Rakete: Unterschied zwischen den Versionen

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==SD-Modell==
==SD-Modell==
[[Bild:RaketeSD.png|thumb|SD-Modell der Rakete]]
Das Systemdiagramm der Rakete zeigt im Zentrum die Impulsbilanz, darüber die Massenbilanz und darunter die Integration der Höhe aus der Geschwindigkeit. Obwohl sich hier sowohl der Impuls wie auch die Masse mit der Zeit ändern, ist die Geschwindigkeit immer noch gleich dem Quotienten aus diesen beiden Grössen. Die Systemdiagramme zur Berechnungen der Dichte der Luft und der Gravitationsfeldstärke in Funktion der Höhe sind in den beiden auf der Spitze stehenden Quadraten verpackt.

''Relationen und Parameter:''
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!STELLA-Code
!Bemerkung
|-
|Impuls(t) = Impuls(t - dt) + (Impulsstrom - Luftwiderstand - FG) * dt
|Impulsbilanz
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|Masse(t) = Masse(t - dt) + (Massenstrom) * dt
|Massenbilanz
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|Höhe(t) = Höhe(t - dt) + (v) * dt
|Berechnung der Höhe
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|v = Impuls/Masse
|dynamische Geschwindigkeit
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|Impulsstrom = Massenstrom*(v-c)
|konvektiver Impulsstrom
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|Luftwiderstand = Dichte/2*v*ABS(v)*AcW
|Dichte hängt von der Höhe ab
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|FG = Masse*g
|Impulssenke
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|Massenstrom = IF TIME<145 THEN -2190 ELSE 0
|145 s Brenndauer
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|g = g0*(r0/r)^2; r = Höhe+r0
|Erde als Kugel
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|[[Entropie|isentrope]] Atmosphäre
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|h0 = Druck0/(Dichte0*g0)
|Höhe bei inkompressibler Atmosphäre
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|INIT Masse = 482000
|Startmasse
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|AcW = 20
|effektiver Querschnitt
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|c = 2750
|Ausströmgeschwindigkeit
|-
|g0 = 9.8; r0 = 6.37E6
|in '''Gravitation'''
|-
|Dichte0 = 1.29; Druck0 = 1.013E5; Kappa = 1.4
|in '''Luft'''
|}

==Modelica-Modell==
==Modelica-Modell==
==Die V2/A4-Rakete==
==Die V2/A4-Rakete==

Version vom 9. August 2006, 14:47 Uhr

Rakete als offenes System

Eine Rakete tauscht Impuls über das ausströmende Gas, das Gravitationsfeld und die Oberfläche aus. Wählt man die positive Richtung der z-Achse nach oben, lautet die Impulsblianz

Ipz, conv. + ΣGz + Ipz = dpz/dt

Der Impulsinhalt der Rakete kann über das Kapazitivgesetz umgeschrieben werden

pz = m vz also dpz/dt = dm/dt vz + m dvz/dt

Der konvektive Impulsstrom darf als Geschwindigkeit des Gases mal Massenstromstärke geschrieben werden. Die Impulsbilanz nimmt, falls man die gravitativ bedingte Impulssenke und die Impulsstromstärke wie üblich als Kraft auf das System Rakete schreibt, die folgende Gestalt an

vGas Im + FGz + FWid = dm/dt vz + m dvz/dt

Ersetzt man die Geschwindigkeit des Gases durch die Geschwindigkeit der Rakete und die Ausströmgeschwindigkeit des Gases (vGas = vz - c) und nimmt noch die Massenbilanz (Im = dm/dt) dazu, vereinfacht sich die Gleichung auf

-c Im + FGz + FWid = m dvz/dt

Bezeichnet man -c Im als Schubkraft, nimmt die Impulsbilanz die Form des Aktionsprinzips von Newton an. Diese Lesart ist natürlich unsinnig, da die Newtonmechanik nicht direkt auf offene Systeme angewendet werden kann. Der Impulsinhalt der Rakete nimmt anfänglich zu, um gegen Schluss des Brennvorgangs, dann wenn die Rakentengeschwindigkeit grösser als die Ausströmgeschwindigkeit wird, wieder abzunehmen. Die Beschleunigung der Rakete ist aber immer nach oben gerichtet.

SD-Modell

SD-Modell der Rakete

Das Systemdiagramm der Rakete zeigt im Zentrum die Impulsbilanz, darüber die Massenbilanz und darunter die Integration der Höhe aus der Geschwindigkeit. Obwohl sich hier sowohl der Impuls wie auch die Masse mit der Zeit ändern, ist die Geschwindigkeit immer noch gleich dem Quotienten aus diesen beiden Grössen. Die Systemdiagramme zur Berechnungen der Dichte der Luft und der Gravitationsfeldstärke in Funktion der Höhe sind in den beiden auf der Spitze stehenden Quadraten verpackt.

Relationen und Parameter:

STELLA-Code Bemerkung
Impuls(t) = Impuls(t - dt) + (Impulsstrom - Luftwiderstand - FG) * dt Impulsbilanz
Masse(t) = Masse(t - dt) + (Massenstrom) * dt Massenbilanz
Höhe(t) = Höhe(t - dt) + (v) * dt Berechnung der Höhe
v = Impuls/Masse dynamische Geschwindigkeit
Impulsstrom = Massenstrom*(v-c) konvektiver Impulsstrom
Luftwiderstand = Dichte/2*v*ABS(v)*AcW Dichte hängt von der Höhe ab
FG = Masse*g Impulssenke
Massenstrom = IF TIME<145 THEN -2190 ELSE 0 145 s Brenndauer
g = g0*(r0/r)^2; r = Höhe+r0 Erde als Kugel
Dichte = IF Höhe<Kappa/(Kappa-1)*h0 THEN Dichte0*(1-(Kappa-1)/Kappa*Höhe/h0)^(1/(Kappa-1)) ELSE 0 isentrope Atmosphäre
h0 = Druck0/(Dichte0*g0) Höhe bei inkompressibler Atmosphäre
INIT Masse = 482000 Startmasse
AcW = 20 effektiver Querschnitt
c = 2750 Ausströmgeschwindigkeit
g0 = 9.8; r0 = 6.37E6 in Gravitation
Dichte0 = 1.29; Druck0 = 1.013E5; Kappa = 1.4 in Luft

Modelica-Modell

Die V2/A4-Rakete