{"id":13374,"date":"2018-05-05T19:22:48","date_gmt":"2018-05-05T17:22:48","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=13374"},"modified":"2018-05-05T19:22:48","modified_gmt":"2018-05-05T17:22:48","slug":"tutorial-rakete-exe-die-raketendaten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2018\/05\/05\/tutorial-rakete-exe-die-raketendaten\/","title":{"rendered":"Tutorial Rakete.exe: Die Raketendaten"},"content":{"rendered":"<p>Eigentlich wollte ich heute was &uuml;ber das zweite Buch &uuml;ber Raumsonden schreiben, das ich letzte Woche in den Druck gegeben habe. Aber obwohl ich inzwischen die Rechnung bekommen habe und auch die Nachricht, dass die drei bestellten Exemplare verschickt sind (f&uuml;r mich und die beiden Korrekturleser), aber offiziell ist es noch nicht erschienen. Daher als F&uuml;ller wieder ein Blog &uuml;ber mein Programm, der f&uuml;r sich alleine etwas sinnlos erscheint, aber ich habe mir vorgenommen, das Programm nachdem ich seit mindestens 15 Jahren unter Windows (wenn man Vorg&auml;ngerversionen unter anderen Betriebssystemen hinzunimmt, sogar &uuml;ber 30 Jahre) werkele zu dokumentieren und die Blogs werden dann mal zusammengefasst. Nebenbei gehe ich dazu systematisch alle Dialoge durch und schaue, wo man was verbessern kann. Derzeit bin ich bei den Bahnberechnungen fast durch, es fehlen noch Swing-By und <span style=\"font-family: 'Arial Narrow', sans-serif;\">\u0394<\/span>V-Man&ouml;ver bei Swing-By. Als Folge denke ich wird das <a href=\"\/download\/rakete.zip\">Programm<\/a> f&uuml;r Benutzer auch besser nutzbar. Letztendlich soll aus den Blogs dann die Hilfe entstehen, die es derzeit noch nicht gibt.<!--more--><\/p>\n<p>Beim heutigen Tutorial geht es um die Raketendaten selbst. Das Programm besteht ja aus zwei weitestgehend unabh&auml;ngigen Teilen: der Berechnung von Nutzlasten und Bahnen von Raketen und allgemeinen himmelsmechanischen Berechnungen. Die Verkn&uuml;pfung geht &uuml;ber die nach der Bahnberechnung feststehende Zielgeschwindigkeit.<\/p>\n<p>Es gibt mindestens 250 Subvarianten von Raketen, alleine die USA haben die H&auml;lfte davon gestellt. Andere Nationen sind da sparsamer. Indien kam bisher mit 7 Subversionen aus. Sie alle in eine Datei zu packen w&auml;re un&uuml;bersichtlich. Wenn ihr das Programmarchiv entpackt, seht ihr eine Menge an .rakdat Dateien. Das wird weniger werden, weil ich f&uuml;r die Aufstiegssimulation viele Raketen rausschmei&szlig;en werde. F&uuml;r Letztere braucht man erheblich mehr Daten, als wie f&uuml;r die einfache Simulation, die ich schon besprochen habe. Daher entfallen viele hypothetische Raketen. Noch sind auch nicht alle Dateien soweit vervollst&auml;ndigt. Daten &uuml;ber Aufstiegssimulationen gibt es bei Atlas, Delta, Titan, Europa, China und teilweise bei Saturn. Schlussendlich will ich nur noch wenige thematisch geordnete Dateien haben. Es wird noch die restlichen US-Tr&auml;ger geben und dann noch Dateien f&uuml;r Indien, Japan, China, Europa, Russland und alle anderen existenten Tr&auml;ger.