- Oberbau und Fahrwerk
- Fahrzeugkonfiguration und Beschleunigungsvorgang
- Berechnungstabelle: Beschleunigung eines 375 t schweren Raumfahrzeugs
- Berechnungstabelle: Beschleunigung eines 750 t schweren Raumfahrzeugs
- Berechnungstabelle: Beschleunigung eines 1125 t schweren Raumfahrzeugs
- Berechnungstabelle: Beschleunigung eines 1500 t schweren Raumfahrzeugs
- Berechnungstabelle: Beschleunigung eines 2250 t schweren Raumfahrzeugs
- Berechnungstabelle: Beschleunigung eines 3000 t schweren Raumfahrzeugs
- Trassierung
- Berechnungstabelle: Trassierungsparameter
Oberbau und Fahrwerk
Bei einem Abschuß soll der Schlitten mit dem Raumfahrzeug auf einem Magnetkissen gleiten und
von einem Linearmotor angetrieben werden.
Ich gehe davon aus, daß das Schweben und Führen mit dem Inductrack-Prinzip gelöst wird. Das Inductrack-Prinzip ist näher auf der Inductrack-Hybridmagnetbahn-Seite beschrieben. Magnetische Trag- und Führungselemente sind in den Cartoons violett
dargestellt.
Da dieses Verfahren je nach Ausführung erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit die nötigen
Führungs- und Tragkräfte erzeugen kann, braucht der Schlitten zusätzlich zu den Halbach-Arrays
für langsame Fahrt noch ein Radfahrwerk.
Als Antrieb kommt ein asynchroner Linearmotor in Langstator-Bauweise zum Einsatz. Um die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen möglichst gering zu halten, soll nur der unter dem Fahrzeug befindliche Teil des Linearmotors aktiv sein. Die dazu verwendete Leistungselektronik könnte in ihrer Topologie einem Strickleiternervensystem ähneln. Für den Fall einer Fehlfunktion des Linearmotors wird noch eine Wirbelstrombremse benötigt. Magnetische Antriebs- und Bremsvorrichtungen sind in den Cartoons blau
dargestellt.
Außerdem sollen alle Radsätze des Radfahrwerks Scheiben- oder Radscheibenbremsen erhalten.
Für den Bodenbetrieb des Raumfahrzeugs soll eine ausreichende Energie- und Kommunikationsversorgung anliegen. Sowohl Energie- als auch Datenübertragung werden vermutlich induktiv arbeiten. Induktive Energieversorgungs- und Kommunikationselemente sind in den Cartoons türkis
dargestellt.
Auf dem Startgelände, das im wahrsten Sinne des Wortes ein Weltraumbahnhof wäre, würde der Schlitten auf einem Paar parallel verlegter Gleise bewegt. Der Gleismittenabstand könnte vier Meter betragen. Zum Rangieren kämen Lokomotiven zum Einsatz.
Um den Schlitten an die Startbahn zu bringen, müßte er von Rangierlokomotiven bis zum Linearmotor geschoben werden. Das Transportprinzip entspricht auf diesem Abschnitt dem der Doppelspurbahn. Anschließend werden die Lokomotiven abgekoppelt und weggefahren. Das Bild rechts oben stellt den Schlitten mit Linearmotor im Schnitt dar.
Mit dem Linearmotor wird der Schlitten anschließend auf die Startbahn gezogen, welche als T-förmiger Träger mit
integrierten Trag- und Langstatorspulen ausgeführt werden kann. Sobald bei einem Abschuß die zum magnetischen Tragen
nötige Geschwindigkeit (weniger als 20 m/s) erreicht ist, kann das Radfahrwerk eingezogen und durch Klappen verdeckt
werden, um den Luftwiderstand zu senken.
Ich gehe davon aus, daß das Schweben und Führen mit dem Inductrack-Prinzip gelöst wird. Das Inductrack-Prinzip ist näher auf der Inductrack-Hybridmagnetbahn-Seite beschrieben. Magnetische Trag- und Führungselemente sind in den Cartoons violett
dargestellt.
