Raumfahrt II

Question	Answer
Wie verhält sich die Dichte, die Temperatur und die mittlere Geschwindigkeit in einer Konvergierenden Überschallströmung?	Image: reponse (image/png)
Geben Sie die Defintionsgleichungen für 4 vom Schub abgeleitete Leistungskenngrößen thermischer Raketen an.	Image: reponse (image/png)
Durch welche 4 Grundgleichungen wird die idealisiert Rakete mit idealem Gas als Treibstoff beschrieben?	Image: reponse (image/png)
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Triebwerksteile, die heißen Feuergasen ausgesetzt sind, müssen gekühlt werden. Nennen Sie 4 Kühlverfahren.	a) Hemmung des Wärmeübergangs - Filmkühlung - Ablativkühlung b) Kühlung durch Wärmeabfuhr - Kapazitivkühlung (massive Düsenteile mit hoher Wärmekapazität) - Strahlungskühlung - Flüssigkeitskühlung (Regenerativkühlung)
Nennen Sie 5 verschiedene Verlustmechanismen, die in einer Düse auftreten können.	-Mechanische Verluste - Anpassungsverluste - Divergenzverluste - Profilverluste - Reibungsverluste -Thermische Verluste -Chemische Verluste
Was versteht man unter „energiebegrenzten“ und unter „leistungsbegrenzten“ Antriebssystemen?	Energiebegrenzt: Energie innerhalb des Treibstoffes limitiert die erzielbare Austrittsgeschwindigkeit (chem. TW) Leistungsbegrenzt: Energiequelle ist vom Treibstoff getrennt und somit nicht auf dessen Energiegehalt beschränkt. Einkopplung externer Energie ermöglicht signifikant höhere Austrittsgeschwindigkeiten. Das System ist somit von der Leistung der verfügbaren Energieversorgung limitiert (elektr. TW)
Wie ist das stöchiometrische Mischungsverhältnis in LOX/LH2-Raketen? Warum werden diese statt stöchiometrisch mit Brennstoffüberschuss betrieben?	8:1 Verringerung der mittleren Molmasse ->Steigerung des spez. Impuls
Was versteht man unter Divergenzverlust und Profilverlust einer Raketendüse?	Divergenzverlust: Verluste durch radiale Geschwindigkeitskomponenten im Strahl. Profilverlust: Verluste durch Abweichung des Geschwindigkeitsprofils des Strahls vom Rechteckprofil der idealisierten Betrachtung.
Was ist der Schubbereich der folgenden TW? a) Chemisches Trägerraketen TW b) MPD-TW c) Hallbeschleuniger d) Lagekorrektur/Einstoffsystem	a) Chemisches Trägerraketen TW ~7,6 MN (max.) b) MPD-TW ~30 N (max.) c) Hallbeschleuniger ~100 mN (max.) d) Lagekorrektur/Einstoffsystem ~10 N (max.)
Ein Raketen-TW ist mit einer für eine Höhe von 10 km angepassten Düse ausgestattet. Ist der bei einem Bodentest (H = 0 km)gemessene Schub größer oder kleiner als der Nominalschub in 10 km Höhe? Auf welche Größe wirkt sich der Außendruck aus?	Image: reponse (image/png)
Für eine Trägerrakete sind folgende Werte gegeben: Schub F = 1 MN Austrittsgeschwindigkeit ce = 3.000 m/s Berechnen Sie die Strahlleistung.	Image: reponse (image/png)
Wie hängt die maximale Düsenaustrittgeschwindigkeit we von der Brennkammertemperatur T0 und dem Molekulargewicht M ab?	Image: reponse (image/png)
Wie hängen für eine ideale thermische Rakete mit einer auf Vakuum angepassten Düse a) Der Schub F b) Die Austrittsgeschwindigkeit we Von der Brennkammertemperatur T0 ab?	Image: reponse (image/png)
Wie ändern sich Schub und Austrittgeschwindigkeit einer ideal thermischen Rakete mit einer auf Vakuum angepassten Düse, wenn bei konstantem Brennkammerdruck die Brennkammertemperatur durch Einspritzen von neutralem Treibstoff verringert wird? (Annahme k = const.)	Beide sinken.
