Raumfahrt und Weltraumforschung - Grundlagen und Aspekte [1 ed.]

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® Atomisdat Moskau 1975

Übersetzt aus dem Russischen von Dipl.-Phys. Hilmar Lorenz, Potsdam Dipl.-Biol. Angelika Lorenz, Potsdam

Ersohienen im Akademie-Verlag, DDR -108 Berlin, Leipziger Straße 3-4 Lektor: Renate Trautmann ® der deutschspraohigen Ausgabe Akademie-Verlag Berlin 1979 Lizenznummer: 202 . 100/456/79 Gesamtherstellung: VEB Druokhaus "Maxim Gorki'" 74 A1tenburg Einbandgestaltung : Rolf Kunze Bestellnummer: 7623942 (6494) . LSV 1444 Printed in GDR DDR 25,- M

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur deutschsprachigen Ausgabe

7

Vorwort zur Originalausgabe . . . . . 1. Ziel, Aufgaben und Methoden der Weltraumforschung

9 11

1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

Der Kosmos . . . . . . . . . . . . . . . . . Ziele und Aufgaben der Kosmosforschung . . . . Astronomische Beobachtungen und Laboruntersuchungen Ziele, Aufgaben und Probleme bei der Erschließung des Kosmos Die Raumfahrt, ihre Gegenwart und Zukunft

11 14 17 27 30

2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10.

Die Dynamik des Raum/lugs Das Gravitationsfeld Aufstieg in die Freiflugbahn Die Bahnen von Raumflugkörpern im Zweikörperproblem Das Dreikörperproblem und seine Anwendung in der Raumfahrt Die Bahnen künstlicher Erdsatelliten . . . . . Die Flugbahnen zum Mond und zu den Planeten . . Die Wirkung des Strahlungsdrucks . . . . . . . . Flüge mit Triebwerken geringer Schubbeschleunigung Grundgleichung der Flugmechanik relativistischer Raketen Navigations-, Lageregelungs- und Steuerungsprinzipien eines Raumfluges

35 38 41 48 54 59 64 67 69 70

3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.

76 Die Erde und der erdnahe Raum 76 Die Erde als Himmelskörper. Der Aufbau der Erde und ihre Eigenschaften Thermodynamische Parameter der Erdatmosphäre . . . . . . . . 80 Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften der Atmosphäre 87 Das Magnetfeld der Erde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Das elektrische Feld der Erde. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Der Einfluß elektromagnetischer und korpuskularer Strahlung auf die Erde 105 Energievorräte des erdnahen Raumes 112

4. 4.1. 4.2. 4.3.

Das Sonnensystem . . . . . . . . . Allgemeine Eigenschaften des Sonnensystems . Trabanten Der Mond . . . . . . . . . . . . . . . .

35

117 117

119 121

6

Inhaltsverzeichn is

4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9.

Erdähnliche Planeten . . . Riesenplaneten . . . . . . Planetoiden und Meteoriten Kometen und interplanetare Materie Physik der Sonne. . . . . . . Sonnenaktivität . . . . . . .

164

5.

Äußere Faktoren beim Raum/lug .

171

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10.

Schall und Vibration. . . Gasdynamische Effekte Beschleunigungsandruck . Schwerelosigkeit . Wärmeeinwirkung . . . . Meteoritengefahr . . . . Auswirkungen des kosmischen Vakuums auf Raumflugkörper Elektromagnetische Strahlung . . . . . . . . . . . . . Korpuskularstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Einwirkung eines elektrischen. und magnetischen Feldes

171 176 182 185 192 202 204 208 212 214

132 142 146 151 157

Sachverzeichnis

217

Abbildungsnachweis .

221

Vorwort zur deutschsprachigen Ausgabe

Das vorliegende Buch erschien in der Sowjetunion unter dem Titel "Physikalische Grundlagen der Raumfahrt" und ist aus Vorlesungen an Fliegerschulen hervorgegangen. Der beschränkte Umfang erlaubt keine vollständige Behandlung der Problematik. Es enthält jedoch eine geschlossene Zusammenfassung der verschiedenen Aspekte der mit der Raumfahrt verbundenen Thematik, die sonst in dieser komprimierten Übersicht nicht zu finden ist, so daß es sinnvoll erscheint, eine deutsche Ausgabe vorzulegen, obwohl der Leser für jedes der hier dargebotenen Kapitel eine mehr oder weniger ausführliche Behandlung in Büchern auf dem deutschen Buchmarkt vorfinden wird. Wir verweisen daher für ein weiterführendes Studium noch auf folgende in der DDR verfügbare Publikationen: W. WOLFF, Raketen und Raketenballistik (Militärverlag der DDR); H. MIELKE, Lexikon Raumfahrt, und H. MIELKE, Raumflugtechnik (beide transpress VEB Verlag für Verkehrswesen); WEIGERT-ZIMMERMANN, ABC Astronomie (VEB F. A. Brockhaus Verlag). Für die deutsche Ausgabe des vorliegenden Buches wurden einige Kürzungen vorgenommen. So entfallen hier u. a. die "Fragen und Aufgaben zur Wiederholung". Auch einige Abbildungen wurden ersetzt. Der Herausgeber ist Herrn HEINZ MIELKE für die gründlich~ Durchsicht des deutschen Manuskriptes und für wertvolle Hinweise dankbar. Der Herausgeber