Da dieses Verfahren je nach Ausführung erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit die nötigen
Führungs- und Tragkräfte erzeugen kann, braucht der Schlitten zusätzlich zu den Halbach-Arrays
für langsame Fahrt noch ein Radfahrwerk.
Als Antrieb kommt ein asynchroner Linearmotor in Langstator-Bauweise zum Einsatz. Um die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen möglichst gering zu halten, soll nur der unter dem Fahrzeug befindliche Teil des Linearmotors aktiv sein. Die dazu verwendete Leistungselektronik könnte in ihrer Topologie einem Strickleiternervensystem ähneln. Für den Fall einer Fehlfunktion des Linearmotors wird noch eine Wirbelstrombremse benötigt. Magnetische Antriebs- und Bremsvorrichtungen sind in den Cartoons blau
dargestellt.
Außerdem sollen alle Radsätze des Radfahrwerks Scheiben- oder Radscheibenbremsen erhalten.
Für den Bodenbetrieb des Raumfahrzeugs soll eine ausreichende Energie- und Kommunikationsversorgung anliegen. Sowohl Energie- als auch Datenübertragung werden vermutlich induktiv arbeiten. Induktive Energieversorgungs- und Kommunikationselemente sind in den Cartoons türkis
dargestellt.
Auf dem Startgelände, das im wahrsten Sinne des Wortes ein Weltraumbahnhof wäre, würde der Schlitten auf einem Paar parallel verlegter Gleise bewegt. Der Gleismittenabstand könnte vier Meter betragen. Zum Rangieren kämen Lokomotiven zum Einsatz.
Um den Schlitten an die Startbahn zu bringen, müßte er von Rangierlokomotiven bis zum Linearmotor geschoben werden. Das Transportprinzip entspricht auf diesem Abschnitt dem der Doppelspurbahn. Anschließend werden die Lokomotiven abgekoppelt und weggefahren. Das Bild rechts oben stellt den Schlitten mit Linearmotor im Schnitt dar.
Der größte Schlitten könnte aus acht nahezu baugleichen Fahrwerkssegmenten bestehen, von denen jedes auf acht zweiachsigen Drehgestellen rollt, und die ähnlich wie bei einem Tragschnabelwagen durch Brücken und Ausgleichhebel verbunden sind. Das Fahrzeug sollte durch Federn und Dämpfer zwischen den Segmenten und Drehgestellen versteift werden.
Bei einer statischen Achslast von 30 Tonnen könnte ein 128-achsiger (64 Achsen auf jeder Seite) Schlitten mit Raumfahrzeug ein Gesamtgewicht von 3800 Tonnen aufbringen. Bei einem geschätzten Eigengewicht des Schlittens von 800 Tonnen wäre ein 3000 Tonnen schweres Raumfahrzeug startbar.
Der minimale befahrbare Bogenradius dürfte für solch ein 90 Meter langes Monster bei 400 Metern liegen. Das Fahrwerk muß für um die 80 km/h ausgelegt sein, höhere Geschwindigkeiten werden nur mit Magnetkissen erreicht. Das Rangieren wird sich auf Höchstgeschwindigkeiten zwischen 40 und 60 km/h beschränken.
Bei einem Abschuß soll auf Magnetkissen mit Linearmotor eine Geschwindigkeit von 300 m/s (1080 km/h) erreicht werden. Für Beschleunigung und Überwindung des Luftwiderstandes sollte bei 300 m/s eine Schubkraft des Linearmotors von 8000 Kilonewton ausreichen. Das entspricht einer Netto-Spitzenleistung von 2400 Megawatt, was umgerechnet in etwa der Leistung von 400 vierachsigen modernen Drehstromlokomotiven entspricht. Bei einem Wirkungsgrad des Linearmotors von geschätzten 80% müssen kurzzeitig 3000 Megawatt an elektrischer Leistung aufgebracht werden.