Geben Sie eine mittel- & eine hochenergetische Treibstoffpaarung an. Welche spezifischen Impulse sind damit im Vakuum ungefähr erreichbar?	Image: reponse (image/png)
Welche Eigenschaften haben hypergole Treibstoffkombinationen? Was versteht man unter Monergolen?	Hypergole: Selbstentzündend bei Komponentenmischung (z.B. Dimethylhydrazin + Distickstofftetroxid) Monergole: Einstoffsystem, katalytische oder oxidative Reaktion oder einfache Expansion (z.B. Hydrazin)
Vergleichen Sie chemische und elektrische Antriebe in den folgenden charakteristischen Größen miteinander: a) Effektive Austrittsgeschwindigkeit ce b) Massendurchsatz m(punkt) c) Spezifischer Schub F/m0	a) Effektive Austrittsgeschwindigkeit ce: Elektrisch >> chemisch b) Massendurchsatz m(punkt) Elektrisch << chemisch c) Spezifischer Schub F/m0 Elektrisch < chemisch
Welche prinzipiellen Treibstoff-Fördermethoden (neben Kapillar- und Gravitationsförderung) unterscheidet man? Nennen Sie jeweils einen Vor- & Nachteil der beiden Methoden.	Pumpenförderung: + leichte Tankbauweise, genaue Regelbarkeit - kompliziert (störanfällig), Energiebedarf Druckförderung: + unkompliziert, schwerere Tanks aber leichtere Gesamtbauweise - schlechte Regelbarkeit, Druckabfall
Für welche Missionen sind elektrische Antriebe Vorteilhafter als chemische Antriebe?	Lage- & Bahnregelung: Sehr präzise (reproduzierbare) Pulse, auch im Kleinstschub-Bereich. Interplanetare Missionen: Maximierung der Nutzlast zu Kosten eines kontinuierlichen Antriebes mit kleinem Schub und langen Flugzeiten.
Mit welchem Treibstoff werden bei Hallionen-TW die höchsten effektiven Austrittsgeschwindigkeiten erzielt?	Xenon (hohes Molekülgewicht, leicht ionisierbar)
Teilen Sie die elektrischen TW nach der Treibstoffbeschleunigungsart ein. Ordnen Sie das dt. RIT dieser Einteilung zu.	- Elektrothermisch - Magnetoplasmadynamisch - Elektrostatisch (RIT)
Wodurch wird die effektive Austrittgeschwindigkeit in einem Resistorjet begrenzt?	Image: reponse (image/png)
Warum benötigen einige elektrische TW einen Neutralisator?	Elektrostatische TW benötigen einen Neutralisator zur Verhinderung der (negativen) Aufladung des Raumflugkörpers. Dieser würde sonst den ionisierten Schubstrahl anziehen und den Schubeffekt unterbinden.
Welche der folgenden Antriebe benötigen einen Neutralisator? - Widerstandsbeheizte TW - Kaufmann TW - Parallelschienenbeschleuniger - Hallionen-TW - Feldemissionsantrieb - Thermische Lichtbogen-TW	- Widerstandsbeheizte TW: nein - Kaufmann TW: ja - Parallelschienenbeschleuniger: nein - Hallionen-TW: ja - Feldemissionsantrieb: ja - Thermische Lichtbogen-TW: nein
Nennen Sie verschiedene thermische Raketen, die a) Eine direkte b) Eine indirekte Energiekopplung besitzen.	a) Chemische Raketen-TW b) Resistorjets
Ordnen Sie die folgenden Antriebssysteme nach steigendem spezifischen Impuls: - Nuklear-thermische Rakete - Kaltgas-Systeme - Ionenantriebe - Chemische Antriebe	1. Kaltgas-Systeme 2. Chemische Antriebe 3. Nukular-thermische Rakete 4. Ionenantriebe
Was begrenzt die Lebensdauer von Satelliten?	- Treibstoffvorrat - Degradation von Solarzellen/Akkumulatoren - Einsatzzweck - Zustand der Nutzlast
Welche Einsatzgebiete finden sekundäre Antriebssysteme in der Raumfahrt?	- Steuerung der Rollbewegung von Transferfahrzeugen - Stufentrennung - Aufspinnen drallstabilisierter Oberstufen - Vorbeschleunigung von Oberstufen in mg- Umgebung zur Orientierung des Flüssig-TS - Lageregelung - Bahnregelung/-korrektur
Was versteht man unter Nutations- /Präzessionsbewegung rotierender Körper?	Nutation: Bewegung der Rotationsachse eines Körpers um die Achse des Drehmomentes, wenn der Drehimpuls nicht parallel zur Achse des größten/kleinsten Trägheitsmomentes wirkt. Präzession: Bewegung des Drehimpulsvektors eines rotierenden Körpers aufgrund äußerer Momente.
