{"id":11128,"date":"2020-09-20T14:18:21","date_gmt":"2020-09-20T12:18:21","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.mi.hdm-stuttgart.de\/?p=11128"},"modified":"2023-08-06T21:44:55","modified_gmt":"2023-08-06T19:44:55","slug":"sicherheitssysteme-in-der-raumfahrt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.mi.hdm-stuttgart.de\/index.php\/2020\/09\/20\/sicherheitssysteme-in-der-raumfahrt\/","title":{"rendered":"Sicherheitssysteme in der Raumfahrt"},"content":{"rendered":"\n
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Disclaimer<\/h2>\n\n\n\n

Die heutige Raumfahrt oder auch allgemein Raumfahrt ist ein sehr komplexes und vielschichtiges Thema. Nicht grundlos werden umgangssprachlich schwierige Themen als “Raketenwissenschaften” bezeichnet. Dieser Artikel m\u00f6chte nicht die Raumfahrt in ihrer G\u00e4nze beschreiben sondern nur einen sehr kleinen Teil im Bereich der Sicherheit beleuchten. Hierf\u00fcr wurden sich vor allem auf den Start einer Rakete und die Landung mit einer Raumkapsel konzentriert. Nat\u00fcrlich gibt es noch sehr viel mehr Sicherheitskonzepte in der Raumfahrt, als in diesem Artikel beschrieben werden. Zus\u00e4tzlich werden nicht alle, sondern nur ein paar der Sicherheitssysteme angeschaut, da auch hier dauerhaft geforscht wird und was heute als Stand der Technik gilt morgen schon veraltet sein kann. Deshalb sind die hier beschriebenen Systeme auch keine puren Prototypen sondern eher etablierte Systeme, welche bereits seit Jahren im Einsatz sind, mit eventuellen Ausblicken auf zuk\u00fcnftige oder k\u00fcrzlich neu erprobten Abwandlungen und Ideen.<\/p>\n\n\n\n

Dieser Artikel ist au\u00dferdem nicht als Anleitung oder detailgetreue, vollst\u00e4ndige Erkl\u00e4rung der hier beschriebenen Systeme aufzufassen, sondern soll lediglich einen \u00dcberblick \u00fcber die Systeme schaffen und eventuell Lust machen sich mehr mit den Systemen und der Raumfahrt im allgemeinen zu besch\u00e4ftigen.<\/p>\n\n\n\n

Warum eigentlich Raketen?<\/h2>\n\n\n\n

Wenn man sich eine Weile mit der Raumfahrt besch\u00e4ftigt st\u00f6\u00dft man schnell auf Ideen und Konzepte f\u00fcr verschiedene Systeme in den Weltraum, beziehungsweise in den Orbit zu gelangen. Hierbei finden sich immer wieder Ideen wie beispielsweise spaceelevator (spacelift), skyhooks oder space launch cannons. Viele dieser Systeme bieten eine auf Dauer kosteng\u00fcnstige alternative Fracht in den Orbit zu transportieren. Wir setzen immer noch global und fast ohne ausnahmen auf Raketen. Dabei haben Raketen eigentlich sehr viele Nachteile.<\/p>\n\n\n\n

