Raketentechnik - Von der V2 zur modernen Trägerrakete

Kapitel 1. - Was ist eine Rakete und wofür wird sie verwendet?

Kapitel 2. - Wieso fliegt eine Rakete überhaupt?

Kapitel 3. - Welche Arten von Raketen-Triebwerken gibt es?

Kapitel 4. - Welche Arten von Treibstoffen benutzt man?



Kapitel 1. - Was ist eine Rakete und wofür wird sie verwendet?

Zuerst einmal wollen wir klären, was denn überhaupt eine Rakete ist, und wofür sie verwendet wird. Eine Rakete ist ein Flugkörper von meist langer, zylindrischer Form, oben spitz zulaufend und unten mit Düsen versehen. Solche Raketen werden benötigt, um sogenannte "Nutzlasten" in den Weltraum zu befördern. Daher nennt man solche Raketen auch "Trägerraketen". Nutzlasten können verschiedener Art sein: Es kann sich dabei z.B. um Satelliten, Interplanetare Raumsonden oder Raumfahrzeuge handeln. Als Satelliten kommen z.B. Fernmelde-, Wetter-, Forschungs-, Navigations- oder Militär-Satelliten in Frage. Bei Raumsonden handelt es sich meistens um Sonden, die zu anderen Planeten wie z.B. Venus, Mars, Jupiter oder Saturn geschickt werden, mit der Aufgabe, mehr über diese Himmelskörper in Erfahrung zu bringen. Als Raumfahrzeuge gab es z.B. die Mercury, Gemini oder Apollo Kapseln der Amerikaner, bzw. die Wostok oder Sojus Kapseln der Russen. Es gab Raumstationen wie das Skylab, die Mir oder die ISS. Auch das Hubble-Weltraum-Teleskop wurde mittels Raketentechnik in All gebracht. Raketen dienen also generell dazu, Lasten in den Weltraum zu befördern und dort auf eine Erdumlaufbahn zu bringen, bzw. aus dem Erdanziehungsbereich zu entfernen. Raketen haben aus diesem Grund eine sogenannte "Bleistift-Form", weil sie die Erdatmosphäre durchdringen müssen. Dazu dient die oben beschriebene Gestalt der Rakete bestens. Im Weltall selbst ist die Form eines Flugkörpers irrelevant, da es dort keinen Luftwiderstand gibt, der den Flugkörper abbremsen könnte. Als Richtwert sagt man, daß man ungefähr 1.000 kg (1 Tonne) Treibstoff benötigt, um eine Nutzlast von 1 kg in den Weltraum zu befördern.

Wer mehr über die Entwicklung von Raketen erfahren möchte, sollte in Internet-Suchmaschinen nach folgenden, wichtigen Personen suchen: Hermann Oberth, Wernher von Braun, Ernst Stuhlinger, Eugen Sänger, Robert Goddard, Konstantin Ziolkowski und Sergej Koroljow.

Kapitel 2. - Wieso fliegt eine Rakete überhaupt?

Der Flug einer Rakete beruht auf dem "Rückstoß-Prinzip". Bekannt ist das Ganze auch als "Aktio gleich Reaktio" Prinzip. Schon Sir Isaac Newton fand heraus, daß auf eine Aktion eine gleichgroße, in die Gegenrichtung wirkende Reaktion stattfindet. Verdeutlichen kann man dies an einem klassischen Beispiel: Wenn man eine Kanonenkugel abfeuert, fliegt diese nach vorn, die Kanone selbst jedoch wird beim Abschuß nach hinten bewegt. Dieser "Rückschlag" ist auch beim Abschuß einer Kugel aus einem Gewehr oder einer Pistole zu bemerken. Genau auf diesem Prinzip beruht nun die Rakete. In der Rakete werden Treibstoffe verbrannt, was eine rasche Gasentwicklung zur Folge hat. Diese nach unten gerichteten Gase entweichen unter der Rakete aus den Schubdüsen, und drücken die Rakete nach oben, die Rakete fliegt! Man könnte nun meinen, die Rakete fliege aus dem Grund, weil die Gase auf die Startplattform drücken und die Rakete hochheben, aber dies ist falsch. Die Rakete fliegt ja auch noch, wenn sie sich in großer Höhe befindet, und sich nichts mehr unter der Rakete befindet, von dem sie sich "wegdrücken" könnte. Allein der nach unten gerichtete Impuls, Schub genannt, lässt die Rakete fliegen. Hierbei ist das "Nach-unten-Strömen" der Verbrennungsgase die Aktion, und das "Nach-oben-Schieben" der Rakete die Reaktion. An dieser Stelle wollen wir zwei wichtige Punkte in der Raketentechnik erwähnen: das Stufenprinzip sowie das Bündelungsprinzip.