Was verstehen sie unter der Inklinationskorrektur geostationärer Stelliten? Welche Störung macht sie notwendig?	Kompensation der Nord-Süd-Strömung (Winkelkorrektur) Ursache: Gravitationseinfluss von Sonne, Mond erzeugt langperiodische Störung der Bahninklination.
Welche Störung geostationärer Satelliten wird durch die sog. Translationskorrektur kompensiert? Wodurch wird sie verursacht?	Kompensation des Ost-West-Drift Ursache: Inhomogene Massenverteilung der Erde verursacht Störbeschleunigung.
Geben sie Vor- & Nachteile von Drallstabilisierung gegenüber Dreiachsenstabilisierung an.	Image: reponse (image/png)
Welche Störung geostationärer Satelliten wird durch die sog. Exzentrizitätskorrektur kompensiert?	Kompensation der Änderung der Exzentrizität eines Orbits aufgrund des Solaren Strahlungsdrucks.
Nennen Sie die drei Regelphasen der Drallstabilisierung bzw. Dreiachsenstabilisierung.	Image: reponse (image/png)
Aus einer seitlich angeordneten Steuerdüse einer Rakete strömen Treibstoffgase mit der Geschwindigkeit ce aus. In welcher Richtung weicht die Spitze der drallstabilisierten Rakete aus?	Image: reponse (image/png)
Welche Teilaufgaben beinhaltet die Lageregelung, welche die Bahnregelung?	Lageregelung Geschwindigkeitsdämpfung, Regelung des Drehvektors (Nutation, Taumeln), Zielausrichtung, Lagestabilisierung, Steuerung der Nickbewegung Bahnregelung: Kompensation von Injektionsfehlern, Positionierung/Positionswechsel von Satelliten, Störungskompensation, Station Keeping, Rendezvous, Andockmanöver, Bahnkorrektur interplanetarer Sonden
Begründen Sie die unterschiedlichen Anforderungen an das TW-Schubniveau bei den Regelphasen 2 & 3 einer Drallstabilisierung.	Regelphase II: Präzessionsbewegung/Zielausrichtung Ausrichten des Drallvektors -> höherer Schubbedarf Regelphase III: Lagestabilisierung Ausgleich geringer Störmomente -> geringer Schubbedarf
Nennen Sie vier Stellglieder für die aktive Satelliten- Lageregelung RSDS.	- Reaktionsdüsen - Stellmagnete - Drallräder - Stellkreisel
Nennen Sie vier Störeinflüsse, die die Umlaufbahnen von Erdsatelliten beeinflussen.	Äußere Einflüsse: Strahlungsdruck, Restatmosphäre, Gravitationsgradient, planetare Magnetfelder, Abweichung der Erde bzw. ihres Gravitationsfeldes von der Kugelform (Geoid) Innere Einflüsse: Bewegte Komponenten, Schubverktorfehler, Bewegung der Besatzung, Treibstoffschwappen
Bennen Sie die fünf Flugbereiche einer RVD-Mission in ihrer zeitlichen Reihenfolge.	RVD: Rendezvous und Docking 1. Fernlenkphase 2. Annäherungsphase 3. Endanflug 4. Nahbereichsmanöver 5. Andockphase
Worin besteht der wesentliche Unterschied zwischen einer aktiven und einer passiven Stabilisierung?	Passive Stabilisierung: Keine Regeleinrichtungen, Sensoren, Stellglieder, Energiebedarf Geringere Genauigkeit (tw. Ausnutzung externer Einflüsse)
Nennen Sie vier typische Missionen, die Rendezvous und Docking-Manöver erforderlich machen.	- Montage von Strukturen im Orbit - Versorgung/Austausch - Wartung/Reparatur - Rückführung/Bergung
Welche Arten von Energiequellen oder Energiespeichern und Wandlern kommen heute am ehesten für die elektrische Energieversorgung von Raumflugkörpern in Frage, wenn a) Relativ hohe Leistungen für kurze Zeit benötigt werden (wenige Stunden)? b) Für lange Zeit (Monate/Jahre) Leistungen bis ~ 10 kW in einem Erdorbit benötigt werden? c) Ebenfalls für lange Zeiten Leistungen bis ~10 kW, aber für eine Flugbahn zu den äußeren Planeten benötigt werden?	a) Primärbatterien Brennstoffzellen b) Solarzellen Nuklearreaktoren c) Radioisotopenbatterien Nuklearreaktoren
Bei der Jupitersonde GALILEO wurden zur Energieversorgung Radioisotopenbatterien verwendet. Was versteht man darunter? Welche Energiewandlerart wird angewandt?	Umwandlung der Zerfallswärme von Radioisotopen durch thermoelektrische Wandler in elektrische Energie.
