkeit aus dem Orbit katapultiert und auf den gewünschten Kurs bringt -- Am Ende eine Bremsrakete die dann wiede zum abbremsen auf 0 genutzt wird.

...nicht funktionieren wird bzw. extrem ineffizient ist. Die meisten Leute glauben ja auch das eine Rakete geradeaus nach oben fliegt und dann oben verbleibt.  ::)

In dem Fall vermittelt KSP das Prinzip hervorragend.

Offline Ruhri

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #8 am: 28. April 2015, 10:58:22 »
Die Fragestellung ist übrigens sowieso ziemlich paradox. So lautet die Eingangsfrage: "Warum braucht man ein Triebwerk im Weltall (Vakuum)?"

Dann wird aber noch auf folgenden Umstand hingewiesen: "Am Ende eine Bremsrakete die dann wiede zum abbremsen auf 0 genutzt wird."

Da man leider "Bremsraketen" nicht unterwegs finden oder kaufen kann, muss man diese von Beginn an mitschleppen, so dass man auf jeden Fall schon einmal dieses eine Triebwerk (oder Gruppe von Triebwerken) benötigt.

Die Funktion und Notwendigkeit von Lagekorrekturtriebwerken wurde bereits sehr schön erläutert. Ansonsten wurden ja tatsächlich bereits Sonden gestartet, die nach Abtrennung von ihren Trägerraketen bzw. Startstufen über keine weiteren Triebwerke mehr verfügen.

Was jetzt nicht weiter erwähnt wurde, war die Tatsache, dass chemische Triebwerke, wie man sie für den Start von der Erde, aber auch für Manöver im All benötigt, immer Treibstoff verbrauchen, und der ist nun einmal sehr begrenzt. Solche Triebwerkszündungen laufen daher immer im Bereich von Sekunden bis Minuten ab.

Die vom Fragesteller angesprochenen "Ionentriebwerke" durchbrechen dieses Prinzip insoweit, als sie mit mitgeführter oder per Solarzellen eingesammelter Energie ein mitgeführtes Medium ionisieren und ausstoßen, und das mit geringem Verbrauch über Stunden oder Tage. Leider ist der erzielte Schub ziemlich klein, aber dank hoher Ausströmgeschwindigkeit und langer Brenndauer lassen sich besonders hohe Geschwindigkeitsveränderungen erzielen. Logischerweise muss man das Triebwerk deswegen mitnehmen und kann dann nicht ohne fliegen.

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Offline Schillrich

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #9 am: 28. April 2015, 12:16:14 »
Hallo 1234... und Ruhri,

lasst uns doch auf die Frage ordentlich antworten, anstatt zuallererst über Form und Stil zu urteilen oder über den Kenntnisstand zu spekulieren. Fragen ist erlaubt, Fragen ist sinnvoll. Alles andere klärt sich danach. Jeder von uns hat hier und da schon mal eine Frage gestellt und war wahrscheinlich froh, eine ordentliche Antwort zu erhalten, denn die war ja gesucht.
\\   //    Grüße
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Offline Ruhri

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #10 am: 28. April 2015, 12:45:34 »
Das war eigentlich nicht meine Absicht. Ich wollte lediglich herausstellen, dass bei Mitnahme einer "Bremsrakete" nicht davon gesprochen werden kann, dass auf ein Triebwerk verzichtet wurde. Da gibt es andere Beispiele, die, einmal abgesehen von Lagekontrolltriebwerken, tatsächlich antriebslos geflogen sind und folglich kein Triebwerk mehr gebraucht haben.

Mir scheint allerdings tatsächlich der Ionenantrieb im Fokus des Fragestellers gelegen zu haben, der ja wirklich über einen erheblichen Teil der Flugstrecke aktiv ist. Daher habe ich paar Gedanken im Vergleich zu den chemischen Triebwerken verfasst.