Offensichtlicher weise sind Raketen extrem Laut und der Treibstoff der beim Start verbrannt wird ist unter umst\u00e4nden sehr umweltsch\u00e4dlich. Raketen eignen sich dementsprechend nicht daf\u00fcr mitten in der Stadt abgeschossen zu werden sondern es m\u00fcssen extra riesen gro\u00dfe Gebiete nur f\u00fcr die Starts freiger\u00e4umt werden. Au\u00dferdem sind Raketen sehr teuer. Gesch\u00e4tzte Preise f\u00fcr den Start einer Ariane 5 liegen bei 150-200 Millionen US-Dollar. F\u00fcr die kleinere kommerzielle Falcon 9 immerhin noch bei etwa 62 Millionen US-Dollar. Dazu kommt noch, dass nur ein Bruchteil der Masse effektive Nutzlast ist. So wiegt eine Falcon 9 etwa 550 Tonnen. Aber nur etwa 22,8 Tonnen davon kommen am Ende im niedrigen Erdorbit (low earth orbit, kurz LEO) an. Das entspricht gerade einmal 4% der Gesamtmasse. Als vergleich ist das etwa, wie wenn man mit einem Gro\u00dfen LKW auf der Stra\u00dfe 100 kg Fracht transportieren w\u00fcrde. Und zur Fracht w\u00fcrden auch Fahrer und Kabine z\u00e4hlen. Erg\u00e4nzend kommt noch dazu, dass wir den LKW nachdem wir am Ziel angekommen sind einfach wegschmei\u00dfen w\u00fcrden, da Raketen zumindest bisher nicht wieder verwendbar waren. Und selbst bei der Falcon 9 von SpaceX, welche zu teilen wieder verwendbar ist, wird immer noch ein relativ gro\u00dfer Teil weggeschmissen und die Einsparungen in den Kosten belaufen sich auch nur auf einen recht geringen Anteil. Als w\u00e4re das noch nicht genug ist ein Flug mit einer Rakete auch noch super gef\u00e4hrlich. Im Prinzip sitzt man auf einer fortlaufenden Explosion und hunderten Tonnen Sprengstoff. Wenn hierbei ein Fehler auftritt ist die Rakete meistens nicht mehr zu retten. Warum also nutzen wir immer noch Raketen?
Die Antworten hierauf sind tats\u00e4chlich relativ einfach. Zuerst einmal sind Raketen einfach super schnell. Es werden gerade einmal so etwa 10 Minuten ben\u00f6tigt um in den Weltraum zu gelangen. Spricht man vom Weltraum ist sofort noch der Vorteil vorhanden, dass Raketen auch im Vakuum funktionieren. Sie bringen alles mit was sie zur Fortbewegung ben\u00f6tigen, im Gegensatz zu einem Flugzeug. Au\u00dferdem haben wir heute einfach ein sehr gro\u00dfes Wissen \u00fcber Raketen und wie wir sie effektiv nutzen k\u00f6nnen. Sprich sie sind technologisch sehr gut machbar. Diese technologische Grundlage haben wir vor allem dem zweiten Weltkrieg und dem kalten Krieg zu verdanken, denn hier wurde im Spacerace nat\u00fcrlich auf Raketen gesetzt, da diese auch wunderbar als Waffe oder Langstreckentr\u00e4ger f\u00fcr Atombomben eingesetzt werden k\u00f6nnen. Kurz gesagt, dass wir heute Raketen verwenden ist vor allem Historisch so gewachsen.<\/p>\n\n\n\n

Wie funktionieren Raktenstarts?<\/h2>\n\n\n\n
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Der Start einer Rakete l\u00e4sst sich grundlegend in mehrere Stufen unterteilen. Beim erreichen jeder dieser Stufen wird meist ein weiterer Teil des launchvehicles abgetrennt, sodass Die Rakete insgesamt an Gewicht verliert und leichter wird. F\u00fcr was sollte man beispielsweise einen leeren Treibstofftank noch weiter mit sich herumschleppen, wenn dieser nicht mehr ben\u00f6tigt wird. Die obere Grafik zeigt einen normalen Ablauf beim Start einer Soyuz Rakete. Es wird aufgelistet, wann welcher Teil der Rakete abgetrennt wird und ungef\u00e4hr die Zeit wann dies geschieht. Der Aufbau einer Soyuz Rakete mit den einzelnen Teilen, den sogenannten Stages, ist im unteren Bild zu sehen.<\/p>\n\n\n\n

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Launch Escape System (LES)<\/h2>\n\n\n\n

Wie bereits bei den Nachteilen von Rakete erw\u00e4hnt, sind Raketen meist nicht mehr zu retten, wenn beim Start irgendetwas schief gehen sollte. Und da dies meist in einer sehr gro\u00dfen Explosion endet bleibt von der Rakete auch von der Fracht nicht sehr viel \u00fcbrig. Deshalb wird an der Rakete wenn man die Fracht sichern m\u00f6chte meist ein sogenanntes launch escape system installiert. Dieses LES ist im Prinzip eine oder mehrere weitere kleine Raketen, welche die Fracht von der Tr\u00e4gerrakete entfernen und in Sicherheit bringen sollen. Hierf\u00fcr wird die Kapsel oder Fracht von der Tr\u00e4gerrakete entkoppelt, wie es eigentlich erst im Orbit passieren sollte und die Raketen des LES gez\u00fcndet. Sobald die Raketen des LES ausgebrannt sind wird es ebenfalls von der Kapsel abgetrennt und die Kapsel kann mithilfe der f\u00fcr die Landung vorgesehenen Fallschirme sanft zu Boden gleiten.<\/p>\n\n\n\n