Erklären Sie anhand einer Skizze die Wirkungsweise einer Solarzelle. Welche Materialen werden in der Raumfahrt verwendet?	Image: reponse (image/png)
Wie ist die Solarkonstante definiert undwelchen Zahlenwert hat sie in Erdnähe? Wie viel Prozent können davon typischerweise Photovoltaisch in Erdnähe genutzt werden?	Image: reponse (image/png)
Wie groß ist die Solarkonstante auf Merkur (2/5 AE) & Saturn (10 AE)?	Image: reponse (image/png)
In welcher Form ist die Energie eines Kaltgas-TW gespeichert?	Überdruck
Nennen Sie mindestens zwei Vor-& Nachteile von Kleinsatelliten-Missionen.	+ reduzierte Kosten + Entwicklung an Hochschulen möglich + Erprobung unkonventioneller Ideen - sehr begrenzte Nutzlast - Piggyback limitiert Startzeitpunkt, Orbit
Was ist ein schwarzes Loch?	Endzustand sehr massereicher Sterne. Die Fluchtgeschwindigkeit innerhalb des Ereignishorizonts liegt über der Lichtgeschwindigkeit.
Was ist die Hauptaufgabe des Kleinsatelliten BIRD?	Bi-Spectral Infrared Detection Beobachtung von Hochtemperatur-Ereignissen
Welcher Breitengrad wäre für den Start einer Rakete in eine geostationäre Umlaufbahn optimal?	0. Breitengrad -> Zielorbit liegt in der Äquatorialebene + Ausnutzung der Erdrotation
Nennen Sie drei Aufgaben des europäischen ATV.	Versorgung der ISS Angedockt an ISS für Bahnänderungsmanöver (Reboost) „Müllentsorgung“ -> verglüht in der Atmosphäre bei Wiedereintritt
Geben Sie den physikalischen Zusammenhang zwischen den Plank’schen Strahlungsgesetz und dem Stefan-Boltzmann-Gesetz an.	Stefan-Boltzmann-Gesetz geht durch Integration aus dem Plank’schen Strahlungsgesetz hervor. PSG beschreibt die Intensitätsverteilung der Schwarzkörperstrahlung bei bestimmten Temperaturen. SBG beschreibt die thermisch abgegebene Leistung eines Schwarzkörpers bei bestimmten Temperaturen.
