Rakete

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Einleitung

Rakete, Flugkörper, der seinen Antrieb durch den Ausstoß eines Strahles schneller Teilchen erhält (siehe Strahlantrieb). Raketen arbeiten unabhängig von ihrer Umgebung, da sie die zur Strahlerzeugung benötigte Masse und Energie selbst mitführen. Deshalb funktionieren Raketen auch außerhalb der Erdatmosphäre, also im Vakuum des Weltraumes.

Das Antriebsprinzip einer Rakete beruht auf dem dritten Newton’schen Axiom, actio = reactio, wonach jede Wirkung eine gleich starke Gegenwirkung zur Folge hat. Eine Rakete mit der Masse m stößt in einem Zeitraum dt eine Treibstoffmenge dm mit der Ausströmgeschwindigkeit c₀ aus. Der Impuls hierfür ergibt sich aus dem Produkt von Ausströmgeschwindigkeit und abgegebener Masse, c₀dm. Da der Gesamtimpuls des Systems erhalten bleibt, muss die Rakete selbst einen entgegengesetzten Impuls aufnehmen, der ihre Geschwindigkeit v um den Betrag dv erhöht. Zum Zeitpunkt dt gilt:

(1) -c0(dm/dt) = m(dv/dt),

wobei der Ausdruck -c₀(dm/dt) dem Schub der Rakete entspricht. Bei konstanter Ausströmgeschwindigkeit erhält man durch Integration der Gleichung (1) die so genannte Raketengleichung:

(2) vt = v0 + c0 ln(M0/Mt).

Diese Gleichung wurde 1903 von dem russischen Mathematiker Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski aufgestellt und beschreibt theoretisch die Leistung einer Rakete. In (2) entsprechen v₀ der Startgeschwindigkeit und M₀ der Startmasse, M_t der Masse und v_t der Geschwindigkeit zu einem beliebigen Zeitpunkt t. Die tatsächliche Geschwindigkeit der Rakete wird in der Realität durch zusätzliche Faktoren, wie z. B. der Gravitation, dem Luftwiderstand und den Startbedingungen, beeinflusst. 1929 veröffentlichte Ziolkowski eine Abhandlung über mehrstufige Raketen.

Zur Erhöhung der Endgeschwindigkeit verwendet man anstelle von Einstufenraketen so genannte Mehrstufenraketen. Jede Stufe stellt eine selbständige Einheit dar, die nach Verbrauch des Treibstoffes eine ihr eigene Endgeschwindigkeit erreicht. Weil diese Geschwindigkeit bereits die Startgeschwindigkeit für die nachfolgende Stufe darstellt, addieren sich die Endgeschwindigkeiten der einzelnen Stufen. Um beispielsweise aus der Erdumlaufbahn zu gelangen, benötigt die Rakete eine Fluchtgeschwindigkeit von etwa elf Kilometern pro Sekunde. Siehe auch Erhaltungssätze

Raketen lassen sich nach dem Funktionsprinzip ihres Triebwerkes in verschiedene Hauptgruppen, wie z. B. in Feststoff- und Flüssigkeitsraketen, unterteilen. In einer Flüssigkeitsrakete werden die Treibstoffe in separaten Tanks befördert und bei Bedarf an das Triebwerk abgegeben. Bei Feststoffraketen ist die Treibstoffladung im Triebwerk untergebracht und wird dort verbrannt. Eine Kombination aus beiden Techniken vereint die so genannte Hybridrakete. Neben der Pyrotechnik und der Signalgebung (z. B. Seenot, Rettungseinsätze) kommen Raketen vor allem in der Waffentechnik (siehe Lenkflugkörper) und in der Raumfahrt zum Einsatz.