42

2. Dynamik des Raumflugs

körper als l\'Iassepunkt der Masse m gegenüber dem Zentralkörper (Erde, Sonne oder Planet) der Masse M mit zentralsymmetrischer Dichteverteilung. Die Masse M kann man daher im Schwerpunkt des Zentralkörpers vereint annehmen. Auf diesen Voraussetzungen basiert das Zweikörperproblem: die Vorausberechnung der räumlichen Lage zweier gravitativ gebundener Massepunkte M und m für einen beliebigen Zeitpunkt, wenn Koordinaten und Geschwindigkeiten zum Anfangszeitpunkt bekannt sind. Es wird vorausgesetzt, daß außer der gegenseitigen Anziehung keine weiteren Kräfte wirken. Diese einfache Aufgabe der Himmelsmechanik, das erste Mal von NEWTON gelöst, findet Anwendung in der modernen Raumfahrt. Ihre Lösung erlaubt es, die Bahnen verschiedenartiger Raumflugkörper in erster Näherung zu bestimmen. Ausgangspunkt ist die Differentialgleichung für die Bewegung des Flugkörpers relativ zum Zentralkörper. Die Anziehungskraft des Zentralkörpers erteilt dem Flugkörper die Beschleunigung fMfr 2 , wobei r der Abstand zwischen den beiden Körpern im gegebenen Moment ist. Entsprechend ist die Beschleunigung des Zentralkörpers unter dem Einfluß des Flugkörpers fmfr 2 • Da die Beschleunigungsvektoren auf der Verbindungslinie der beiden Körper liegen und entgegengesetzt gerichtet sind, ist die Beschleunigung des Flugkörpers relativ zum Zentralkörper gleich der Summe ihrer absoluten Beträge, d. h. f(M + m) r2 •

z Flugkorper

/!: 1171

x

IV'

x

Abb. 2.4. Zum Zweikörperproblem

Wir betrachten ein rechtwinkliges Koordinatensystem, dessen Ursprung mit dem Schwerpunkt des Zentralkörpers zusammenfallen soll (Abb.2.4). In diesem System nehmen die Bewegungsgleichungen des Flugkörpers die Form f(M

x + m)-; 3

d2y = _ f(M dt 2

+ m) JL3 .

r r

d2z z - 2 = -f(M+m)-3 dt

r

'

(2.10)

87

3.3. Physikalische Eigenschaften der Atmosphäre

3.3. Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften der Atmosphäre Die Zusammensetzung der gasförmigen Bestandteile der Atmosphäre in Meereshöhe gibt Tabelle 3.2. Die Veränderung des Gehalts an den Grundkomponenten in der Erdatmosphäre mit der Höhe verdeutlichen Abbildung 3.9 und 3.10. Vom Standpunkt der Nutzung äußerer Vorräte in der Raketentechnik ist der Gehalt an Sauerstoff und anderen chemisch aktiven Komponenten (in dissoziierter oder ionisierter Form) von Bedeutung. -31++----1--

10000 km ~1000 'Q :::x::

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Abb. 3.9. Änderung der Zusammensetzung der Atmosphäre mit der Höhe 400

800

1200

1600 km

H

Geladene Teilchen sind in der Atmosphäre äußerst ungleichmäßig verteilt. Mit zunehmender Höhe nimmt die Ionisation zu, wobei trotz des Absinkens der Atmosphärendichte die Konzentration der ionisierten Teilchen bis zu einer bestimmten Höhe ansteigt (Abb. 3.11). Die Elektronendichte liegt am Tage um etwa eine Zehnerpotenz höher als in der Nacht. In sehr großen Höhen geht die Atmosphäre in den interplanetaren Raum über, in dem im wesentlichen nur neutraler und ionisierter Wasserstoff und Helium enthalten sind. Der Wasserdampf in der Atmosphäre wurde schon im Zusammenhang mit der virtuellen Temperatur erwähnt. Der Feuchtigkeitsgehalt hat in energetischer Hinsicht Bedeutung. Das Vorkommen von Wasser in der Atmosphäre weist auf eine weitere potentielle Energiequelle hin: die Kondensationsenergie unterkühlter Feuchtigkeit in einer Höhe von 10 bis 12 km. Pro Tag fallen etwa 26000 t Meteoritenmasse auf die Erde. Diese Körper werden stark abgebremst, bevor sie die Erdoberfläche erreichen.