Für leichtere Raumfahrzeuge können kleinere Schlitten zum Einsatz kommen.
| Doppelachsen | Traglast [t] (Maximum) |
Endschub [kN] bei 300 m/s (Maximum) |
Leistung [MW] Netto (Maximum) |
Berechnung des Beschleunigungsvorganges |
|---|---|---|---|---|
| 8 | 375 | 1000 | 300 |   Tabelle "start0375" |
| 16 | 750 | 2000 | 600 |  Tabelle "start0750" |
| 24 | 1125 | 3000 | 900 |  Tabelle "start1125" |
| 32 | 1500 | 4000 | 1200 |  Tabelle "start1500" |
| 48 | 2250 | 6000 | 1800 |  Tabelle "start2250" |
| 64 | 3000 | 8000 | 2400 |  Tabelle "start3000" |
Trassierung
Die Startbahn wird schnurgerade von Westen nach Osten errichtet. Gestartet wird ostwärts, denn der Erdorbit ist ein Kreisverkehr. Für den weniger als 100 s dauernden Beschleunigungsvorgang von 20 m/s auf 300 m/s ist eine 20 km lange Strecke ausreichend. Nach Erreichen der vollen Geschwindigkeit von 300 m/s werden die Triebwerke des Raumfahrzeugs gestartet.
In der unteren Atmosphäre empfehlen sich luftatmende Rückstoßantriebe wie Mantelstrom-, Staustrahl- oder Pulsstrahltriebwerke. Der Fahrtwind kann zum Anlassen von Mantelstromtriebwerken (Windmilling) und Staustrahltriebwerken benutzt werden, während sich Pulsstrahltriebwerke grundsätzlich auch im Stand zünden lassen. Von der Verwendung von Raketentriebwerken sollte man aufgrund des schlechten spezifischen Impulses und der großen Hitzeentwicklung absehen.
An die Beschleunigungsstrecke sollte sich ein sogenannter "Bunnyhop" bzw. "Zero-G-Hill" mit rund 9 km Kuppenausrundungsradius anschließen. In der Geraden vor der Kuppe müssen die Triebwerke des Raumfahrzeugs vollen Startschub erreichen. Arbeiten alle Systeme einwandfrei, wird das Raumfahrzeug an dieser Stelle vom Schlitten abgelöst und steigt aus eigener Kraft mit 10° Neigung dem Orbit entgegen.
Im Fall einer Fehlfunktion werden die Triebwerke hingegen wieder abgeschaltet und das Fahrzeug wird bis zum Stillstand abgebremst. Dafür muß im Anschluß an den "Bunnyhop" eine ausreichende Bremsstrecke vorhanden sein, auf der ein beladener Schlitten sauber angehalten werden kann. Aus diesem Grund verbieten sich auch Feststoffraketen, denn die würden nicht nur eine gewaltige Schweinerei machen und das schöne saubere Katapult einsauen, sondern einmal gestartet lassen die sich auch nicht mehr abschalten.
Normalerweise kommen im Verkehrswegebau Kreisbögen als Kuppen und Wannen zum Einsatz. Bei den üblichen großen Radien, vergleichsweise mäßigen Geschwindigkeiten und geringen Neigungsdifferenzen von Straßen und Eisenbahnlinien bleiben die vertikalen Beschleunigungen so gering, daß auch ein plötzliches Einsetzen dieser Beschleunigungen kein Problem darstellt.
Im Fall des Orbitalkatapults sind stetig differenzierbare Übergänge jedoch unerläßlich. Eine den üblichen Gepflogenheiten folgende Option wäre die Verwendung von Klothoiden vor und nach den Kreisbögen. Ich habe mich allerdings für die zwar unübliche, jedoch prinzipiell gleichwertige und genauso komfortable Anwendung von Cosinusbögen entschieden.
Zu diesem Höhenprofil existiert eine Berechnungstabelle.
Im Gegensatz zu üblichen Raketenstarts verursacht der Katapultstart per Magnetbahn nur geringe zusätzliche Beschleunigungskräfte von reichlich halber Erdfallbeschleunigung auf das Raumfahrzeug und seinen Inhalt.
Das nachfolgende Bild zeigt das Höhenprofil des "Bunnyhop" maßstäblich und unverzerrt. Blau hervorgehoben sind die Cosinus-Wannen, rot die Cosinus-Kuppe.
