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Wie steuert man eine Rakete, wie sorgt man dafür, dass sie eine Bahn einhält. Über dieses spannende Kapitel soll dieser Aufsatz informieren.
Eigentlich ist die Aufgabe einer Rakete ganz einfach: Vor dem Start steht sie fest auf der Erdoberfläche bei einer Geschwindigkeit 0. Wenn der Satellit arbeiten soll muss er in einer Höhe x mit einer Geschwindigkeit y ausgesetzt werden. Wie man dies erreicht und dabei möglichst wenig Treibstoff braucht, dass ist dann eine Herausforderung.
Wenn ich nur einen Satelliten im Orbit haben will, so brauche ich (entgegen landläufiger Meinung) dafür keinen Computer an Bord der Rakete der diese steuert. Das alles geht mit Elektrotechnik ohne Elektronik. Es musste auch früher so gehen, denn die ersten Trägerraketen hatten keinen Computer an Bord.
Die ersten Trägerraketen verwandten wie die Interkontinentalraketen, aus denen sie entstanden, eine sehr einfache analoge Steuerung. Bei der ersten Trägerrakete der USA, die Juno, die aus der Jupiter-C verfuhr man folgendermaßen:
Nach einer bestimmten senkrechten Aufstiegsphase lieferte eine analoge Schaltung ein Signal, dass die Kreiselplattform sukzessive neigte. Wich die Neigung der Kreiselplattform von der Ausrichtung der Rakete ab, so gab dies ein der Abweichung proportionales Signal und dieses wurde genutzt um das Triebwerk so zu drehen, dass der Schubvektor die Rakete neigte.
Als Folge drehte sich die Rakete langsam von der Vertikalen in die Horizontalen. Diese Drehung muss so gewählt sein, dass die vertikale Geschwindigkeit so hoch ist, dass die Rakete beim Aufstieg mindestens die spätere Bahnhöhe erreicht. Gleichzeitig sollte die Rakete vor allem in der unteren Atmosphäre eine geringe aerodynamische Belastung erfahren.
Die dazu benutzte Technik ist nicht neu und wurde schon in der A-4 eingesetzt. Wernher von Braun träumte schon 1943 von einem Satellitenträger der natürlich die damals vorhandene Technologie nutzen musste.
Die Juno setzte dann Oberstufen aus, die nur noch Geschwindigkeit aufnehmen mussten, aber nicht ihre Bahn ändern. Sie wurden vor dem Aussetzen über einen Dralltisch in rasche Rotation versetzt und behielten so ihre räumliche Ausrichtung bei. (Störkräfte müssen die Drallachse ändern, dazu braucht man mehr Kraft als wenn die Oberstufe nicht rotiert). Drallstabilisierte Stufen haben auch den Vorteil, dass selbst bei einer Abweichung von der Sollausrichtung durch die Rotation das Störmoment durch den Raum wandert. Stößt man einen sich rasch drehenden Körper an, so bewegt sich die Rotationsachse in einem Kreis. Die Abweichung wirkt also nicht in einer Richtung sondern über die Zeit gleicht sie sich aus. (Räumlich betrachtet würde die Stufe sich wie ein Korkenzieher um ihre Idealbahn bewegen, anstatt immer mehr von dieser abzuweichen).
Da diese Stabilisierung sehr einfach zu realisieren ist (man muss nur die Stufe über einen Dralltisch vor der Zündung oder durch kleine Raketen bei der Zündung in Rotation versetzen) verwenden sehr viele Oberstufen mit festen Treibstoffen diese Stabilisierung. Da der Gesamtimpuls von Feststoffraketen bekannt ist, endet die aktive Steuerung der Rakete beim Aussetzen der Oberstufe mit Feststoffraketen. (Hier ein Vorgriff auf ein späteres Kapitel). Die untere Stufe schaltet sich ab, wenn eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht ist die von den festen Treibstoffen festgelegt wird. Bei der Helios Mission hatte die Titan 3E Centaur noch erhebliche Treibstoffmengen an Bord die dann für Experimente mit der Centaur Stufe genutzt wurden.
Der Nachteil der vorgegebenen Aufstiegsbahn ist, dass man damit zwar eine Satellitenbahn erreicht, diese jedoch nur sehr ungenau ist. Die Abweichungen von den Sollbahnparametern sind sehr groß. Alle ersten Satelliten hatten sehr exzentrische Bahnen, die zeigen, dass man viel an Überschussgeschwindigkeit hatte. Man muss praktisch ein Geschwindigkeitsreservoir für alle Eventualitäten vorhalten und damit ist auch die Nutzlast sehr klein.