Stufenprinzip: Als Beispiel nehmen wir eine Rakete, die Astronauten zum Mond bringen soll. Wenn wir eine einzige, große Rakete bauen würden, dann würde diese den Flug zum Mond unmöglich schaffen. Wenn der Treibstoff verbrennt und die Tanks leer werden, so muss die Rakete einen unheimlich großen und unnützen Ballast mit sich nehmen. Der Schub wäre nicht ausreichend, diesen gigantischen, schweren Flugkörper weiterhin zu beschleunigen. Die Rakete wäre zu langsam um das Schwerefeld der Erde zu verlassen. Aus diesem Grunde hat man das Stufenprinzip entwickelt. Hierbei besteht die Rakete aus mehreren, aufeinandergesetzten Raketen bzw. Raketenstufen. Diese Raketen nennt man "Mehrstufenraketen". Diese werden mittels sogenannter "Stufenadapter bzw. Separationsringe" zusammengehalten, die einerseits für die mechanische Verbindung der Stufen untereinander dienen, wie auch dem Schutz der Schubdüsen der höheren Stufe vor der untere Stufe. Wenn nun die erste Raketenstufe ausgebrannt ist, wird diese abgesprengt. Sie fällt zur Erde nieder und landet entweder im Meer oder verglüht in der Atmosphäre. Dann wird der Stufenadapter abgetrennt. Diesen ganzen Vorgang nennt man "Stufentrennung". Wenn alle Stufen der Rakete abgeworfen wurden, sagt man "Die Rakete hat vollständig gestuft". Die nun leichter gewordene Rakete, die den leeren Tank ja nicht mehr mit sich befördern muss, kann nun durch Zünden der Triebwerke der zweiten Stufe leichter beschleunigt werden. Ist die zweite Stufe ausgebrannt, wird auch diese abgetrennt, und die wiederum leichter gewordene Rakete kann nun dürch Zünden der dritten Stufe noch mehr beschleunigt werden, und dadurch auf Fluchtgeschwindgkeit kommen. Meistens haben Raketen zwischen 2 und 4 Stufen.

Bündelungsprinzip: Beim Bündelungsprinzip werden auf die 1. Stufe der Rakete seitlich sogenannte Starthilfs-Raketen (auch Booster genannt) aufgeschnallt. Diese sorgen beim Start für zusätzlichen Schub. Nach dem Ausbrennen der Booster (meistens Feststoff-, manchmal jedoch auch Flüssigkeits-Motoren) werden diese abgeworfen und die leichter gewordene Rakete kann nun einfacher beschleunigt werden. Booster werden z.B. beim Space Shuttle, der Ariane-, Delta- und Energija Rakete benutzt, um nur ein paar Beispiele zu bringen. Bei einem Raketenstart wird nach Brennschluß eine Beschleunigung von ungefähr 5 G erreicht.

Kapitel 3. - Welche Arten von Raketen-Triebwerken gibt es?

