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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Minimierung von Risiken, die bei einem Flugabbruch eines Flugsystems entstehen können. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren sowie ein entsprechendes Flugsystem.
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Unter Flugsystem werden in diesem Dokumente Flugsysteme im Allgemeinen verstanden. Beispielsweise werden Weltraumflüge mit Flugsystemen in Form von Raumtransportsystemen durchgeführt. Solche Raumtransportsysteme sind unter den Bezeichnungen Raumgleiter, (Space)Shuttle, Rakete, o.ä. bekannt. Während des Fluges eines Raumtransportsystems muss jederzeit sichergestellt sein, dass dieses System den Sicherheitsregeln des Startplatzes entspricht. Insbesondere dürfen Trümmerteile aus einem kommandierten oder ungeplanten Flugabbruch, möglicherweise auch mit einer Zerstörung des Raumtransportsystems, nicht in bestimmte Gebiete fallen bzw. einschlagen. Eine Änderung der Flugbahn kann notwendig sein, um ausreichend Abstand mit den oben genannten Gebieten zu halten. Wenn die Trümmerteile gut gleiten können, muss mehr Abstand zu den oben genannten Gebieten gehalten werden, was die Freiheit bei der Bestimmung der Flugbahn einschränkt. Eine Änderung der Flugbahn kann allerdings möglicherweise einen Leistungsverlust bedeutet.
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Die Verteilung der (Trümmer-)teile resultiert daraus, dass die verschiedenen Teile mehr oder weniger gut gleiten können und sich mehr oder weniger ballistisch verhalten. Die Gleiteigenschaft kann dabei mit der Gleitzahl beschrieben werden. Dabei ist die Gleitzahl das Verhältnis von aerodynamischem Auftrieb zum Widerstand eines Teils, beispielsweise eines Trümmerteils.
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Eine bekannte Lösung, um zu vermeiden, dass Trümmerteile über eine gute Gleitzahl verfügen, ist die Trennung der Strukturen, beispielsweise durch Sprengung. Im Ergebnis erhält man je nach Art der Sprengung und Positionierung des Sprengsatzes, insbesondere der Heftigkeit der Sprengung, Trümmerteile unterschiedlicher Größe, die eine kleine Gleitzahl, manchmal nur geringfügig über 0, aufweisen können. Heftige Sprengungen haben allerdings auch Nachteile, da der Umgang mit Sprengladungen generell und insbesondere mit größeren Sprengladungen für heftige Detonationen zusätzliche Maßnahmen bei der Handhabung des Fahrzeugs voraussetzt. Weiterhin ist die Handhabung des Flugsystems am Boden während der Startvorbereitungsphase komplexer, wenn Sprengstoff in einem Fahrzeug eingebaut ist. Insbesondere darf nur wenig Personal mit besonderen Qualifikationen an dem Fahrzeug arbeiten.
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Eine andere bekannte Lösung ist die Benutzung von Fallschirmen oder aufblasbaren Strukturen, um den Luftwiderstand zu erhöhen oder eventuell dem Trümmerteil keine stabile aerodynamische Lage zu ermöglichen. Diese Systeme sind allerdings meistens sperrig und schwer, wobei beides gerade bei Raumtransportsystemen einen sehr großen Nachteil bedeutet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Minimierung von Risiken, die bei einem Flugabbruch eines Flugsystems entstehen können, anzugeben, wobei insbesondere das Risiko, das von unkontrolliert sich bewegenden Trümmerteilen, die in nicht vorhersehbaren Gebieten niedergehen, minimiert werden soll und wobei die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik verbessert sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren sowie ein entsprechendes Flugsystem.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4. Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ergibt sich aus Unteranspruch 6. Nach einem weiteren Aspekt wird die Erfindung mit einem Flugsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Die Erfindung basiert auf einer Verbindung von einzelnen Teilen des Fahrzeugs des Flugsystems durch biegeschlaffe Verbindungselemente wie Kabeln oder Seilen, wobei die einzelnen Teile des Fahrzeugs des Flugsystems durch mindestens je ein biegeschlaffes Verbindungselement miteinander verbunden sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind aus Zuverlässigkeitsgründen mindestens zwei biegeschlaffe Verbindungselemente pro Verbindung vorgesehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest ein biegeschlaffes Verbindungselement einen Werkstoff aus der Gruppe der Aramide, beispielsweise Kevlar, auf. Aramide sind Polyamide, bei denen die Amidgruppen an aromatischen Gruppen gebunden sind. Aramide sind sehr zugfest und sehr zäh, wodurch sich ein hohes Energieaufnahmevermögen ergibt; ihre Reißlänge ist etwa zehnmal so hoch wie die von Stahl. Aramide sind überaus hitzebeständig, sie überstehen problemlos Temperaturen über 370 °C, ohne zu schmelzen. Darüber hinaus sind Aramide sehr leicht.