<\/p>\n<p>Die Dateien sind Textdateien im Windows INI-Format, dass hei&szlig;t man kann sie in einem Texteditor &ouml;ffnen. Die Systematik ist recht einfach. Jeder Eintrag hat die Form \u201eSchl&uuml;sselname=Wert\u201c. Es gibt am Anfang die Sektion [Basisdaten], die die Anzahl der Raketen enth&auml;lt. Jede Rakete enth&auml;lt dann eine Sektion mit dem Namen [Rakete(n)}, wobei n von 1 bis Anzahl geht und die Daten jeder Rakete. Gibt es im Record ein Array, wie z.B. bei den Stufenmassen, so sind die Felder durchnummeriert, wie \u201eleermasse6=1902\u201c.<\/p>\n<p>Wer die Daten selbst parst, sollte darauf vorbereitet sein, dass neue Felder hinzukommen k&ouml;nnen, dazu noch sp&auml;ter mehr. Wenn es jemanden interessiert, dem kann ich auch die Typdeklaration und Lese\/Schreibroutinen in Pascal zukommen lassen, das ist relativ einfach auf andere Sprachen &uuml;bertragbar.<\/p>\n<p>Im Dateimen&uuml; kann man die Daten dann bearbeiten. Dazu geh&ouml;rt das Laden und Speichern. Letzteres sollte man nicht vergessen, wenn man z.B. bei der Aufstiegssimulation was ver&auml;ndert hat. Dann kann man das Programm aber auch nicht so einfach beenden, sondern muss eine R&uuml;ckfrage zum Speichern beantworten.<\/p>\n<p>Unter dem Programmpunkt \u201eBeenden\u201c findet ihr eine Liste der letzten bearbeiteten Daten und zwei Punkte um die ganze Liste oder nur obsolete Eintr&auml;ge zu l&ouml;schen obsolete Eintr&auml;ge sind Eintr&auml;ge bei denen die dazugeh&ouml;rige Datei nicht mehr existiert. Wenn ihr auf einen der Eintr&auml;ge klickt, dann k&ouml;nnt ihr ihn &ouml;ffnen. Beim Programmstart tr&auml;gt sich Rakete auch als Eigent&uuml;mer von .rakdat Dateien ein, sodass ihr durch Doppelklick auf eine rakdat Datei das Programm im Explorer mit dieser Datei als Vorgabe starten k&ouml;nnt. Es ist nur immer eine Datei zur Laufzeit aktiv.<\/p>\n<p>Wenn man dann mehrere Dateien hat, kommt oft der Wunsch auf Raketen zwischen ihnen auszutauschen. Dazu gibt es folgende Programmpunkte:<\/p>\n<h3 class=\"western\">Raketen in eine andere Datei kopieren<\/h3>\n<p>Kopiert Raketen in eine neue Datei oder h&auml;ngt sie an eine existierende Datei an. Die Raketen sind dann in beiden Dateien vorhanden. Es erscheint zuerst ein Auswahlfeld, indem man in einer Checkliste alle Raketen anw&auml;hlen kann, dann ein &Ouml;ffnendialog, bei dem ihr die Datei angeben m&uuml;sst, in dem die Raketen landen (neue oder existierende Datei). Die Raketen werden dann dorthin kopiert. Das Ergebnis seht ihr erst, wenn ihr die Datei &ouml;ffnet, weil die Operation die aktuell ge&ouml;ffnete Datei nicht ver&auml;ndert.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Raketen aus einer Datei importieren.<\/h3>\n<p>Erg&auml;nzt die aktuelle Datei um Raketen, die es in einer anderen Datei gibt. Auch hier gibt man zuerst die Datei an aus der man die Raketen importieren will. Sie muss nat&uuml;rlich existieren. In der Auswahlbox sieht man dann alle Tr&auml;ger, die es in dieser Datei gibt, und kann die anw&auml;hlen, die man hinzuf&uuml;gen will. Danach hat man eine aktualisierte Datei mit mehr Tr&auml;gern, die man nat&uuml;rlich speichern muss. Die Raketen werden aus der Ursprungsdatei nicht gel&ouml;scht.<\/p>\n<p>Die beiden Punkte machen also dasselbe. Der einzige Unterschied ist, dass man einmal die gerade ge&ouml;ffnete Datei bearbeitet und einmal eine Datei, die nicht gerade offen ist.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Raketen in eine andere Datei verschieben.<\/h3>\n<p>Bei diesem Punkt sieht es anders aus. Die Vorgehensweise ist die gleiche wie beim Kopieren, nur werden die Raketen dann aus der aktuellen Datei gel&ouml;scht, sind dann also nur noch in der zweiten Datei vorhanden.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Raketen l&ouml;schen<\/h3>\n<p>Raketen kann man noch in den beiden Bearbeitungsdialogen l&ouml;schen, aber hier an zentraler Stelle geht es genauso. Auch hier: in der Checkliste alle Raketen markieren die gel&ouml;scht werden sollen (nicht die, die man behalten will) und auf OK clicken.<\/p>\n<h3 class=\"western\">HTML Ausgabe<\/h3>\n<p>Die Daten muss man nat&uuml;rlich auch in leserlicher Form ausgeben k&ouml;nnen. Im Dateimen&uuml; gibt es nur eine Gesamt&uuml;bersicht mit den wesentlichen Daten. In der Aufstiegssimulation kann man f&uuml;r jede Rakete eine viel ausf&uuml;hrlichere &Uuml;bersicht mit Diagrammen generieren. HTML habe ich genommen, weil ich es so einfach in meine Webseiten und Blogs integrieren kann.<\/p>\n<p>Die Formatierung kann man durch ein im HEAD der HTML-Seite eingebettetes CSS beeinflussen. Bei Einstellungen \u2192 CSS Editor kann man das Vorgabe CSS des Programms ver&auml;ndern. Im Prinzip bestehen die Eintr&auml;ge fast nur aus Tabellen, sodass die Tabellentags wie table, th,td und tr wichtig sind. Ihr k&ouml;nnt in dem Editor mit Syntax-Hervorhebung das CSS editieren, von woanders einf&uuml;gen oder Speichern\/laden. Der jeweils letzte Stand des Editors ist die Vorgabe f&uuml;r erzeugte HTML-Seiten, das hei&szlig;t, wenn ihr nur ein Stylesheet verwendet reicht es dieses zu editieren. Ansonsten muss man das jeweilige CSS laden, bevor man eine HTML-Ausgabe startet. Die gibt es auch bei der Raketenkonstruktion und dem Tabellenexport. Wie ein Eintrag mit dem aktuellen Style aussieht, verr&auml;t die Vorschau. Sie &ouml;ffnet ein Listing der ersten Rakete im Browser.<\/p>\n<p>Damit w&auml;re ich mit dem Besprechen des Datei Men&uuml;s durch, nun nun zu something completely same \u2026<\/p>\n<h3 class=\"western\">Die Aufstiegssimulation reloaded<\/h3>\n<p>Wer nun einen Ausflug in die Aufstiegssimulation macht, um z. B. das 15 km Turm Szenario durchzurechnen (nein ich rechne nix mehr durch, ihr habt nun das gleiche Werkzeug wie ich in der Hand) sieht einige kleine &Auml;nderungen. Die ganzen Startbedingungen habe ich nun in einen eigenen Dialog Bearbeiten \u2192 Starteinstellungen ausgegliedert.<\/p>\n<p>Dort findet ihr auch den Button \u201eK&ouml;rper\u201c. Der &ouml;ffnet den Dialog, um den Himmelsk&ouml;rper f&uuml;r die Berechnung zu w&auml;hlen. Dieser Dialog wird euch noch &ouml;fters im Programm begegnen, da das Programm universell ist. In der Aufstiegssimulation, die aber normalerweise nur f&uuml;r die Erde benutzt wird, gibt es aber eine &Auml;nderung: Die Auswahl hier ist nur tempor&auml;r. Das hei&szlig;t, sobald man eine andere Rakete ausw&auml;hlt oder den Dialog der Aufstiegssimulation zumacht, wird wieder die Erde als Vorgabe gesetzt.<\/p>\n<p>Damit kann man nun auch Aufstiegsbahnen von allen acht Planeten und rund 80 Monden des Sonnensystems simulieren. F&uuml;r vier K&ouml;rper: Erde, Venus, Mars und Titan gibt es auch eine Modellatmosph&auml;re (ich habe f&uuml;r die Riesenplaneten auf eine Atmosph&auml;re verzichtet, da diese keine feste Referenzoberfl&auml;che haben). Sie ist immer einfach modelliert und gehorcht dem hydrostatischen Gleichgewicht, das hei&szlig;t, die Dichte nimmt mit einer festen Skalenh&ouml;he um den Faktor e (2,71&#8230;) ab. Bei der Erde betr&auml;gt die Skalenh&auml;he 8,4 km. Die Dichte wird jeweils auf die mittlere Oberfl&auml;che bezogen.<\/p>\n<p>Um zu testen ob das funktioniert, habe ich zuerst die Apollo Aufstiegsstufe modelliert. Die Daten habe ich dem Apollo 11 Presskit genommen. Wie im Presskit komme ich auf eine Brennschlussh&ouml;he von nur 20 km. Das liegt an der extrem geringen Beschleunigung von rund 1 m\/s. Bei einem 20 x 100 km Transferorbit bleibt eine Restmasse von 270 kg unverbrauchtem Treibstoff, das entspricht in etwa einer Zusatzmasse von derselben Gr&ouml;&szlig;e (Astronauten, Ausr&uuml;stung, Bodenproben).<\/p>\n<p>Das N&auml;chste war die Frage, welches dV eine Marsbodenprobenentnahme hat. Zwei Stufen mit 4 \/ 0,4 und 2 \/ 1 t Masse und spezifischem Impuls von jeweils 3200 m\/s k&ouml;nnen 450 kg in eine 140 x 500 km elliptische Umlaufbahn bef&ouml;rdern. Die zwei Stufen sind n&ouml;tig, weil ich relativ schnell starte (mit 10 m\/s, davon bleiben noch 5,8 m\/s netto &uuml;brig, wenn man die Gravitation abzieht) und man sonst nicht auf die richtige H&ouml;he kommt, daher habe ich eine zweite Stufe mit geringerem Schub (2,5 m\/s Beschleunigung) modelliert um die H&ouml;he zu erreichen. Der Luftwiderstand ist mit 27 m\/s etwa um den Faktor 4-8 kleiner als bei einer irdischen Rakete. Die Aufstiegsverluste betragen hier nur 400 m\/s, sodass man auch langsamer starten k&ouml;nnte, mit nur einer Stufe.<\/p>\n<p>Ganz interessant war es bei Titan. Titan ist eine Herausforderung. Die Atmosph&auml;re ist am Boden dreimal dichter als auf der Erde. Vor allem aber hat er eine Skalenh&ouml;he von 21 km. Das bedeutet: Wenn wir annehmen, dass die Atmosph&auml;re auf der Erde in 120 km H&ouml;he keine Rolle mehr spielt, dann w&uuml;rde man dasselbe Dichtenvieau (wichtig f&uuml;r den Luftwiderstand) auf Titan erst in 335 km H&ouml;he erreichen, denselben Drcuk sogar erst in 357 km H&ouml;he (ist unterschiedlich, weil die Temperatur unterschiedlich ist). Huygens hing in 155 km H&ouml;he schon am Fallschirm. Die Atmosph&auml;re erstreckt sich bis in 950 km H&ouml;he \u2013 zumindest Cassini musste diesen Abstand einhalten bei den Vorbeifl&uuml;gen. Ich nahm dieselbe Aufstiegsstufe wie bei Mars und musste mehrfach optimieren so die zweite Stufe im Gewicht reduzieren und den spezifischen Impuls auf 3400 \/ 3500 m\/s erh&ouml;hen, damit ich schlie&szlig;lich einen 1000 x 1200 km Orbit erreichte. Mit Ach und Krach gelangen 200 kg in einen Orbit, weniger als beim Mars, obwohl die Orbitalgeschwindigkeit viel kleiner ist. Die Aufstiegsverluste sind enorm. Die addierten Luftwiderstandsverluste laufen auf &uuml;ber 8000 m\/s auf, doch die Zahl ist etwas irref&uuml;hrend, weil sie aus einer Energie berechnet wurde. Macht man eine Rechnung nach der Ziolkowskigleichung, so sind es immerhin noch 3,6 km\/s Verluste durch Gravitation und vor allem Luftwiderstand \u2013 die zu erreichende Orbitalgeschwindigkeit betr&auml;gt nur 2,13 km\/s. Beim Mars mit 3,4 km Orbitalgeschwindigkeit sind es nur 0,4 km\/s.<\/p>\n<p>Wenn ihr anfangt, mit dem Punkt zu spielen so m&uuml;sst ihr noch eins beachten: Ich habe die Simulation nur leicht angepasst. Nach wie vor sind die Eintr&auml;ge f&uuml;r Bodenschub und Vakuumschub auf das Bodenniveau bezogen, nicht das 1-bar-Niveau. Das bedeutet: Beim Mars (Start bei 6-10 mb Bodendruck, entsprechend einem Druck in 30 km H&ouml;he) sind die Werte f&uuml;r Boden- und Vakuumschub fast gleich hoch. Bei Titan m&uuml;sste man den Bodenwert stark absenken, denn hier betr&auml;gt der Au&szlig;endruck 14,67 bar. Doch das muss man nun individuell mit FCEA berechnen. Ebenso habe ich deswegen keinen Aufstieg von der Venus modelliert: bei 92 Bar Au&szlig;endruck ist der Au&szlig;endruck h&ouml;her als bei den meisten Raketentriebwerken in der Brennkammer, zudem ist die Atmosph&auml;re um den Faktor 25 dichter als bei Titan, man w&uuml;rde nie einen Orbit erreichen.<\/p>\n<p>Nun nochmals zur&uuml;ck zur Apollo-Aufstiegsstufe. Mich interessiert nat&uuml;rlich f&uuml;r eine zuk&uuml;nftige Mission, ob man hier nicht was optimieren kann. Die Startbeschleunigung ist ja klein. Ich habe das Triebwerk mal einfach durch ein (schon damals existierendes) AJ-10 ausgetauscht, das mit 36 kN den doppelten Schub hat. Die Startbeschleunigung ist dann immer noch unter einem G. Bei unver&auml;ndertem spezifischen Impuls (das AJ.10 h&auml;tte einen etwas besseren Impuls) erh&auml;lt man nur 90 kg Nutzlast trotz stark reduzierter Brennzeit. Woran liegts? Nun an den Nebenbedingungen der Simulation. Ausgerichtet auf die Simulation auf der Erde erlaube maximal eine drehung um 1,2 Grad\/s. Um von 90 auf 0 Grad zu kommen, braucht man so schon 75 s, das ist bei 200 s Gesamtbrennzeit eine lange Zeit in der viel Energie in die H&ouml;henarbeit gesteckt wird, die dann bei der horizontalen Beschleunigung f&auml;llt. L&auml;sst man diese Einschr&auml;nkung weg, so kommt man auf 187 kg Nutzlast, aber immer noch weniger als bei der originalen Aufstiegsstufe.<br \/>\n<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg06.met.vgwort.de\/na\/0d6fcd09af8140e3bd8f82359e0694d2\" alt=\"\" width=\"1\" height=\"1\" \/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Eigentlich wollte ich heute was &uuml;ber das zweite Buch &uuml;ber Raumsonden schreiben, das ich letzte Woche in den Druck gegeben habe. Aber obwohl ich inzwischen die Rechnung bekommen habe und auch die Nachricht, dass die drei bestellten Exemplare verschickt sind (f&uuml;r mich und die beiden Korrekturleser), aber offiziell ist es noch nicht erschienen. 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