Nun wollen wir uns mit den Arten der Raketen-Triebwerke beschäftigen. Ein Raketen-Triebwerk wird auch als Raketen-Motor bezeichnet. Eine Rakete muss über ein Triebwerk verfügen, welches in der Lage ist, die schwere Rakete samt Nutzlast in den Weltraum zu bringen. Dazu wird sehr viel Energie benötigt. Die Rakete muss eine gewisse Mindest-Geschwindigkeit haben, um die Erdanziehung zu überwinden. Ist sie zu langsam, fällt sie zur Erde zurück.

Wir kommen an dieser Stelle zuerst einmal zur Erklärung der "Kosmischen Geschwindigkeiten". Die erste kosmische Geschwindigkeit liegt bei ca. 7.9 km/s (28.440 km/h) und wird benötigt, um ein Objekt in eine kreisförmige Erdumlaufbahn zu befördern und dort zu halten, z.B. einen Satelliten. Die zweite kosmische Geschwindigkeit liegt bei ca. 11.2 km/s (40.320 km/h) und wird auch als Fluchtgeschwindigkeit bezeichnet. Sie wird benötigt, damit ein Objekt das Schwerefeld der Erde verlassen kann, z.B. eine Rakete zum Mond. Die dritte kosmische Geschwindigkeit liegt bei ca. 42.1 km/s (151.560 km/h) und wird benötigt, um das Schwerefeld der Sonne, sprich unseres Sonnensystems, verlassen zu können. Die vierte kosmische Geschwindigkeit letztlich liegt bei ca. 320 km/s (1.152.000 km/h) und wird benötigt, um das Schwerefeld der Milchstraße, sprich unserer Galaxie, verlassen zu können.

Um nun z.B. einen Satelliten in einer Höhe von etwa 200 km in eine Erdumlaufbahn zu bringen, muss die Rakete eine Geschwindigkeit von 28.440 km/h erreichen. Bei dieser Geschwindigkeit in dieser Höhe, umkreist der Satellit die Erde, ohne Gefahr zu laufen, wieder auf die Erde "herabzustürzen". Um gar das Schwerefeld der Erde zu verlassen (z.B. um ein Raumschiff zum Mond oder zu anderen Planeten zu entsenden), wird eine Geschwindigkeit von 40.320 km/h benötigt. Man spricht hierbei wie gesagt auch von der sogenannten "Fluchtgeschwindigkeit", die bei 11.2 km/s liegt. Wie wir sehen, braucht eine Rakete also sehr viel Energie und gewaltige Triebwerke, um solche Flüge zu unternehmen. Düsen-Flugkörper werden dadurch angetrieben, daß in dem Triebwerk einer Turbine, Kraftstoff mittels Sauerstoff verbrannt wird. Ein Flugzeug-Triebwerk verbrennt den Kraftstoff "Kerosin" mit dem Sauerstoff, welcher in der Erdatmosphäre vorhanden ist. Daher funktionieren Flugzeuge nur innerhalb der Atmosphäre. Da eine Rakete jedoch in den luftleeren Raum vordringt, wo kein Sauerstoff vorhanden ist, muss sie ihn mehr oder weniger selber mit sich führen.

Eine Rakete braucht zum Flug zwei wichtige Stoffe: den Brennstoff und den Oxydator (auch Sauerstoffträger genannt) Beide zusammen werden für die Verbrennung benötigt, welche den Schub erzeugt, der die Rakete antreibt. Die beiden Stoffe werden in die sogenannte Brennkammer befördert, wo sie gezündet werden und verbrennen. In der Brennkammer können Temperaturen von bis zu 3.000 Grad Celsius entstehen. Die dabei entstehenden Gase werden über die Schubdüsen abgeleitet, wobei sie eine Geschwindigkeit von bis zu 12.000 km/h erreichen können. Die Geschwindigkeit der Rakete wird bestimmt durch die Masse sowie die Geschwindigkeit der austretenden Gase. Dies bedeutet, daß Treibstoffe, die bei der Verbrennung eine hohe Gasentwicklung aufweisen und sich schnell ausdehnen, hervorragend für Raketen-Motoren geeignet sind. Welche Treibstoffe verwendet werden, behandeln wir im nächsten Kapitel. Die Flugbahn einer Rakete bestimmt man durch eine Verstellung der Schubdüsen. Durch eine Stellungsänderung dieser Düsen weist man der Rakete die Richtung, in die sie fliegen soll. Die sogenannten "Heckstabilisatoren" (kleine Flügel am Raketenende) sollen die Flugbahn der Rakete stabilisieren (ähnlich den Federn an einem Dartpfeil).