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Unter den Teilen des Fahrzeugs werden in diesem Dokument Einzelteile des Fahrzeugs verstanden, die als Fahrzeug miteinander verbunden sind. Unter den Teilen sollen aber auch zunächst einteilige Bauteile, die beispielsweise an einer oder mehreren Sollbruchstellen trennbar sind, verstanden werden. Diese an einer oder mehreren Sollbruchstellen getrennten einteiligen Bauteile bilden bei einem Flugabbruch nach der Trennung Trümmerteile, die auf die Erde niedergehen können. Das Fahrzeug des Flugsystems weist mindestens zwei solcher Teile auf. Nach der Trennung teilt sich das Fahrzeug in mindestens zwei Trümmerteile.
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Die Erfindung setzt voraus, dass sich das Fahrzeug des Flugsystems beispielsweise bei einem Flugabbruch in mindestens zwei (oder mehr) Trümmerteile teilt. Das Fahrzeug wird in einer vorteilhaften Ausführungsform daher mit Sollbruchstellen versehen, an denen das Fahrzeug teilbar ist. Dabei erfolgt die Trennung der Teile entweder durch eine gezielte Sprengung oder eine andere Art der Lösung von Verbindungen zwischen den vorbestimmten Teilen. Die Sollbrauchstelle kann eine geplante oder ungeplante strukturelle Schwachstelle zwischen den Teilen sein. Möglicherweise können die einzelnen Teile für sich betrachtet eine Gleitzahl haben, die höher ist, als man bereit wäre zu akzeptieren. Um in ein Gleiten zu gelangen, muss ein Trümmerteil eine mehr oder weniger stabile Lage erreichen. Wenn Trümmerteile allerdings miteinander durch ein oder mehr biegeschlaffe Verbindungselemente verbunden sind und wenn diese biegeschlaffen Verbindungselemente, wie in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, nicht symmetrisch an den Teilen angebracht sind, d.h. beispielsweise auf einer Seite der jeweiligen Struktur mit dem jeweiligen Teil verbunden sind, wird eine Interaktion zwischen diesen verbundenen Teilen ermöglicht. Diese Interaktion vermeidet, dass ein Trümmerteil eine stabile Lage erreicht, womit sich die Gleitfähigkeit der Trümmerteile stark reduziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Risikominimierung beim Flugabbruch eines Flugsystems betrifft die Verwendung einer Verbindung von einzelnen Teilen des Fahrzeugs des Flugsystems durch biegeschlaffe Verbindungselemente, wobei bei einem Flugabbruch die einzelnen Teile voneinander getrennt werden. Vor dem Start sind die biegeschlaffen Verbindungselemente verstaut, sodass sie durch Bewegungen keine Schäden anrichten können. Die Positionierung der Befestigungspunkte ist so ausgewählt, dass die Achse zwischen einem Befestigungspunkt und dem Schwerpunkt des Trümmerteils keine Symmetrieachse ist. Die Länge des biegeschlaffen Verbindungselements ist so bemessen, dass Bewegungsfreiheit zwischen den Trümmerteilen hergestellt ist. Wie die Teilung der einzelnen Teile erfolgt, d.h. insbesondere ob die Teilung aktiv oder passiv erfolgt, ist nicht von Bedeutung. Eine aktive Teilung kann dabei beispielsweise durch eine kontrollierte Sprengung oder ein anderes aktiv herbeigeführtes Lösen der Einzelteile erfolgen. Eine passive Teilung kann beispielsweise durch eine eingebaute Strukturschwäche zwischen Einzelteilen erfolgen, wobei bei einem Flugabbruch die entsprechenden, von außen auf das Fahrzeug einwirkenden beispielsweise durch eine Lageänderung während des Flugs des Fahrzeugs Kräfte zu einem Versagen der Struktur des Fahrzeugs an der entsprechenden Stelle führt. Nach der Teilung werden die Teile im Rahmen ihrer Bewegungsfreiheit versuchen, eine stabile Lage zu erreichen. Die Fallgeschwindigkeit und die Änderung der Lage führen dazu, dass sich die Spannung der biegeschlaffen Verbindungselemente zwischen den Teilen ändert. Wenn ein biegeschlaffes Verbindungselement gespannt wird, wird eine Interaktion zwischen Lage und Fallgeschwindigkeit der Teile erzeugt und die stabile Lage wird nicht erreicht bzw. nicht eingehalten. Damit kann der Auftrieb der Teile stark reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Flugsystem weist ein Fahrzeug auf, das einzelne Teile aufweist, wobei die einzelnen Teile durch ein biegeschlaffes Verbindungselement miteinander verbunden sind.