Später ging man zu einer zweiten Lösung über. Noch immer gab es keinen Computer an Bord der Rakete. Er wäre einfach in den frühen sechziger Jahren zu schwer gewesen. Man konnte jedoch auf dem Boden einen solchen Computer betreiben. Man entwickelte das Verfahren der Radiolenkung und verbesserte die des Funkleitstrahles.
Nach dem Start verfolgte man die Rakete mit einem Radar. Das Radar bestimmte Geschwindigkeit, Höhe und Entfernung der Rakete. Ein Computer berechnete daraus die Bahn der Rakete und die notwendigen Korrekturen. Diese funkte man als Befehle an die Rakete. "Befehle" ist etwas hoch gegriffen, denn es suggeriert eine Steuerung, die auf Befehle reagiert. Vielmehr waren es Werte, die durch einen Digital/Analog Wandler in Strom umgewandelt wurden und dieser Strom bewirkte proportionale Änderungen der Schubrichtung oder das Zünden von Steuertriebwerken.
Der Nachteil dieser Methode war, dass man zahlreiche Bodenstationen brauchte da, die Rakete bald aus dem Gesichtsfeld des Radars am Startort verschwand. Diese mussten zudem vernetzt sein um die Bahndaten auszutauschen. Bei der Sowjetunion bei deren die meisten Bahnen quer über ihr Staatsgebiet beim Aufstieg führten war dies kein Problem. Bei den USA machte dies zahlreiche Bodenstationen auf Inseln im Atlantik und Pazifik notwendig.
Eine Variation ist das Funkleitstrahlverfahren. Man hat vor dem Start die ideale Aufstiegsbahn berechnet und sendet nun einen scharf gebündelten Funkleitstrahl entlang des vorgegebenen Aufstiegspfades. Die Rakete hat einen Empfänger an Bord und misst die Signalstärke. Nimmt diese ab, so steuert sie dagegen. Sie versucht immer in der Mitte des Leitstrahles zu bleiben. Man kann einen vorzeitigen Brennschluss herbeiführen indem man das Signal abschaltet. Auch hier kann man mit dem Radar die Geschwindigkeit, Höhe und Entfernung bestimmen und entsprechend den Leitstrahl variierten.
Im einfachsten Fall braucht man aber anders als bei der Radiolenkung keinen Computer am Boden sondern fährt ein vorgegebenes Aufstiegsprofil nach. Dieses Verfahren macht sogar eine Inertialplattform an Bord der Rakete überflüssig und ist noch älter als das oben angesprochene Verfahren. Auch dieses Verfahren wurde schon bei der A-4 eingesetzt. Man kann es auch nur solange einsetzen wie man die Rakete sieht. Doch wenn nur die erste Stufe gesteuert werden muss reicht auch dieses Verfahren aus.
Besser ist es wenn eine Rakete selbst ihren Kurs bestimmen und korrigieren kann. Man braucht hier zwei Dinge: Zum einen braucht man eine Referenz, also eine Vorgabe für die Bahn. Zum zweiten braucht man eine Möglichkeit Abweichungen zu erkennen.
Die Referenz muss nicht sehr komplex sein. Einfache Aufstiegsbahnen sehen vor, dass sich die Rakete mit einem bestimmten Winkel vom Zeitpunkt a bis zum Zeitpunkt b neigt. Eine einfache Schaltung mit einem Kondensator kann dieses Vorgabesignal liefern. Aktiviert wird diese mit einer Zeitschaltuhr. (Man muss zuerst einmal von der Startplattform wegkommen und senkrecht Höhe gewinnen, bevor man sich in die Vertikale neigt. Da bei der Neigung die aerodynamischen Kräfte zunehmen braucht die Rakete eine Mindestgeschwindigkeit und dies muss langsam geschehen, damit man dies nicht in der dichten Atmosphäre durchführt).