Der Aufbau der Feststoff-Raketen ist sehr einfach, da es keine beweglichen Teile gibt. Anders sieht dies bei den Flüssigkeits-Raketen aus. Ein solcher Raketenmotor hat eine Vielzahl von Teilen. Da sind z.B. die Treibstofftanks, die für den Brennstoff und den Oxydator getrennt angelegt sind. Desweiteren gibt es eine Brennkammer, wo die Treibstoffe zusammengeführt, vermischt und gezündet werden. Dann die Zuleitungen, durch die der Treibstoff in die Brennkammer gelangt. In den Zuleitungen befinden sich sogenannte "Turbopumpen", die den Treibstoff mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer befördern. Diese Pumpen haben ihren eigenen Gasgenerator. In die Treibstofftanks wird häufig noch ein Druckgas wie z.B. Helium gebracht. Dies soll dafür sorgen, daß der Innendruck im Tank auch bei sinkendem Treibstoffinhalt konstant bleibt. Damit der Raketenmotor durch die hohen Temperaturen, welche bei der Verbrennung entstehen, nicht schmilzt, wird noch kalter Brennstoff durch ein Leitungssystem um die Brennkammer und Düse geleitet, auf diese Weise kühlt man die Apparatur und wärmt den Brennstoff vor, damit dieser bei der Verbrennung eine höhere Effizienz besitzt. Diesen Vorgang nennt man "Regenerative Kühlung". Nun kommen wir zu den eigentlichen Raketen-Triebwerken. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Raketen-Triebwerken, welche Verwendung finden. Zum einen gibt es das "Feststoff-Raketen"-Triebwerk und zum anderen das "Flüssigkeits-Raketen"-Triebwerk. Jede Triebwerksart hat ihre Vor- und Nachteile.

Bei Feststoff-Raketen sind der Brennstoff und der Oxydator bereits gemischt, diese werden als Pulver in eine Art synthetischen Kautschuk gegeben, welcher als Bindemittel dient. Mit diesem werden die Feststoff-Raketen ausgegossen. Wenn der Binder erstarrt ist, können diese Raketen verwendet werden.

Vorteile: Da keine Pumpen oder ähnliches benötigt werden, die den Treibstoff befördern, ist der Aufbau eines Feststoff-Triebwerks günstiger als der eines Flüssigkeits-Triebwerks. Ausserdem sind sie daher viel robuster als Flüssigkeits-Triebwerke. Festtreibstoffe verbrennen mit einer sehr hohen und konstanten Geschwindigkeit, und geben einen guten Schub. Es gibt bei Feststoff-Raketen keine direkte Brennkammer, da das ganze Innere der Rakete als Brennkammer dient. Hierbei brennt der Feststoff nicht von unten nach oben, sondern radial von innen nach aussen hin ab.

Nachteile: Die Herstellung und Lagerung dieser Treibstoffart ist sehr gefährlich, da beide Stoffe ja schon zusammen gebracht sind, und daher sofort zünden könnten. Daher wird die Herstellung und Lagerung meistens direkt vor Ort getätigt. Sind sie einmal gezündet, brennen sie ab und können nicht mehr abgestellt werden. Feststoff-Raketen sind im Schub nicht regelbar.