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Die Vorteile der Erfindung sind dabei, dass hiermit das Absturzgebiet der Trümmerteile deutlich reduzierbar ist, wobei die Vorrichtung leicht ist, keine Einfluss auf die Steifigkeit des Fahrzeugs hat, kostengünstig herstellbar und einbaubar ist, und nur einen sehr geringen Einfluss auf die Gestaltung eines Fahrzeugs eines Flugsystems hat. Insbesondere ist das System passiv oder zumindest teilpassiv. Ein passives System benötigt keine externe Energie, womit dies auch eine zuverlässige Lösung darstellt, da es unabhängig von anderen Subsystemen ist. Falls eine Sprengung vorgesehen ist, ist das System teilpassiv, da die Reduzierung der Gleitzahl nach der Sprengung unabhängig von weiteren aktiven Subsystemen ist. Durch die Sollbruchstellen kann, werden die Teile mittels kontrollierter Sprengung voneinander getrennt, mit wenig Sprengstoff gearbeitet werden, wobei auch andere, sprengstofffreie Trennverfahren möglich sind. Das System selbst ist teilpassiv und damit gegenüber ausschließlich aktiven Systemen ausfallsicherer. Durch die Verbindung der Trümmerteile untereinander wird die Gleitzahl der Gesamtheit der miteinander verbundenen Trümmerteile drastisch reduziert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das System passiv, d.h. es verzichtet auch auf eine aktiv eingeleitete Trennung der Teile. Die Sollbruchstellen können beispielsweise so ausgelegt werden, dass eine Trennung der Teile durch beispielsweise anormale Flugbedingungen, d.h. Flugbedingungen, die im normalen Flugbetrieb nicht erreicht werden, ausgelöst wird.
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Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein können. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametern im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Es zeigen
- 1 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 100 eines Flugsystems in Form einer Raketenspitze einer Trägerrakete eines Raumtransportsystems
- 2 das erfindungsgemäße Fahrzeug 100 aus 1 nach der Teilung.
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1 zeigt ein Teil als Raketenspitze eines erfindungsgemäßes Fahrzeug 100 eines Raumtransportsystems. Die Trägerrakete weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Teile 1, 2, 3 auf. Dies können als Teil 1 die Raketenspitze als Verkleidung, als Teil 2 das sog. VEB (vehicle equipment bay), also der Teil, in das Ausrüstung oder auch die Nutzlast des Fahrzeugs untergebracht ist, und als Teil 3 der Tank für die Gewinnung von Antriebsenergie in einem Triebwerk (nicht gezeigt), beispielsweise ein Wasserstofftank sein. Teil 3 kann aber auch mehrere, beispielsweise zwei Tanks und/oder ein Triebwerk enthalten. Die einzelnen Teile 1, 2, 3 des Fahrzeugs 100 des Raumtransportsystems sind durch biegeschlaffe Verbindungselemente 10, hier Kabel, miteinander verbunden. Zwischen den Teilen existieren Sollbruchstellen S1/2 , S2/3 , an denen das Fahrzeug 100 im Falle eines Flugabbruchs teilbar ist. Diese Sollbruchstellen müssen nicht zwingend die Nahtstellen der einzelnen Teile sein. Die biegeschlaffen Verbindungselemente 10 sind nicht symmetrisch an den Teilen 1, 2, 3 angebracht, d.h. sie sind nicht auf genau einer Seite der jeweiligen Struktur mit dem jeweiligen Teil 1, 2, 3 angebracht. Durch die Anbringung der biegeschlaffen Verbindungselemente 10 wird sichergestellt, dass die fallenden Trümmerteile 1, 2, 3 keine stabile Lage im Flug erreichen. Die biegeschlaffen Verbindungselemente 10 sind an Befestigungspunkten 11, 12 und 13 jeweils an den Teilen 1, 2 und 3 angebracht. Bei mehreren biegeschlaffen Verbindungelementen 10 müssen diese nicht zwingend die gleiche Befestigungspunkte 11, 12, 13 haben. Vor dem Start sind die biegeschlaffen Verbindungselemente 10 verstaut, sodass sie durch Bewegungen keine Schäden anrichten können. Die Positionierung der Befestigungspunkte 11, 12, 13 ist so ausgewählt, dass die Achse zwischen einem Befestigungspunkt 11, 12, 13 und dem Schwerpunkt des Teils 1, 2, 3, also des später nach der Teilung entsprechenden Trümmerteils 1, 2, 3, keine Symmetrieachse ist. Die Teile 1, 2, 3 können mit genau einem biegeschlaffen Verbindungselement 10 verbunden sein. Die Teile 1, 2, 3 können auch mit jeweils genau einem Verbindungselement 10 verbunden sein, d.h. dass das biegeschlaffe Verbindungselement 10 nicht durchgehend, sondern geteilt ausgestaltet ist. Daher ist in der Figur das biegeschlaffe Verbindungselement 10 innerhalb von Teil 2 gestrichelt dargestellt. Wichtig ist, dass jeweils eins der Teile 1, 2, 3 mit mindestens jeweils einem anderen Teil 1, 2, 3 verbunden ist. Es ist also möglich, dass Teil 1 mit Teil 2 verbunden, Teil 2 mit Teil 3 verbunden und auch dass Teil 1 gleichzeitig mit Teil 3 verbunden ist. Die Länge des biegeschlaffen Verbindungselements 10 ist so bemessen, dass Bewegungsfreiheit zwischen den Trümmerteilen 1, 2, 3 hergestellt ist. Die einzelnen Trümmerteile 1, 2, 3 würden ohne die Verbindung untereinander bei einem Flugabbruch im Wesentlich in einer Trajektorie zur Erde gleiten und damit je nach Höhe, bei der der Flugabbruch geschieht, einen großen Weg zurücklegen können.