Bei der Umsetzung des LES wird inzwischen auf zwei verschiedene Methoden gesetzt. Zum einen die klassische Tower Methode, bei der oben auf der Kapsel ein Tower installiert wir der das LES und auch ein paar andere Systeme enth\u00e4lt. Zum anderen gibt es das inzwischen von ein paar Fahrzeugen eingesetzte Pusher System, bei dem das LES in die Kapsel integriert ist.<\/p>\n\n\n\n

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Das klassische Tower-Konzept hat die Vorteile, dass es w\u00e4hrend des Fluges abgeworfen werden kann, sobald es nicht mehr gebraucht wird und somit die Last der Rakete verringert wird. Au\u00dferdem ben\u00f6tigt es keinen extra Platz in der Kapsel und kann theoretisch auf jede m\u00f6gliche Frachtkapsel oben drauf gesetzt werden, solange die Adapter stimmen. Ein Gro\u00dfer Nachteil des Towers ist allerdings, dass wenn man ihn abst\u00f6\u00dft ist er unwiederbringlich weg.<\/p>\n\n\n\n

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Der Vorteil des integrierten Pusher Systems, wenn man es nicht als LES verwendet ist, dass es auch als Bremsraketen bei der Landung oder als Steuerd\u00fcsen im Weltraum verwendet werden kann. Es bleibt au\u00dferdem den ganzen Flug \u00fcber verf\u00fcgbar, f\u00fcr den Fall dass doch irgendwann noch etwas schief geht.<\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassend kann man sagen, dass beide Systeme ihre Vor- und Nachteile haben. Was allerdings bei beiden System hinzu kommt, ist dass sie beide auf einer Technologie basieren, f\u00fcr welche sie selbst die Notl\u00f6sung bei Fehlern bieten, n\u00e4mlich den Raketen an sich. Ein LES basiert auf der Fortbewegung durch Rakete und hat \u00e4hnliche Anf\u00e4lligkeiten und Nachteile. Tats\u00e4chlich gab es zum gl\u00fcck aber auch nur sehr wenige F\u00e4lle bei denen ein LES wirklich eingesetzt werden musste.<\/p>\n\n\n\n

Atmospheric reentry<\/h2>\n\n\n\n
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W\u00e4hrend man sich beim Flug in den Orbit vorwiegend dar\u00fcber Gedanken machen muss, wie man die ben\u00f6tigte Geschwindigkeit aufbauen kann um in einem Stabilen Orbit zu bleiben, muss man sich bei der Landung darum k\u00fcmmern genau diese Geschwindigkeit sicher wieder abzubauen. Neben der aktiven M\u00f6glichkeit Schub entgegengesetzt der aktuellen Flugbahn zugeben und somit die Geschwindigkeit zu verringern gibt es noch die passive M\u00f6glichkeit lediglich durch Reibung die Geschwindigkeit zu verringern. Dies hat den Vorteil, dass kein zus\u00e4tzlicher Treibstoff mehr gebraucht wird, welcher in erster Linie auch mit in den Orbit gebracht werden m\u00fcsste. Der offensichtliche Nachteil ist, dass extreme Geschwindigkeiten nur durch Luftreibung abgebaut werden und somit extreme Hitze entsteht. Auch wenn diese Hitze daf\u00fcr sorgt, dass kleine Meteoriten in der Atmosph\u00e4re vergl\u00fchen und somit keinen Schaden auf der Oberfl\u00e4che anrichten k\u00f6nnen, soll eben dieses Vergl\u00fchen bei den Raumkapseln welche aus dem Orbit zur\u00fcckkehren verhindert werden.<\/p>\n\n\n\n

Damit die Kapsel nun die extreme Hitze aushalten kann muss sie auf die eine oder andere Weise widerstandsf\u00e4hig gemacht werden. Dies kann entweder durch aktives, passives oder sogenanntes ablatives cooling oder aber durch heat absorption geschehen.<\/p>\n\n\n\n

