- Rakete: Das Funktionsprinzip
- Rakete: Das FunktionsprinzipRaketen sind Flugkörper, die durch das Rückstoßprinzip angetrieben werden. Dies ist das derzeit einzige bekannte Antriebsverfahren, das auch außerhalb der Erdatmosphäre funktioniert. Raketen können so eine Fluggeschwindigkeit bis zu 40000 km/h erreichen.Raketenprinzip und RaketenaufbauDie Grundlage jedes Raketenantriebs ist das newtonsche Gesetz: »Actio = Reactio«, d. h., jede Kraft (Actio) bewirkt eine gleich große entgegengesetzt gerichtete Kraft (Reactio). Bei einer Rakete wird eine sehr große Masse an kleinen Teilchen (meist Gasmoleküle) mit großer Geschwindigkeit nach hinten ausgestoßen, wodurch eine Kraft entsteht, die die Rakete nach vorne antreibt.Um die jeweils zu beschleunigende Raketenmasse möglichst gering zu halten, bestehen Raketen im Allgemeinen aus mehreren Antriebseinheiten (»Stufen«), die abgetrennt werden, nachdem sie ihren Treibstoff verbraucht haben. Eine Antriebseinheit besteht aus Treibstofftanks und Triebwerk, welches wiederum aus der Schubkammer, die sich aus Brennraum und Düse zusammensetzt, und dem Fördersystem für Treibstofft gebildet wird. Neben den Antriebseinheiten sind die Lenk- und Steuersysteme sowie der Nutzlastträger wichtige Bestandteile einer Rakete.Der Rückstoß beim Raketenantrieb wird meist durch den Ausstoß von heißen Gasen erzeugt, die beim Verbrennen des Treibstoffes, welcher aus Brennstoff und Oxidator (Sauerstoffträger) besteht, im Brennraum entstehen. Die Gase werden mit einer Düse durch allmähliche Expansion (Ausdehnung) auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.Beim Feststoffraketenantrieb befindet sich Brennstoff und Oxidator als Gemisch fester Substanzen in der Schubkammer. Dort wird der Treibstoff gezündet und verbrannt. Aufgrund der fehlenden Schubregulierung, der problematischen Wiederzündbarkeit, der kurzen Brenndauer und dem im Vergleich zu flüssigen Treibstoffen geringeren Energieinhalt fester Treibstoffe werden Feststoffantriebe nur als Starthilfe (Booster) sowie als Antriebe für militärische Flugkörper eingesetzt.Als Haupt- und Steuerantriebe für Weltraumraketen werden Flüssigbrennstoffantriebe eingesetzt. Die wichtigsten Brennstoffe sind Kerosin, Hydrazin und Wasserstoff, als Oxidationsmittel dienen u. a. flüssiger Sauerstoff oder Stickstofftetroxid. Da Wasserstoff und Sauerstoff bei Raumtemperatur gasförmig sind und erst bei Tiefsttemperaturen flüssig werden (Wasserstoff: -253 º C, Sauerstoff: -183 º C), ist eine sehr gute Isolation der Tanks notwendig. Trotz des Mehraufwandes lohnt sich aber ihr Einsatz, da sie ca. 40 % mehr Schub erzeugen als andere Treibstoffgemische. Mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitet auch die Schubkammer des Vulcain-Triebwerks, das in der neuen europäischen Trägerrakete Ariane 5 eingesetzt wird. Über getrennte Einlässe und unter hohem Druck werden der flüssige Wasserstoff und Sauerstoff in die Schubkammer eingeleitet. Dabei wird der Wasserstoff nicht am Einspritzsystem, sondern an der Verbindungsstelle zur Düsenverlängerung eingelassen und strömt von dort durch 360 Kanäle im Mantel der Schubkammer in das Einspritzsystem. Dabei kühlt er die Schubkammer, die sonst der thermischen Belastung (Innentemperatur ca. 3250 ºC) nicht standhalten könnte. In der Düsenverlängerung, die ebenfalls durch flüssigen Wasserstoff gekühlt wird, erfolgt der größte Teil der Expansion der austretenden Gase.Ariane-RaketenDie Ariane 4 der europäischen Weltraumorganisation ESA ist eines der bekanntesten Beispiele für eine mehrstufige Weltraumrakete. Sie besitzt drei Stufen, die jeweils aus einer kompletten Antriebseinheit bestehen. Die Schubkammern sind, um eine Steuerung zu ermöglichen, schwenkbar befestigt. Brennstoff und Oxidator sind jeweils in eigenen Tanks untergebracht. Die Ariane 4 kann mehrere Satelliten gleichzeitig als Nutzlast befördern. Je nach Gesamtgewicht werden zur Startschubverstärkung zusätzliche Feststoff- oder/und Flüssigtreibstoffbooster angebracht. Nach kurzer Brenndauer (43 s bzw. 143 s) werden sie abgetrennt und verglühen in der Atmosphäre. Auf die gleiche Weise wird in 100 km Höhe die Nutzlastenverkleidung, die für den Start und beim Flug in der Atmosphäre aus aerodynamischen Gründen und zum Schutz der Satelliten notwendig ist, entfernt. Eine Weiterentwicklung der Ariane 4 ist die Ariane 5. Mit ihren stärkeren Triebwerken soll sie auch die Möglichkeit bieten, als dritte Stufe eine Raumfähre mitzunehmen.Zukunft der RaketentechnikEine interessante Neuentwicklung der Antriebstechnik ist der Ionenantrieb, der sich z. B. für die Lageregelung von Satelliten eignet. Hier wird der Schub nicht durch Verbrennung, sondern durch die Beschleunigung eines ionisierten Gasstromes in einem elektrischen Feld erzeugt.
Universal-Lexikon. 2012.