Die tatsächliche Bewegung und der Ort kann die Rakete mit Kreiselgeräten und Beschleunigungsmessern feststellen. Schnell rotierende Kreisel haben die Eigenschaft dass sie ihre Rotationsachse fest im Raum behalten wollen. Einer Bewegung der Rotationsachse durch die Bewegung der Rakete verursacht eine Kraft die man in einen elektrischen Wert umwandeln kann. mit 3 Kreiseln die senkrecht aufeinander stehen und in den 3 Raumachsen rotieren hat man ein Intertialsystem, eine Bezugsgröße für die räumliche Lage der Rakete und ihre Bewegung. Das kling ganz einfach, doch die Herstellung eines Kreisels von perfekter Kugelform, genau im Scherpunkt gelagert bei weitgehend reibungsfreier Bewegung ist nicht einfach. Derartige Inertialsysteme sind ein Werkstücke mit hohen Anforderungen an die Herstellung und daher nicht gerade preiswert. Gute Inertialplattformen haben einen Fehler von 10 Bogensekunden/sec. Je länger sie in Betrieb sind desto größer wird der Fehler. Daher wurden die Kreisel erst kurz vor dem Start in Rotation gebracht. Beschleunigungsmesser können die Beschleunigung direkt messen (typischer Messfehler unter 1 %).
Gemäß den physikalischen Gesetzen gilt : Die Geschwindigkeit ist das Integral der Beschleunigung über die Zeit und der Weg ist das Integral der Geschwindigkeit über die Zeit. Analoge Schaltungen die integrieren oder differenzieren können sind relativ einfach herzustellen. Damit kann man also Ort und Geschwindigkeit analog (in Form eines Stromes) darstellen indem man die Beschleunigungswerte integriert.
Man muss nun nur noch die beiden Ströme (Vorgabe und aktueller Wert) voneinander abziehen und hat schon den Reststrom der die Abweichung angibt und den man zum Regeln benutzen kann. Selbst eine Vorgabe für die Endgeschwindigkeit ist analog machbar. Bei der Sowjetunion wurde ein Kondensator so aufgeladen, dass seine Ladung proportional zu der Endgeschwindigkeit war. Während des Fluges wurde er entladen wobei der Messwert für die Beschleunigung die Entladung kontrollierte, so das die Ladungsabnahme der Beschleunigung entsprach. War er entladen so sank der Strom auf Null und dies war das Signal zum Abschalten der Triebwerke.
Selbst das Widerzünden außerhalb des Empfangsbereiches ist möglich ohne einen Computer zu benutzen. Oftmals ist die Geschwindigkeit und Richtung schon vorgegeben. Ist die Stufe korrekt orientiert (durch Funksignale vom Boden oder Vorgabe durch eine Steuerung) muss man sie nur zum richtigen Zeitpunkt anschalten und ausschalten. Das schafft ein einfacher Timer, d.h. eine rückwärts laufende Stoppuhr. Bei Block-D, einer russischen Oberstufe scheiterte eine Planetenmission weil der Timer dafür falsch eingestellt wurde (man hatte die Ziffernfolge verkehrt herum eingegeben).
Die Sowjetunion setzte sehr lange Zeit analoge Steuerungen ein. Dies galt zumindest bei einigen Modellen bis zur Neuzeit. So gaben sowohl der russisch-amerikanische Konzern ILS wie auch das europäisch-russische Unternehmen Starsem beider Vorstellung ihrer neuesten Varianten der Proton beziehungsweise Sojus an, man hätte das analoge Steuerungssystem durch ein digitales abgelöst.
Verwende ich einen Bordrechner, so habe ich allerdings mehr Möglichkeiten. Erste Bordcomputer wurden in den USA Mitte der sechziger Jahre eingeführt. Wie in vielen anderen Bereichen war auch hier das Militär hier Schrittmacher. Die Polaris Raketen die von U-Booten aus gestartet werden sollten, stellten neue Anforderungen. Eine Steuerung vom Boden aus war nicht möglich und die Rakete sollte von jedem Punkt der Weltmeere aus abgefeuert werden können. Ein festes Flugprofil war damit nicht möglich. Die Polaris Raketen setzten zum ersten mal einen Computer ein.
Der Computer hat im Vergleich zu analogen Technik zwei Vorteile: Zum einen ist er genauer. Bei genügend vielen Bits kann man jede beliebige Genauigkeit bei Berechnungen erreichen. Bei analogen Schaltungen gibt es das Problem, dass unterhalb von bestimmten Reststromstärken oder Spannungen ein Wert gleich 0 ist. Wenn eine Schaltung z.B.. 25 V und 24.99 V vergleicht, so kann es sein, dass sie für identisch hält. Bei analogen Steuerungen ist die Zielbahn daher nicht so genau. Anlage Steuerungen mit einer sehr hohen Genauigkeit zu fertigen ist sehr teuer und erlaubt nur geringe Fertigungstoleranzen bei den verwendeten Bauteilen (Spulen, Widerständen, Kondensatoren). Dafür kann man mit analogen Steuerungen sehr einfach Signale integrieren und differenzieren, wofür ein digitaler Computer sehr viel Rechengeschwindigkeit braucht. Das mag der Grund sein, warum analoge Steuerungen sich bei der Sowjetunion so lange hielten.