Unter aktiver und passiver K\u00fchlung sind relative klassische K\u00fchlungssysteme. Dabei wird die Hitze, welche von der Struktur aufgenommen wird wieder nach und nach an die Umgebung abgegeben. Dies kann entweder passiv passieren, wenn der W\u00e4rmeaustausch einfach durch die Struktur selbst stattfindet und nicht weiter eingegriffen wird. Oder aktiv, wenn zum Beispiel K\u00fchlfl\u00fcssigkeit durch die Struktur gepumpt wird und somit die W\u00e4rme schneller abgeleitet werden kann, damit sie sich nicht an einem Punkt aufstaut und dort die Struktur eventuell besch\u00e4digt. Und obwohl diese K\u00fchlungsverfahren so gut wie \u00fcberall problemlos funktionieren, sind sie f\u00fcr die Raumfahrt und vor allem f\u00fcr den Wiedereintritt in die Atmosph\u00e4re nicht effektiv genug. Die Hitze vor der Kapsel staut entwickelt sich so schnell und wird so hei\u00df (bis zu 2000\u00b0C), dass selbst stahl sofort zu schmelzen beginnt, noch ehe ein passives oder aktives K\u00fchlungsverfahren richtig greifen kann.<\/p>\n\n\n\n

Um dies zu umgehen gibt es im Prinzip zwei M\u00f6glichkeiten. Erstens die Nutzung eines sehr viel hitzebest\u00e4ndigeren Materials, das die Temperaturen aushalten kann. Und zweitens zu verhindern, dass die extremhei\u00dfe Luft die Kapsel \u00fcberhaupt ber\u00fchrt und somit seine Hitzeenergie gar nicht \u00fcbertragen kann.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die erste M\u00f6glichkeit, der sogenannten heat absorbtion, wurden vor allem f\u00fcr das Amerikanische Space Shuttle Programm spezielle Materialien entwickelt. Sie nehmen die Hitze best\u00e4ndig immer und immer weiter auf und k\u00f6nnen viel mehr Hitze aushalten, als herk\u00f6mmliche Materialien. Das Problem mit diesem Materialien ist allerdings, dass sie meistens strukturell nicht so stabil wie etwa Stahl sind. Bei den hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Kapsel oder das Space Shuttle unterwegs ist, k\u00f6nnen bereits Regentropfen ausreichen um das Hitzeschild zu besch\u00e4digen und somit nutzlos zu machen. Denn es langt, wenn nur an einer einzigen kleinen Stelle die Hitze das Schild durchdringt um die dahinterliegende Struktur zu zerst\u00f6ren.<\/p>\n\n\n\n

Bei der zweite M\u00f6glichkeit, dem sogenannte ablative cooling, wird im gegensatz zu den anderen Techniken darauf gesetzt, dass das Hitzeschild im verlaufe der Landung zerst\u00f6rt wird. Ziel dieses verfahrens ist es, die Luft die sich vor der Kapsel erhitzt von der eigentlichen Struktur fern zu halten. Hierf\u00fcr wird das Material des ablativen Hitzeschildes kontrolliert abgebrannt um eine Gasschicht zwischen der Hei\u00dfen Luft und der Kapsel zu bilden. Diese Gasschicht, welche sich aus den verbrennungsgasen der Hitzeschildes zusammensetzt ist zwar auch sehr hei\u00df, allerdings nicht so extrem Hei\u00df, wie die Luft, weshalb viel besser mit dieser Hitze umgegangen werden kann. Die gro\u00dfe Herausforderung des ablativen Hitzeschildes ist es nat\u00fcrlich, \u00fcberall gleichm\u00e4\u00dfig ein entsprechenden Gaspuffer aufzubauen, denn sonst wird es wieder nutzlos.<\/p>\n\n\n\n

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Nat\u00fcrlich lassen sich alle oben genannten verfahren gemeinsam verwenden. Dies erh\u00f6ht zwar die Sicherheit, weil mehrere Schichten die potentielle Hitze abfangen k\u00f6nnen, aber macht die Kapsel auch wieder schwerer, was mit deutlich h\u00f6heren Kosten verbunden ist.<\/p>\n\n\n\n

Kommt man am Ende heil durch die Atmosph\u00e4re, bleibt f\u00fcr das letzte St\u00fcckchen meist der altbew\u00e4hrte Fallschirm um sanft auf wieder auf der Erde anzukommen.<\/p>\n\n\n\n

Quellen<\/h3>\n\n\n\n