Nur ein geringer Teil durchdringt die dichteren Schichten und verursacht seismische Erschütterungen auf der Erde. Der Fall großer Meteoriten ist selten. Dennoch sind Fälle bekannt, bei denen Meteoriten auf Städte, Häuser und sogar auf das Deck von Schiffen fielen.

95

3.4. Erdmagnetfeld

schossen wurde. Dabei ergab sich ein interessanter Effekt. Die Elektronen wurden vom Magnetfeld eingefangen und auf ringförmige Oberflächenzonen um die Magnetpole abgelenkt. Ähnliche Laborversuche werden noch heute in vervollkommneten und den natürlichen Bedingungen besser angepaßten Anlagen durchgeführt, denn selbst äußerst schwache elektrische Felder üben einen großen Einfluß auf die Teilchendrift im Magnetfeld aus. So kann z. B. ein Elektron der Energie von 1 ke V lange Zeit im erdnahen Magnetfeld in einer Höhe von rund drei Erdradien driften, wenn elektrische Felder fehlen. Ein Feld geringer Feldstärke (0.1 V/m) genügt, um das Elektron aus dem Erdmagnetfeld zu verdrängen. Der Nachweis der Strahlungsgürtel war eine bedeutende wissenschaftliche Leistung. Amerikanische Wissenschaftler fanden den inneren Protonengürtel, dessen Intensitätsmaximum in 3600 km Höhe liegt. Die Entdeckung des zweiten und dritten Strahlungsgürtels (Elektronengürtel) gehört zu den Errungenschaften der Weltraumforschung der UdSSR (Abb. 3.14). Das Energiespektrum der Protonen in der Äquatorialebene des inneren Strahlungsgürtels ist in Tabelle 3.5 aufgeführt. Zwischen den einzelnen Gürteln gibt es keine scharfen Grenzen. Die Intensitätsmaxima der eingefangenen Teilchen rotieren in der Ekliptikebene mit der Winkelgeschwindigkeit (0 = Q cos i, (3.32) 7.29· 10-5 S-l die Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation und wobei Q i 23°27' die Neigung der Ekliptik zum Äquator sind. Sowohl die StrahlungsDichte des Teilchenflusses

Abb. 3.14. Schematische Darstellung der Strahlungsgürtel der Erde

4.3. Mond

129

In der Entwicklung von Erde und Mond und anderen Himmelskörpern gibt es viele Gemeinsamkeiten. Daher lassen sich die Besonderheiten des Mondreliefs und die Gesetzmäßigkeiten seiner Entstehung außer mit den Methoden der Astrophysik auch durch spezielle Analysen, wie sie in der Geologie erarbeitet wurden, untersuchen. Der sowjetische Geologe CHABAKOW, der als erster geologische Methoden bei der Erforschung des Mondes anwendete, unterscheidet sechs Perioden in der Entstehungsgeschichte der Mondoberfläche. In der frühen Epoche, die er als Ausgangsepoche bezeichnet, bestand die Mondoberfläche aus einer zerklüfteten Kruste. Damals gab es fast keine Krater. Es ist schwer festzustellen, ob sich Spuren jener Epoche bis heute erhalten haben. Möglicherweise sind die fast kraterlosen Teile der Kordilleren und einige hügelige Abschnitte in höher gelegenen Gegenden Überreste des ursprünglichen Reliefs. Daran schloß sich die Präaltaiperiode an. In dieser Zeit gab es eine intensive Kraterbildung. Spuren dieser Epoche sind schwer nachzuweisen, allenfalls an den Rändern des alten Altaigebirges. Mit größerer Sicherheit findet man Überreste der Altaiperiode. In ihr entstand das bogenförmige Massiv des Altaigebirges, das einst das Ufer eines gewaltigen und jetzt verschwundenen Meeres war. Die darauf folgende Epoche nennt CHABAKOW Ptolemäus-Periode. Während dieser Zeit entstanden viele Ringgebirge, deren Überreste jetzt auf den Kontinenten zu sehen sind. Ein Beispiel ist der Krater Ptolemaeus. In dieser Periode entstanden auch dieKrater, die heute noch teilweise aus den Lavamassen der Meere herausragen. Die Ptolemäische Periode wurde von der Ocean-Periode abgelöst, in der sich die großflächigen Gebiete der Mondoberfläche wie Oceanus Procellarum, Mare Imbrium und andere dunkel gefärbten Gegenden herausbildeten. Die gegenwärtige Epoche trägt die Bezeichnung Copernicanische Periode. Auf dem Boden der Mondmeere entstanden neue Krater, so Copernicus, die sich gegenüber den ältesten Mondkratern durch den guten Erhaltungszustand auszeichnen. Neben dieser Einteilung der Entwicklungsgeschichte des Mondreliefs verwendet man in der Literatur noch andere Periodeneinteilungen. So lassen sich z. B. zwei große Perioden herausstellen. Die frühe Periode ist durch eine allgemeine radioaktive Aufheizung des Mondes und die Bildung eines dichten Kerns gekennzeichnet. Spuren dieser Periode sind als Deckschicht des Mare Tranquillitatis erhalten, das vor 3.7 Milliarden Jahren erkaltete. Die zweite Periode ist mit dem Austritt von Lava auf die Mondoberfläche verbunden. Wahrscheinlich entstand in dieser Periode die Oberfläche des Oceanus Procellarum. 9 Burdakow