Der große Vorteil eines Computers ist aber die Möglichkeit zum Umprogrammieren und besseren Reagieren auf äußere Ereignisse. Auch waren nun viel komplexere Aufstiegsbahnen möglich.
Heute ist Standard die adaptive Steuerung. Dabei hat man vor Beginn der Mission die ideale Bahn am Boden durch Computersimulationen bestimmt (diese hängt von der Zielbahn, der Leistung der Stufen, den Wind- Temperatur und sonstigen Verhältnissen ab) und der Bordcomputer versucht diese nachzusteuern. Bei entsprechender Programmierung kann der Bordcomputer sehr starke Störmomente ausgleichen indem er eine Alternativbahn bestimmt. Dies war zum Beispiel Standard bei den Saturn V Raketen. Bei diesen konnten in der S-IC und der S-II ein Triebwerk ausfallen und der Bordcomputer hat eine Alternativbahn eingeschlagen die mit reduziertem Schub erreichbar ist. Das kam einmal vor, beim Flug von Apollo 13 als das mittlere Triebwerk 132 Sekunden vor dem geplanten Brennschluss ausfiel. Der Bordcomputer ließ die 4 anderen Triebwerke 32 Sekunden länger und die S-IVB 9 Sekunden länger brennen und erreichte den Zielpunkt mit nur einer Abweichung von 0.4 km und einer Geschwindigkeitsabweichung von 0.57 m/s.
Derartige Steuerungen nennt man geschlossene Regelkreisläufe oder "selbst anpassende Steuerungen". Sie erreichen sehr hohe Genauigkeiten. Die Saturn V lieferte ihre Nutzlasten z.B.. in einem Raumbereich von 1 x 1 x 1 km mit einem Geschwindigkeitsfehler von < 1 m/s und einem Fehler des Geschwindigkeitsvektors von 0.01 Grad in der Höhe und 0.005 Grad seitlich ab.
Die selbst anpassende Steuerung ist der heutige Stand der Technik. Doch es geht auch etwas einfacher. Eine Variation ist der "offene Regelkreislauf". Bei diesem spart man sich die Fähigkeit ein, dass der Bordcomputer selbst die Bahn neu berechnet. Es wird ihm eine Sollbahn vorgegeben: Im Normalfall bekommt der Bordcomputer eine Tabelle mit Werten die angeben wo, zu welchem Zeitpunkt und bei einer Vorgegebenen Geschwindigkeit sich die Rakete befinden soll. Während des Fluges bestimmt der Computer auf Basis der Messungen seiner Sensoren die augenblickliche Position und vergleicht diese mit den Sollvorgaben und lenkt dann die Rakete so, dass sie diesen möglichst nahe kommt.
Üblicherweise verzichtet man in der dichten Atmosphäre auf ein adaptives Flugprofil. Der Grund liegt darin, dass man Windkräfte nur schwer vorher abschätzen kann und in dieser Phase ist die Rakete den höchsten Belastungen ausgesetzt. Stattdessen steuert man die Rakete nach einem vorgegebenen Profil, dass die aerodynamischen Belastungen minimiert. Oberstufen verwenden dann die adaptive Steuerung. Als die Rechengeschwindigkeit der Bordrechner noch geringer als heute war, ging dies nur bei vorgegebenen Randbedingungen. Sowohl bei der Saturn V wie auch Ariane 1 ließ man die erste Stufe nicht ausbrennen, sondern schaltete diese ab, sobald die Rakete den Punkt erreicht hatte, der Ausgangspunkt für die adaptive Steuerung war. Mit zunehmender Erfahrung kannte man die Reserven der Rakete besser und konnte diesen Punkt verschieben, so dass die Nutzlast anstieg.
Was passieren kann wenn man stur vermeintliche Kursabweichungen ausgleichen will, ohne auf die aerodynamische Belastung zu achten zeigte der Fehlstart der ersten Ariane 5 : Die Rakete zerbrach als sie eine abrupte Kurskorrektur in 13 km Höhe durchführte. Ursache war ein fehlerhaftes Computerprogramm.
Heute macht eine Computersteuerung natürlich noch mehr. Sie setzt auch die Nutzlast automatisch so aus, dass ihre Solarpanele beleuchtet werden, deorbitiert die letzte Stufe oder ähnliches. Das ganze erfolgt automatisch und ohne vom Boden aus einzugreifen.