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In der Figur ist aus Übersichtlichkeitsgründen die Verbindung der Teile 1, 2, 3 untereinander mit nur einem biegeschlaffen Verbindungselement 10 gezeigt. Das biegeschlaffe Verbindungselement 10 kann auch wie oben bereits erklärt geteilt ausgeführt sein, so dass es nicht wie in der Figur gezeigt ein insbesondere durch Teil 2 hindurchgeführtes biegeschlaffes Verbindungselement 10 ist. Darüber hinaus können die Verbindungen der Teile 1, 2, 3 untereinander auch durch zwei oder mehrere, redundante biegeschlaffe Verbindungselemente 10 ausgeführt sein, so dass die Sicherheit auch bei Versagen eines einzelnen biegeschlaffen Verbindungselements 10 oder Befestigungspunkts 11, 12 oder 13 erhöht ist.
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2 zeigt das erfindungsgemäße Fahrzeug 100 aus 1 nach der Teilung. Die Trennung der Teile 1, 2, 3 erfolgt entweder durch eine gezielte Sprengung oder eine andere Art der Lösung von Verbindungen zwischen den vorbestimmten Teilen 1, 2, 3. Die Teile 1, 2, 3 sind jeweils über eine Sollbruchstelle S1/2 , S2/3 verbunden. Die Sollbruchstelle S1/2 , S2/3 kann eine geplante oder ungeplante strukturelle Schwachstelle zwischen den Teilen 1, 2, 3 sein. Nach der Teilung wird durch das asymmetrisch an den Teilen 1, 2, 3 angebrachten Kabel 10 eine Interaktion zwischen diesen verbundenen Teilen 1, 2, 3 ermöglicht. Diese Interaktion vermeidet, dass ein Trümmerteil 1, 2, 3 eine stabile Lage erreicht, womit sich die Gleitfähigkeit der Trümmerteile 1, 2, 3 reduziert. Nach der Teilung werden die Teile 1, 2, 3 während des Fluges im Rahmen ihrer Bewegungsfreiheit versuchen, eine stabile Lage zu erreichen. Die Fallgeschwindigkeit und die Änderung der Lage führen dazu, dass sich die Spannung der biegeschlaffen Verbindungselemente 10 zwischen den Teilen 1, 2, 3 ändert. Wenn ein biegeschlaffes Verbindungselement 10 gespannt wird, wird eine Interaktion zwischen Lage und Fallgeschwindigkeit der Teile 1, 2, 3 erzeugt und die stabile Lage wird nicht erreicht bzw. nicht eingehalten. Damit wird sehr wenig Auftrieb erzeugt und die Trümmerteile 1, 2, 3 folgen einer gut vorhersehbaren, fast ballistische Bahn.
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Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Teil, erstes Trümmerteil
- 2
- zweites Teil, zweites Trümmerteil
- 3
- drittes Teil, drittes Trümmerteil
- 10
- biegeschlaffes Verbindungselement, Kabel
- 11
- Befestigungspunkt eines biegeschlaffen Verbindungselements am ersten Teil
- 12, 12a, 12b
- Befestigungspunkt eines biegeschlaffen Verbindungselements am zweiten Teil
- 13
- Befestigungspunkt eines biegeschlaffen Verbindungselements am dritten Teil
- 100
- Fahrzeug eines Flugsystems, Rakete
- S1/2
- Sollbruchstelle zwischen Teil 1 und Teil 2
- S2/3
- Sollbruchstelle zwischen Teil 2 und Teil 3