130

4. Das Sonnensystem

In mehr als vierzehn Zentral bergen von Mondkratern stellte man kleine kreisrunde Vertiefungen fest. Waren diese Zentralberge einst Vulkane, von denen heute noch einige aktiv sind? Bereits WlLLIAM HERSCHEL (18. Jahrhun· dert) und viele Astronomen nach ihm berichteten über Beobachtungen von tätigen Vulkanen auf dem Mond. Lange Zeit war man gegenüber solchen Veröffentlichungen skeptisch. Im Jahre 1958 entdeckte der Pulkower Astronom KOSYREW Kohlendioxyd im Spektrum einer Gaseruption aus dem Zentral· berg des Kraters Alphonsus. Ein Jahr später beobachtete er eine weitere Gaseruption aus demselben Krater und wenig später das Ausströmen von molekularem Wasserstoff aus dem Zentralberg des Kraters Aristarchus. 1963 stellten amerikanische Astronomen drei Eruptionen auf dem Mond fest. Die vulkanische Tätigkeit auf dem Mond ist also noch nicht völlig zum Erliegen ge· kommen. Das Mondrelief hat sich sowohl durch äußere als auch durch innere Kräfte geformt. Die größten Gebilde verdanken ihre Entstehung wahrscheinlich vulkanischen und tektonischen Kräften. Ein Teil der Krater, insbesondere die kleinen, entstanden durch Meteoriteneinschläge. Es ist möglich, daß in einigen Fällen beide Faktoren zusammenwirkten. Der Aufprall eines großen Meteoriten kann die Festigkeit der Oberfläche des Mondes zerstören und vulkanische Prozesse auslösen. Verwitterungsprozesse, wie wir sie auf der Erde kennen, fehlen auf dem Mond. Das bedeutet jedoch nicht, daß keine Erosion vorhanden ist. Außer der solaren Korpuskularstrahlung und dem ständigen Meteoritenbombardement spielen die extremen Temperaturschwankungen eine bedeutende Rolle bei der Ober· flächengestaltung . Der Mond dreht sich, bezogen auf die Sonne, in 29.5 Tagen einmal um seine Achse (synodischer Monat). Auf dem Mond dauern Tag und Nacht je etwa zwei Wochen. Nachts fällt die Temperatur auf 130°C, am Mondmittag steigt sie auf + 120°C an. Somit erreicht die Amplitude der Temperaturschwankung 250°C. Fast die gleichen großen Temperaturgegensätze herrschen zwischen Sonnen- und Schattenseite der Mondberge. Das Fehlen einer Atmosphäre verhindert den Wärmeaustausch über große Gebiete. Der extreme Temperatur· wechsel läßt die Gesteine zerspringen. Einige Teile der Mondoberfläche erkalten nach Sonnenuntergang bedeutend langsamer als andere. Diese" warmen Gebiete" sind in einigen Fällen Krater; sie deuten darauf hin, daß sich die Mondkruste mit vulkanischer Energie er· wärmt. Die Analyse der Bewegungen künstlicher Mondsatelliten brachte Gravita· tionsanomalien zutage, die durch Massekonzentrationen in oberflächennahen Schichten hervorgerufen werden. Ein solches Gebiet nennt man "Mascon" (Abkürzung aus "Masse" und "Konzentration"). Die Mascons fallen in der