Nennen Sie vier Aufgaben einer Bodenstation.	- Empfang von Telemetriedaten - Kontrollmessungen zur Empfangsqualität - Bahnvermessung (Tracking, Ranging) - Bahnvorausberechnung - Telekommandoplanung & Durchführung - Steuerung der Bodenempfänger - Aufbereitung & Verteilung der Daten
Nennen Sie vier Größen/Parameter, die man mittels satellitengestützter Fernerkundung in der Atmosphäre misst.	- Aerosole - Atmosphärischer Wasserdampfgehalt - Treibhausgase - Höhenverteilung der Gasbestandteile der Atmosphäre
Wird bei der Berechnung der kosmischen Geschwindigkeit die Atmosphäre berücksichtigt?	nein
Ein Raketentriebwerk ist mit einer für eine Höhe von 50 km angepassten Düse ausgestattet. Wie ändern sich folgende Parameter, wenn das TW am Boden (H = 0 km) bzw. im Vakuum (H = 1000 km) betrieben wird? Brennkammerdruck p0, Schub F, Massenstrom m(punkt), effektive Ausströmgeschwindigkeit ce, mittlere Ausströmgeschwindigkeit we	Image: reponse (image/png)
Nennen Sie drei typische Anwendungsmöglichkeiten von Tethers im Erdorbit.	- Gewinnung von elektrischer Energie - Erzeugung künstlicher Schwerkraft durch Rotation zweier verbundener Objekte - Stabile radiale Ausrichtung zweier verbundener Objekte - Bahnänderungsmanöver
Satelliten müssen vor dem Start auf ihre Weltraumtauglichkeit geprüft werden. Nennen Sie 6 notwenige Nachweise.	- Betrieb im Vakuum - Schock, Vibration, mechanische Belastung - Thermalhaushalt - Schwerelosigkeit - Strahlenbelastung - Energieversorgung/Power Management - Schlaffähigkeit für lange Reisen - Kalibrationsmöglichkeit - Safemode/“Auferstehung“ - Elektromagnetische Verträglichkeit - Alterungsprozesse/Kontaminierung - Redundanzen
Geben Sie drei verschiedene optische Spektrometertypen an und sortieren Sie diese nach ihrem Auflösungsvermögen.	Filterspektrometer < Prismenspektrometer ≤Gitterspektrometer
Wie hängt die beugungsbegrenzte optische Auflösung von der Wellenlänge und dem Objektivdurchmesser ab?	Image: reponse (image/png)
Nennen Sie zwei Vor- & Nachteile von Feststoffraketen gegenüber flüssigen Treibstoffen.	+ Einfach (keine Fördersysteme/keine bewegten Komponenten) + leicht Lagerfähig + zuverlässig - keine Schubregelung - Brenndauer fest, nicht wiederzündbar
Was ist der Unterschied zwischen Hauptstrom- /Nebenstromtriebwerken?	Hauptstrom-TW: Gesamter Treibstoff geht durch die Brennkammer Nebenstrom-TW: Treibstoffanteil zum Betrieb des Fördersystems wird dem Hauptstrom erst im divergenten Teil der Düse wieder zugeführt oder ganz in einer kleineren parallelen Düse entspannt.
Nennen Sie zwei Wärmeschutzkonzepte für Widereintrittskörper.	- Kapazitive Hitzeschilde - Ablationskühlung - Strahlungskühlung - Film-/Schwitzkühlung
Welchen Einfluss hat der ballistische Faktor auf die Verzögerungslasten eines ballistischen Wiedereintrittskörpers?	Die Flughöhe, bei der die maximale Verzögerung auftritt nimmt mit zunehmendem ballistischen Faktor Beta ab. Der Betrag der maximalen Verzögerung ist aber vom ballistischen Faktor Beta unabhängig.
Nennen Sie die 3 Haupteinflussgrößen auf die Flauglasten bei der Widereintritts- bzw. Rückkehrmission. Treten die maximalen thermischen und mechanischen Belastungsspitzen gleichzeitig auf?	- Lokale atmosphärische Umgebung (z.B. Dichte, Temperatur) - Momentaner Flugzustand (z.B. Geschwindigkeit, Anstellwinkel) - Fahrzeugeigenschaften (z.B. Geometrie, Gewicht, Aerodynamik) Thermische Lastspitzen treten vor mechanischen auf.
Wie verhält sich der Wärmestrom, der bei einem Wiedereintritt eines Raumfahrzeuges im Staupunkt auf das Fahrzeug übergeht in Bezug auf den Nasenradius?	Image: reponse (image/png)
Wie lange dauert ein typisches Wiedereintrittsmanöver eines Space Shuttle von der Zündung der Bremsraketen bis zur Landung?	ungefähr 60 min
Nennen Sie zwei Vorteile von Rückkehrkörpern mit Auftriebseigenschaften gegenüber ballistischen Rückkehrkörpern.	- Begrenzung der mechanischen und thermischen Lasten - Manövrierbarkeit, Anflug von Landeplätzen außerhalb der Orbitebene - Begrenzung von nicht nominalen Eintrittsbedingungen und Kompensation atmosphärischer Dichteschwankungen
Warum werden für Rückkehrkapseln typischerweise stumpfe Körperformen bzw. für Raumgleiter hohe Anstellwinkel beim Eintritt in die Erdatmosphäre gewählt?	Für stumpfe Körper ist der druckbedingte Anteil des Widerstandsbeiwertes wesentlich höher als der reibungsbedingte Anteil. Folglich sinkt der Wärmefluss auf den Flugkörper.

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	Copied by Christian Kunzi about 9 years ago