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Offline Schillrich

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  • 19631
Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #11 am: 28. April 2015, 12:49:08 »
Die Ergänzung war gut. Mal schauen, ob wir alles beantwortet haben ;).
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Tazcom

  • Gast
Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #12 am: 28. April 2015, 14:30:10 »
Vielen Dank für die ausführlichen Antworten. Ja damit ist die Frage natürlich beantwortet. Dass man immer mal korrigieren muss und verschiedene Orbits verlassen muss um z.B. in ein anderes S.System zu gelangen war mir natürlich klar. Aber das kann man ja im normalfall größtenteils berechnen und somit besser "planen"...

Nein Natürlich bin ich auch kein Experte oder sehr Fortgeschritten in der Raumfahrt... Deswegen frage ich ja auch hier :-)

Glaubt ihr wirklich, dass ein Spiel das richtige ist? Könnte ihr mir evtl zu diesem Thema mit interstellaren Reisen Sachfilme bzw. Dokumentationen empfehlen?

Gruß

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Offline blackman

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #13 am: 28. April 2015, 14:36:05 »
Aus dem stehgreif kann ich dir zu Bahnmanöver keine Dokus sagen. Ich habe deswegen das Spiel "KSP" erwähnt weil das Prinzip von Bahnmanöver, Kurskorrekturen, etc. sehr gut veranschaulicht wird. Hat mir sehr geholfen. Es gibt eine kostenlose Demo! Probiere es einfach aus dann wirst du sehen was ich meine.

PS: Es haben teilweiße schon Professoren an Unis das Spiel zur Erklärung von Orbits benutzt ;)
Und um Elon Musk zu zitieren: "Kerbal is Awesome!"

Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #14 am: 28. April 2015, 14:40:26 »
Zur Veranschaulichung von Orbitalmechanik ist das "Spiel" Kerbal Space Program wirklich sehr hilfreich. Einfach um das Prinzip mal mit eigenen Augen zu sehen, hat mir zumindest enorm geholfen.

Gruß

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Offline Sensei

  • Raumcon Moderator
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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #15 am: 28. April 2015, 17:16:35 »
Es ist auch echt nicht leicht Orbitalmechaniken gut zu erklären. Da ist es besser das selber auszuprobieren und 'spielerisch' zu erlernen.

Danijar

  • Gast
Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #16 am: 28. April 2015, 18:59:39 »
Ihr könntet ja mal eine Thread über KSP machen :D

Offline Collins

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #17 am: 28. April 2015, 19:28:56 »
Gibt es!!  :)
Schau mal bei Medien und Öffentlichkeit rein.

Mfg Collins
Zeige mir einen Helden und ich zeige dir eine Tragödie dazu
Wir sind alle sehr unwissend, aber bei jedem ist es etwas anderes, was er nicht weiß. Albert Einstein.

Offline Youronas

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #18 am: 28. April 2015, 20:00:27 »
xkcd zeigt eine der Grundlagen der Orbitalmechanik schön plakativ - nicht hoch sondern schnell^^

https://what-if.xkcd.com/58/

Danijar

  • Gast
Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #19 am: 28. April 2015, 20:18:06 »
hab ihn gefunden, danke :)

Offline Ruhri

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Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #20 am: 28. April 2015, 23:57:01 »
Vielen Dank für die ausführlichen Antworten. Ja damit ist die Frage natürlich beantwortet. Dass man immer mal korrigieren muss und verschiedene Orbits verlassen muss um z.B. in ein anderes S.System zu gelangen war mir natürlich klar. Aber das kann man ja im normalfall größtenteils berechnen und somit besser "planen"...

[...]

Sicher plant man, aber darunter auch Kursänderungen. Gerade bei Nutzung von Swing-bys muss man genau zielen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Dafür kann man aber gerade das tun, was du im Sinn hattest, und auf ein größeres Triebwerk bzw. einen größeren Treibstoffvorrat verzichten. Natürlich plant man inzwischen auch Phasen, in denen eine Sonde fast vollständig abgeschaltet durchs All treibt. Aber ganz auf Antriebskraft kann man einfach nicht verzichten.

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Offline Schillrich

  • Moderator
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  • 19631
Re: Triebwerk im Vakuum nötig?
« Antwort #21 am: 04. Mai 2015, 07:48:30 »
Alle Beiträge ohne Inhalt zum Thema habe ich gelöscht.
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