Der Computer ist dank Digitaltechnik kein großer Kostenfaktor mehr. Von der Rechengeschwindigkeit für ein 16 oder 32 Bit Rechner mit niedriger Taktgeschwindigkeit vollkommen ausreichen. In den Atlas Trägerraketen tut ein 16 Bit Rechner aus den achtziger Jahren, ein MIL-STD 1553 Prozessor seinen Dienst. Die Ariane verwendet einen 32 Bit Prozessor der von einem Sun SPARC V7 abstammt. Hier spielen Zuverlässigkeit eine größere Rolle als die reine Rechengeschwindigkeit.
Doch die gesamten Sensoren kosten einiges. Gyroskope, d.h. mechanische Kreisel hat man schon vor langem durch Laserkreisel ersetzt, bei diesen wird ein Laserstrahl durch Spiegel im Kreis gelenkt. Die Strahlen werden zur Interferenz gebracht und löschen sich aus, wenn das System in Ruhe ist. Ist dies nicht der Fall, gibt es eine Frequenzverschiebung und die Strahlen löschen sich nicht aus. Das System hat keinerlei bewegliche Teile, ist dadurch viel robuster und preiswerter zu fertigen.
Es wurde schon vorgeschlagen GPS als Referenz zu nutzen um Raketen zu steuern. GPS Empfänger sind um einiges preiswerter und leichter als Sensoren und Ringlaserkreisel. Bislang blieb es bei einer Idee, da man nicht riskieren will, dass eine Mission verloren geht, weil man keine Verbindung zu den Satelliten bekommt. Selbst militärische Flugzeuge verwenden zwar heute GPS haben aber auch in der Regel einen Ringlaserkreisel als Backupsystem an Bord.
Es ziehen heute auch mehr und mehr COTS Elemente in Raketen ein. COTS steht für "Common Off the Shelf" und meint Komponenten die in anderen Bereichen erprobt und bewährt sind. So wurde schon vorgeschlagen die propietären Bussysteme in Raketen durch normales Fast-Ethernet zu ersetzen. Die Falcon 1 ist die erste Rakete die dies einsetzt.
Da immer ein Start schief gehen kann ist es wichtig genau Bescheid zu wissen. Raketen empfangen daher nicht nur Signale vom Boden sondern senden auch laufend Messwerte zurück. Da man zum Empfang Bodenstationen braucht ist die Versuchung natürlich groß die Rakete vom Boden aus zu steuern (und deswegen wurde dies auch in den USA noch lange Zeit so gemacht). Da man die gesamten Daten auch auswerten muss ist man bestrebt dies auf das notwendige zu beschränken. Im Allgemeinen setzt man bei den Entwicklungsflügen sehr viele Sensoren ein und reduziert die Anzahl mit folgenden Flügen diese. Bei dem ersten Saturn V Flug wurden zum Beispiel über 2900 Messwerte übertragen. Beim sechsten Flug waren es nur noch 1350. Auch hier gab es Änderungen im Laufe der Zeit. Früher wurde der Wert analog übertragen, heute weitgehend digital.
Störmomente wirken vor allem in der ersten Phase des Fluges von Außen ein. Dann ist die Rakete in der dichten Luftschicht, bei der Seitenwinde am stärksten wirken können. Es gibt zwei Schutzmechanismen gegen diese Einflüsse - Zum einen recht rasch eine hohe Geschwindigkeit erreichen. Das minimiert zum einen die Zeit in der dichten Atmosphäre und zum anderen können Winde eine Rakete stärker drehen wenn sie langsam ist.
Das zweite sind kleinen Flügel an der Rakete, die in der Fachsprache Finnen genannt werden. Sie widersetzen sich bei einer Drehung der Rakete. Es reichen dazu meist sehr kleine Finnen am Ende der Rakete. Einige Raketen setzen sehr große Finnen ein, bekanntestes Beispiel sind die Saturn Trägerraketen. Diese sind so groß um die Sicherheit zu erhöhen. Falls die Regelung der Schubvektorsteuerung ausfällt kann dies im Extramfall zu einer schnellen Drehung der Rakete führen, zu schnell um die Besatzung durch Zünden des Rettungsturms in Sicherheit zu bringen. Große Finnen setzen dem einen hohen aerodynamischen Widerstand dagegen und führen so zu genug Zeit um die Besatzung zu retten.
Noch wirksamer wären Finnen am Kopfende der Rakete. Doch da dort die Nutzlast sitzt und man sie nur während der ersten Flugphase braucht sitzen sie meist neben den Triebwerken.
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