Section 9-25 s775

SACHS, G. ; MAYRHOFER, M.

Reichweitensteigerung bei Hyperschall-Notflugbahnen durch Opt imalst euerung des Treibst off- Ablafhorgangs

Ein Missions-Abbruchszenarao von zweastufigen Raumtransportsystemen betrift antriebslose Notjlugbahnen der Or- bitalstufe nach Trennung von der Trtigerstufe. Hierfur ward dargelegt, daj? die optimale Steuerung des Treibstoff- Ablapvorgangs eine Steagerung der erzaelbaren Reachweite ermoglacht.

1. Einleitung Bei zweistufigen Raumtransportsystemen [l] kann ein Notabstieg der Orbitalstufe nach der Separation von der Trlgerstufe erforderlich sein, falls der Antrieb ausfallt oder ein anderer Systemfehlers auftritt. Hierbei besteht die Forderung nach Erzielung einer moglichst groflen Reichweite, um Not-Landeplatze erreichen zu konnen. Eine Stei- gerung der Reichweite ist durch optimale Steuerung des Treibstoff-Ablahorgangs moglich, der in geeigneter Weise im Verlauf der Flugbahn erfolgt (statt des ublichen Ablassens des Treibstoffs vor der Landung zur Reduzierung des Landegewichts) . Zur Bestimmung dieser Reichweiten-Steigerung ist in der Optimierungsbetrachtung der Massenflufl beim Treibstoff- Ablassen als zusatzliche Steuergroae aufzunehmen.

2. Modellierung Zur Berechnung der Flugbahn kann das Flugsystem auf Basis der Massenpunktdynamik modelliert werden, wobei die Erde als kugelformig und rotierend angesetzt wird. Besonderer Wert wurde auf die realistische mathematische Beschreibung der Aerodynamik des Flugsystems und moglicher Flugbahn-Beschrankungen gelegt, um deren starken Einflufl auf die Flugleistungen erfassen zu konnen. Die Modellierung der Aerodynamik betrifft die Abhangigkeit der Beiwerte vom Anstellwinkel a, von der Machzahl A4 und von der Flughohe h. Hinsichtlich der Flugbahn- Beschrankungen sind zulslssige Grenzwerte in der Strukturbelastung, Warmebelastung, Ruderwirksamkeit u.2 zu beriicksichtigen.

3. Ergebnisse Im folgenden werden Ergebnisse zu einer Notflugbahn der Orbitalstufe eines zweistufigen Raumtransportsystems vorgestellt [2]. Hierzu zeigt Abb. 1 Werte einer optimalen Notabstiegsbahn nach einem Triebwerksdefekt bei hal- ber Brennschluflzeit. Daraus geht hervor, dafl das Treibstoff-Ablassen zu Beginn der Flugbahn erfolgt, d.h. in der Flugphase, in der die Fluggeschwindigkeit am hlichsten ist. Damit kann die groflte Reichweite erzielt werden.

loo 1

Lange 19 0 5 10 15 20 25 0 10 20 Machzahi [-] Fiugzeit [min]

Abbildung 1: Notabstieg der Orbitalstufe eines zweistufigen Raumtransportsystems nach einem Triebwerksdefekt

4. Physikalische Deutung

Zur physikalischen Deutung des reichweitensteigernden Effektes kann man von folgender Beziehung ausgehen:

Ah M 1 (krrslm) h,& (1)

Diese Beziehung beschreibt den Hohengewinn, der durch Ablassen des Treibstoffs erzielt und zu einer Verlangerung des Gleitflugwegs genutzt werden kann.

S 776 ZAMM . Z. Angcw. Math. Mcch. 81 (2001) S3

Zur Bestimmung von h,,f werden die folgenden Relationen verwendet:

2m(t)g Geschwindigkeit fur Gleitflug maximaler Reichweite (2) P(t)Ci(t)S

v = v * =

V 2 2

m- + mgh = const. konstante Gesamtenergie des Systems

= pie-bi(h-hi) exponentielles AtmosphBrenmodell m = mAnfang - mT.& ~ T S = const. Treibstoffablassen

Fur den Auftriebsbeiwert G i der Orbitalstufe gilt naherungsweise:

M < 0.8 : C l M 0.165 0.285

M > 1.2 : C i M + 0.0664 J M 2 - 0.218

Mit den Gln. (2) bis (6) kann die folgende Beziehung fur href hergeleitet werden.

Eine Auswertung hierzu zeigt Abb. 2.

Abbildung 2: Auswertung von G1. (7) fur die untersuchte Orbitalstufe

Aus Abb.2 ist ersichtlich, dai3 h,,f mit der Machzahl ansteigt. Dies bedeutet, dal3 ein maximaler Hohengewinn erzielt werden kann, wenn der Treibstoff bereits bei hohen Machzahlen abgelassen wird. Fur Machzahlen M > 5 kann man hTef fur das betrachtete Fluggerat naherungsweise als konstant ansetzen. Der betrachtete Hbhengewinn kann zu einer Verlgngerung des Gleitflugwegs genutzt werden. Dies kann bei dem grofltmoglichen Verhaltnis von CA/CW erfolgen, das normalerweise im Unterschall erreicht wird. Damit gilt fur die Steigerung der Reichweite:

5. Schluflfolgerung Die Reichweite eines aerodynamisch getragenen Fluggerats kann mittels Massenreduktion wahrend des Fluges ge- steigert werden. Hierbei kann der groate Reichweitengewinn erzielt werden, wenn die Masse bei moglichst hoher Fluggeschwindigkeit verringert wird.

6. Literaturverzeichnis

1 N.N.: SANGER-Entwurfsuberprufung, Zwischenprhentation, System-Definitionsstudie, DASA, Ottobrunn, Jan. 1989. 2 MAYRHOFER, M.; SACHS, G .: Notflugbahnen fur einen Triebwerksausfall beim Orbitalstufen-Aufstieg, Seminar des Son-

derforschungsbereichs 255 "Transatmosphkische Flugsysteme", Lehrstuhl fur Flugmechanik und Flugregelung, Technische Universitat Munchen, Tagungsband, 2000.

Addresse: PROF. DR.-ING. GOTTFRIED SACHS, DIPL.-ING. MICHAEL MAYRHOFER, Technische Universitat Mun- chen, Lehrstuhl fur Flugmechanik und Flugregelung, Boltzmannstr. 15, 85747 Garching, Deutschland.