Zur besseren Illustration enthält das nächste Diagramm eine überhöhte Darstellung:
Das anschließende Diagramm stellt die Neigungswerte dar:
Das folgende Diagramm zeigt die Krümmungswerte:
Das letzte Diagramm visualisiert die Längendehnung, also das lokale Verhältnis von Weglänge zu Länge über Grund:
Die Startbahn wird schnurgerade von Westen nach Osten errichtet. Gestartet wird ostwärts, denn der Erdorbit ist ein Kreisverkehr. Für den weniger als 100 s dauernden Beschleunigungsvorgang von 20 m/s auf 300 m/s ist eine 20 km lange Strecke ausreichend. Nach Erreichen der vollen Geschwindigkeit von 300 m/s werden die Triebwerke des Raumfahrzeugs gestartet.
In der unteren Atmosphäre empfehlen sich luftatmende Rückstoßantriebe wie Mantelstrom-, Staustrahl- oder Pulsstrahltriebwerke. Der Fahrtwind kann zum Anlassen von Mantelstromtriebwerken (Windmilling) und Staustrahltriebwerken benutzt werden, während sich Pulsstrahltriebwerke grundsätzlich auch im Stand zünden lassen. Von der Verwendung von Raketentriebwerken sollte man aufgrund des schlechten spezifischen Impulses und der großen Hitzeentwicklung absehen.
An die Beschleunigungsstrecke sollte sich ein sogenannter "Bunnyhop" bzw. "Zero-G-Hill" mit rund 9 km Kuppenausrundungsradius anschließen. In der Geraden vor der Kuppe müssen die Triebwerke des Raumfahrzeugs vollen Startschub erreichen. Arbeiten alle Systeme einwandfrei, wird das Raumfahrzeug an dieser Stelle vom Schlitten abgelöst und steigt aus eigener Kraft mit 10° Neigung dem Orbit entgegen.
Im Fall einer Fehlfunktion werden die Triebwerke hingegen wieder abgeschaltet und das Fahrzeug wird bis zum Stillstand abgebremst. Dafür muß im Anschluß an den "Bunnyhop" eine ausreichende Bremsstrecke vorhanden sein, auf der ein beladener Schlitten sauber angehalten werden kann. Aus diesem Grund verbieten sich auch Feststoffraketen, denn die würden nicht nur eine gewaltige Schweinerei machen und das schöne saubere Katapult einsauen, sondern einmal gestartet lassen die sich auch nicht mehr abschalten.
Normalerweise kommen im Verkehrswegebau Kreisbögen als Kuppen und Wannen zum Einsatz. Bei den üblichen großen Radien, vergleichsweise mäßigen Geschwindigkeiten und geringen Neigungsdifferenzen von Straßen und Eisenbahnlinien bleiben die vertikalen Beschleunigungen so gering, daß auch ein plötzliches Einsetzen dieser Beschleunigungen kein Problem darstellt.
Im Fall des Orbitalkatapults sind stetig differenzierbare Übergänge jedoch unerläßlich. Eine den üblichen Gepflogenheiten folgende Option wäre die Verwendung von Klothoiden vor und nach den Kreisbögen. Ich habe mich allerdings für die zwar unübliche, jedoch prinzipiell gleichwertige und genauso komfortable Anwendung von Cosinusbögen entschieden.
Zu diesem Höhenprofil existiert eine
Berechnungstabelle.
Im Gegensatz zu üblichen Raketenstarts verursacht der Katapultstart per Magnetbahn nur geringe zusätzliche Beschleunigungskräfte von reichlich halber Erdfallbeschleunigung auf das Raumfahrzeug und seinen Inhalt.
Das nachfolgende Bild zeigt das Höhenprofil des "Bunnyhop" maßstäblich und unverzerrt. Blau hervorgehoben sind die Cosinus-Wannen, rot die Cosinus-Kuppe.
Zur besseren Illustration enthält das nächste Diagramm eine überhöhte Darstellung:
Das anschließende Diagramm stellt die Neigungswerte dar:
Das folgende Diagramm zeigt die Krümmungswerte:
Das letzte Diagramm visualisiert die Längendehnung, also das lokale Verhältnis von Weglänge zu Länge über Grund:
