DRAMA / SESAM

Hintergrund

Gesteuerte Wiedereintrittskörper wie das Space Shuttle sind so ausgelegt, dass sie die mechanischen und thermischen Belastungen während des Abstiegs zur Erdoberfläche überstehen können. Andere Objekte, wie z.B. Raketenstufen und Satellitentrümmer treten unkontrolliert in die dichteren Atmosphärenschichten ein. Gewöhnlich verglühen diese Objekte während des Wiedereintritts, doch sehr schwere oder kompakte Bruchstücke können den Erdboden erreichen, wie dies bereits mehrfach der Fall beim Wiedereintritt von ausgedienten Raumstationen der Fall gewesen ist (Skylab, Kosmos 1686, Mir).

Bisher gingen diese Trümmer glücklicherweise nur über dünnbesiedeltem Gebiet herunter, doch für die Zukunft mit ständig steigender Zahl von Objekten im Weltraum und damit steigender Anzahl von möglichen Einschlägen auf der Erdoberfläche ist ein Werkzeug zur Vorhersage der Entstehung und Verteilung der Trümmer von unkontrollierten Wiedereintrittskörpern von großer Wichtigkeit. Dies gilt insbesondere für ausgediente Satelliten mit nuklearem Antrieb. Für Raumfahrzeuge mit zumindest teilweiser Steuerbarkeit kann solch ein Vorhersagewerkzeug Empfehlungen bezüglich der Wahl der Eintrittsbedingungen geben, falls das Objekt nach Beendigung seiner Mission seine Erdumlaufbahn verlassen und durch gezielt herbeigeführten Wiedereintritt möglichst vollständig zerstört werden soll.

Die Berechnung des Wiedereintritts eines Satelliten in die Erdatmosphäre ist physikalisch ein sehr komplexer Prozess. Eine vollständige mathematische Behandlung dieses Vorgangs wäre heutzutage allenfalls mit Großrechnern näherungsweise möglich. Um diesen Vorgang dennoch mit begrenzter Rechnerkapazität überhaupt behandeln zu können, sind stark vereinfachende Annahmen erforderlich. Dabei gibt es zwei Ansätze: 1. die real vorhandenen Ressourcen maximal zu nutzen, 2. noch weitere Vereinfachungen vorzunehmen, um sogar parametrische Studien durchführen zu können. Das Programm SESAM verfolgt den zweiten Ansatz.

Funktionalität

Das Programm SESAM ("Spacecraft Entry Survival Analysis Module") wurde entwickelt, um die nach einem Wiedereintritt eines Satelliten in die Erdatmosphäre überlebenden Bruchstücke zu ermitteln und daraus das Risiko eines Schadens für die Erdbevölkerung ableiten zu können. SESAM ist Bestandteil einer Reihe von Programmen, die unter dem Programmsystem DRAMA ("Debris Risk Assessment and Mitigation Analysis") zusammengefasst sind und die sich mit verschiedenen Aspekten von Trümmern (engl. Debris) im Weltraum befassen. Für die Berechnung des Risikos für die Bevölkerung als Folge der überlebenden Trümmer beim Wiedereintritt ist ebenfalls ein eigenes Programm zuständig: SERAM ("Spacecraft Entry Risk Analysis Module"). SERAM wertet dafür die Ergebnisse von SESAM aus.

Für die Berechnung des Wiedereintritts eines Satelliten wird zunächst ein Modell des Satelliten erstellt. Dann werden Anfangswerte für Ort, Zeit und Geschwindigkeit vorgegeben und die Bewegung des Modells in der Atmosphäre durch numerische Integration über die Zeit berechnet. Das Satellitenmodell ist in SESAM sehr einfach aufgebaut. Es besteht aus einem Behälter, der den äußeren Satellitenkörper repräsentieren soll, und darin enthaltene einfache geometrische Objekte, wie Kugel, Zylinder, Quader und Platte. Diese Objekte sind durch ihre Abmessungen, ihre Masse und ihr Material charakterisiert. Charakteristisch für Programme wie SESAM ist nun die Annahme, dass der Behälter in einer bestimmten Flughöhe sozusagen platzt und die enthaltenen Objekte freisetzt. Jedes der Objekte wird danach separat weitergerechnet. Die Freisetzungshöhe ist im Prinzip ein freier Parameter, wird aufgrund von Erfahrung aus beobachteten Ereignissen aber üblicherweise zu 78 km gewählt.

Die Bewegung der Objekte wird durch die auf sie wirkenden Kräfte bestimmt. Berücksichtigt werden die Erdgravitation und aerodynamische Kräfte (Widerstand, Auftrieb, Seitenkraft). Die Eigenbewegung wird als taumelnd angenommen. Für die Bahnberechnung bedeutet das, dass keine Drehmomente berechnet werden müssen. Ausserdem wird die Temperatur der Objekte berechnet. Dies erfolgt mit Hilfe von Näherungsformeln für den Wärmefluss als Funktion der lokalen atmosphärischen Dichte, der Fluggeschwindigkeit und einem Koeffizienten, der von der Form und der Größe der Objekte abhängt. Aus dem Wärmefluss und der Wärmekapazität des Objekts ergibt sich die Temperaturänderung. Erreicht die Temperatur die Schmelztemperatur des Objekts, bleibt sie konstant und die Masse nimmt stattdessen durch Schmelzen ab. Auf diese Weise können Objekte während des Wiedereintritts entweder ganz oder mit reduzierter Masse den Erdboden erreichen oder vollständig verglühen.

Das Konzept von SESAM ist sehr einfach. Durch die Modellierung wird schon im Voraus festgelegt, welche Art von Trümmern überhaupt entstehen und in welcher Höhe. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie sehr schnell zu berechnen ist. Dadurch können in relativ kurzer Zeit eine große Zahl von Berechnungen durchgeführt werden. Dies ist von Vorteil, wenn man sich einen ersten Eindruck von den zu erwartenden Ergebnissen verschaffen will, wie z.B. in der Konzeptphase eines neuen Satelliten oder zu einem frühen Zeitpunkt vor dem erwarteten Wiedereintritt. Für eine genauere Analyse muss man komplexere Programme heranziehen, die entsprechend zeitaufwendiger arbeiten, wie z.B. SCARAB.

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