Braucht eine Rakete einen Computer?

Eine der Phänomene heute, wo in jeder Waschmaschine ein Microcontroller drin ist, jedes Handy Gigabytes speichern kann, ist das viele sich gar nicht vorstellen können, das es vor einigen Jahrzehnten völlig ohne Computer ging. So auch bei den ersten Raketen welche Satelliten in einen Orbit beförderten. Wobei ich dies wirklich wörtlich ,einen will, denn es gibt natürlich noch die Möglichkeit den Computer aus der Rakete heraus zu nehmen und durch einen am Boden zu ersetzen, welcher aus Daten von Radar Verfolgungsstationen den Kurs berechnet.

Wie geht das? Nun vom Prinzip her ist es ganz einfach: Eine Rakete muss die Bahnhöhe für einen Orbit erreichen und sie muss die Geschwindigkeit für einen Orbit erreichen. Es gilt nun die Gesamtgeschwindigkeit zu optimieren. Zuerst muss die Rakete vertikal beschleunigen um eine so hohe vertikale Geschwindigkeit aufzubauen dass die Rakete mindestens die Gipfelhöhe erreicht in der später die Umlaufbahn verläuft. Diese Geschwindigkeit ist berechenbar nach den Gesetzen des senkrechten Wurfs. Theoretisch könnte man dann in dieser Höhe die Rakete um 90 Grad drehen und die Bahngeschwindigkeit aufbauen, die ja für den Orbit bekannt ist.

Nur ist das eine energetisch ungünstige Lösung. Energetisch günstiger ist es senkrecht zu starten und dann langsam in die Horizontale umzuschwenken, bis man sie erreicht hat und dann weiter zu beschleunigen. Die Aufgabe ist nun die, dass dies so erfolgen muss, die richtige Bahnhöhe erreicht wird, wenn die horizontale Beschleunigung erfolgen muss und gelichzeitig die untere, dichte Atmosphäre recht schnell durchflogen werden soll.

Doch es ist ein Problem das lösbar ist und aus einem recht einfachen Programm besteht:

• Starte senkrecht und behalte dieses Programm über xx Sekunden bei
• Drehe dich dann yy Sekunden lang mit y Grad/s in dei horizontale
• Beschleunige dann zz Sekunden lang in der Horizontale
• Nach xx+yy Sekunden sollte die Bahnhöhe als Nebenbedingung erreicht sein.

Das ist mit sehr einfachen Schaltkreisen möglich. Die Zeitvorgabe können Uhren liefern, oder im Fachchinesisch „Timer“. Das Umlenken kann man erreichen, indem man die Triebwerke um eine konstante Auslenkung schwenkt. Natürlich ist das keine flexible Steuerung – sie geht nicht auf Störungen ein und sie arbeitet bis der Treibstoff verbraucht ist und hat daher wegen der Reserven zwangsläufig elliptische Bahnen (wie auch die ersten Satelliten).

Doch das kann man korrigieren. Eine Kreiselplattform kann als Inertialsystem fungieren. Es liefert bei Bewegungen einen Strom, proportional zur Beschleunigung. Einfache elektronische Elemente können diese Werte integrieren und so Geschwindigkeiten und weg messen. Das Abschalten kann man machen indem man z.B. einen Kondensator mit der X-Komponente lädt und diesen Kondensator in einer Schaltung mit einem vorher gefüllten (mit der Sollgeschwindigkeit) abgleicht und bei gleich hoher Stromstärke einfach die Triebwerke abschaltet. Die Abweichungen in anderen Raumrichtungen kann man einfach invertieren und verstärken und als Stellglieder für die Triebwerkssteuerung nehmen – das sind einfach Feedback-Systeme wie sie schon im zweiten Weltkrieg für Autopiloten eingesetzt wurden. In der Tat ist diese ganze Steuerung analog zu verwirklichen und mit der Technologie der 40 er Jahre möglich. Schon eine A-4 wurde so gesteuert und die Gruppe um von Braun arbeitete auch an einer mehrstufigen Version, die einen Orbit erreicht hätte – mit derselben Steuerung.