Bei Flüssigkeits-Raketen sind der Brennstoff und der Oxydator getrennt. Diese werden erst bei der Triebwerkszündung in der Brennkammer zusammengebracht. Es gibt flüssige Treibstoffe, welche sich beim Zusammentreffen von selbst entzünden, und es gibt welche, die manuell per Zündmechanismus gezündet werden. Die beiden Stoffe werden mittels Turbopumpen vom Tank in die Brennkammer gebracht.

Vorteile: Das getrennte Aufbewahren von Brennstoff und Oxydator ist sicherer als im Fall der Feststoff-Treibstoffe. Flüssigkeits-Triebwerke können beliebig oft gezündet und wieder abgestellt werden. Der Schub lässt sich bei Flüssigkeits-Triebwerken regulieren.

Nachteile: Durch den komplizierten Aufbau eines Flüssigkeits-Triebwerks mit getrennten Tanks, Turbopumpen, Leitungen, Brennkammer und vielen beweglichen Teilen wie Ventilen zur Treibstoffmengen-Regulierung, sind diese in der Herstellung sehr viel teuerer als Feststoff-Triebwerke. Flüssigkeits-Triebwerke sind durch den komplexen Aufbau störanfälliger als Feststoff-Triebwerke.

Kapitel 4. - Welche Arten von Treibstoffen benutzt man?

In diesem Kapitel wollen wir uns mit den Treibstoffen beschäftigen. Wir verzichten zum besseren Verständnis auf komplizierte, chemische Formeln. Wie wir schon gesehen haben, brauchen wir zur Verbrennung den "Brennstoff" und den "Oxydator" (Sauerstoffträger). Diese müssen sehr energiereich sein, damit die schwere Rakete samt Nutzlast ihren Flug in den Weltraum antreten kann.

Zuerst befassen wir uns mit dem Treibstoff für Feststoff-Raketen. Diese werden z.B. beim Space Shuttle in den Boostern eingesetzt. Als Brennstoff dient Aluminiumpulver (AP), welches mit dem Oxydatorpulver Ammoniumperchlorat (APC) gemischt und in einem synthetischen Kautschuk als Bindemittel gegeben wird. Diese Masse wird in die zylindrischen Booster eingegossen und erhärtet dort.

Nun gehen wir über zu den Treibstoffen für Flüssigkeits-Raketen. Besonders häufig verwendet man die sogenannten "Kryogenen Treibstoffe". Dies bedeutet, daß die Gase Sauerstoff (Oxydator) und Wasserstoff (Brennstoff), welche besonders energiereich sind, tiefgekühlt werden, und dadurch in den flüssigen Zustand übergehen. So lassen sie sich besser tanken und lagern. Außerdem haben die beiden Gase den Vorteil, daß bei ihrer Verbrennung als "Abfallprodukt" reiner Wasserdampf entsteht, also eine saubere Verbrennung. Sauerstoff muß auf -183 Grad Celsius, und Wasserstoff auf -253 Grad Celsius abgekühlt werden, damit sie vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen.

Als Brennstoffe verwendet man hauptsächlich Aerozin, Ethanol (auch als Ethylalkohol bekannt), Flüssigwasserstoff, Kerosin, Unsymetrisches Dimethylhydrazin, und eine Mischung aus Unsymetrischem Dimethylhydrazin / Hydrazinhydrat (UH25). Als Oxydator dienen hauptsächlich Distickstofftetroxid, Flüssigsauerstoff sowie Salpetersäure.

Hauptsächlich werden folgende Brennstoff- / Oxydator-Kombinationen verwendet:
Unsymetrisches Dimethylhydrazin / Distickstofftetroxid +++ UH25 / Distickstofftetroxid +++ Kerosin / Flüssigsauerstoff +++
Flüssigwasserstoff / Flüssigsauerstoff +++ Unsymetrisches Dimethylhydrazin / Salpetersäure +++ Ethanol / Flüssigsauerstoff +++
Aerozin / Distickstofftetroxid.



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