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Feststoffraketen

Die ersten Feststoffraketen der Geschichte (13. Jahrhundert) wurden durch die Verbrennung einer besonderen Mischung angetrieben, die im Wesentlichen aus Schwarzpulver bestand. Allerdings waren die Mischungsverhältnisse anders. Herkömmliches Schwarzpulver wird aus etwa 75 Gewichtsprozent Kalisalpeter (Kaliumnitrat), 10 Gewichtsprozent Schwefel und 15 Gewichtsprozent Kohlenstoff hergestellt. Die damaligen Raketenladungen bestanden meist aus 60 Gewichtsprozent Kalisalpeter, 15 Gewichtsprozent Schwefel und 25 Gewichtsprozent Kohlenstoff. Aufgrund der anderen Zusammensetzung verbrannte die Treibladung deutlich langsamer als herkömmliches Schwarzpulver – das verringerte die Gefahr der Zerstörung beim Start.

Moderne Treibstoffe für Feststoffraketen enthalten bestimmte Kunststoffe, wie z. B. Polyurethane, die als Binder und gleichzeitig als Brennstoff fungieren. Der Brennstoff wird mit dem Sauerstoffträger oder Oxidator vermischt (z. B. Ammonium-, Kalium- oder Lithiumperchlorat). Zur Leistungssteigerung und für einen günstigeren Abbrand sind dem Binder und dem Oxidator pyrophor (selbstentzündlich) wirkende Metallpulver (z. B. Aluminium oder Magnesium) beigemengt.

Die feste oder pastöse Treibstoffmischung (Brennstoff, Oxidator etc.) befindet sich in der Brennkammer und ist entweder in Form eines Blocks eingeschoben oder an der Kammerwand fixiert und ausgehärtet. Die Wände sind aus einem speziellen Hochleistungswerkstoff gefertigt, der hohen Temperaturen (bis zu 3 300 °C) standhält und weitere besondere Eigenschaften hat. Nach der Zündung lässt sich der Abbrand nicht mehr stoppen, der je nach Treibstoffmenge und -art einige Millisekunden bis einige Minuten dauern kann. Heutige Feststoffladungen sind sehr groß. So beträgt z. B. das Startgewicht einer Trident-II D5 etwa 59 Tonnen. Allein ein Startaggregat der Raumfähre Spaceshuttle wiegt mehr als 500 Tonnen.

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Flüssigkeits- und Hybridraketen

Im Gegensatz zu den Feststoffraketen werden Flüssigkeitsraketen mit flüssigem Treibstoff angetrieben. Brennstoff und Oxidator sind in getrennten Tanks untergebracht und werden in modernen Systemen nach Bedarf entweder mittels Ventilen oder Pumpen der Brennkammer zugeführt. Dadurch sind Flüssigkeitsraketen vielseitiger, denn der Abbrand lässt sich besser kontrollieren und durch Zufuhrstopp unterbinden.

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Allgemeiner Aufbau von Flüssigkeitsraketen

In der ersten Generation der Flüssigkeitsraketen brachte man die Nutzlast in der Raketenspitze unter. Im angrenzenden Abschnitt befanden sich normalerweise Navigationssysteme (z. B. Kreiselkompass) und automatische Lenkvorrichtungen. Anschließend folgten zwei Haupttanks, wobei einer den flüssigen Treibstoff und der andere den flüssigen Oxidator enthielt. Bei verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitsraketen ließen sich sowohl der Treibstoff als auch der Oxidator in das Triebwerk hineinpressen, indem man mit einem Inertgas einen Überdruck in den Tanks erzeugte. Bei großen Modellen war diese Methode nicht anwendbar, weil durch dieses Verfahren die größeren Tanks übermäßig schwer geworden wären. Auch heute wird bei großen Flüssigkeitsraketen der erforderliche Druck durch Pumpen erzeugt, die zwischen den Tanks und dem Triebwerk eingebaut sind. Weil sehr große Mengen an Treibstoff und Oxidator in die Brennkammer gelangen müssen, kommen hochleistungsfähige Zentrifugalpumpen zum Einsatz, die z. B. über eine Gasturbine angetrieben werden.