RAMSES

Hintergrund

Satelliten, die sich in niedrigen Erdumlaufbahnen befinden, verlieren durch den Einfluß des Luftwiderstands kontinuierlich an Flughöhe, so dass sie ohne zusätzliche Massnahmen nach einer gewissen Zeit in die dichteren Atmosphärenschichten eintreten und infolge dessen zur Erdoberfläche stürzen. Für das Design, den Betrieb und die Berechnung des Wiedereintritts solcher Satelliten ist daher eine genaue Kenntnis der aerodynamischen Eigenschaften erforderlich.

  • Beim Design großer Strukturen beeinflussen der aerodynamische Widerstand und die aerodynamischen Momente die Auslegung des Antriebssystems und des notwendigen Treibstoffvorrats zur Kompensation des Widerstands und zur Stabilisierung des Satelliten.
  • Während des Betriebs sind die aerodynamischen Eigenschaften von besonderem Interesse für die Bahnberechnung, die Missionsplanung und für die Lebensdauervorhersage.
  • Beim Wiedereintritt lassen sich bei Kenntnis der aerodynamischen Kräfte und Momente zum einen korrigierende Manöver planen, die den Satelliten in der Bahn halten bzw. deren Lage stabilisieren, zum anderen hilft diese Kenntnis bei einem unkontrollierten Absturz bei der Abschätzung bzw. Berechnung der Bahn und der Eigenbewegung des Satelliten.

Funktionalität

Das Programm RAMSES ("Rarified Aerodynamics Modeling System for Earth Satellites") wurde entwickelt, um die aerodynamischen Eigenschaften von Satelliten beliebiger Geometrie im Orbit und während der frühen Wiedereintrittsphase berechnen zu können. Eine vollständige Berechnung der Strömung um den Satelliten erforderte die Lösung der strömungsmechanischen Grundgleichungen (Boltzmann, Navier-Stokes) einschließlich chemischer Reaktionen. Dies ist selbst für aerodynamisch geformte Körper nur mit hohem Rechenaufwand möglich. Die aerodynamischen Eigenschaften, die zur Berechnung der Wiedereintrittsbahn nötig sind, lassen sich jedoch mit guter Genauigkeit durch semi-empirische Näherungsverfahren gewinnen. Solche Verfahren kommen in RAMSES zur Anwendung.

Die RAMSES-Software besteht aus mehreren Subsystemen:
- Interaktive Konstruktion der Satellitengeometrie
- Modellierung der Gas-Oberflächen-Wechselwirkung
- Berechnung der aerodynamischen Beiwerte
- Grafische Auswertung und Ableitung von Ausgleichsfunktionen

Die Satellitengeometrie wird aus elementaren geometrischen Körpern aufgebaut. Es lassen sich so äußerst komplexe Geometrien erzeugen und berechnen. Für die aerodynamischen Berechnungen werden die Körperoberflächen in dreieckige 'Panels' unterteilt. Die Oberflächeneigenschaften können für jedes Element separat gewählt werden. Die Berechnung der aerodynamischen Beiwerte erfolgt mit freimolekularen Verfahren (Integralmethode oder Monte Carlo) oder durch lokale Wichtung der Grenzfälle freimolekularer und Kontinuumströmung. Die berechneten Datenfelder können durch ein-, zwei- oder dreidimensionale Ausgleichsfunktionen approximiert werden.

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