Die Rakete

Allgemein

Die Rakete ist ein Flugkörper, der alle zur Erzeugung seiner Schubenergie erforderlichen Mittel mit sich führt und nicht auf das Vorhandensein einer Atmosphäre angewiesen ist (siehe Rückstoßprinzip). Sie besteht im wesentlichen aus Triebwerk und Treibstoffzellen. Die Zellen liefern dem Triebwerk den nötigen Treibstoff, welches diesen verbrennt und über eine Düse ausstößt (rot) und somit einen entgegengesetzten Schub liefert, der die Rakete vorwärts (blau) bewegt.

Rückstoßprinzip

Einem Triebwerk entströmen Masseteilchen (der verbrannte Treibstoff)(rot) aus der Düse. Da nach Newton einer Reaktion (dem Ausströmen) eine Gegenreaktion folgt, wirkt demnach eine entgegengerichtete Kraft auf die Rakete (der Rückstoß)(blau). Genau diese Kraft bewegt die Rakete vorwärts. 

Dieses Prinzip funktioniert unabhängig von einer Atmosphäre, wodurch eine Rakete auch im Weltall manövrieren kann.

Antriebsarten

Hier werden nur die beiden häufigsten Antriebsarten vorgestellt: das Flüssigkeitsraketentriebwerk und das Feststoffraketentriebwerk.

• Flüssigkeitsraketentriebwerk

  Bei einem solchen Triebwerk wird in den Zellen der eigentliche Treibstoff (1) (Alkohol, Kerosin, Wasserstoff ...) und ein Oxidator (2) (Sauerstoff) getrennt gelagert. Der Oxidator ist nötig, um den Treibstoff zum Brennen zu bringen. Beide Komponenten werden meist stark gekühlt, um sie in flüssige Form zu bringen, um damit die mitgeführte Menge zu steigern.

  Nach dem Öffnen der Ventile werden die beiden Komponenten mittels Kreiselpumpen (3), die von einer Turbine (5) über einen Gaserzeuger (4) angetrieben werden, in die Brennkammer (6) gepumpt.

  Der Treibstoff oder der Oxidator werden vor der Verbrennung oft in Leitungen über die Düse und über der Brennkammer geleitet (türkis), um diese zu kühlen und vor dem Schmelzen zu bewahren. Diese werden gleichzeitig angewärmt.

  Über Einspritzdüsen werden Treibstoff und Oxidator in die Brennkammer (6) eingeführt, sie zünden (lila), sobald sie miteinander in Kontakt kommen (selbstreagierende Treibstoffe) oder werden über einen Flammengenerator (7) (ähnlich einer Zündkerze beim Auto) gezündet. Durch die Explosion dehnt sich das Gemisch schlagartig aus. Es strömt dann durch die Düse (8) aus.

  Je schneller die Ausströmgeschwindigkeit umso höher der Geschwindigkeitszuwachs der Rakete (siehe Rückstoßprinzip).
  

  Das Flüssigkeitsraketentriebwerk wird bei den meisten Raketen verwendet (z.B. Saturn, Sojus, Ariane, Space Shuttle teilweise), da man die Verbrennung unterbrechen und wieder aktivieren kann. Der Nachteil ist die aufwendige Technik (Kreiselpumpen, Kühlung, getrennte Zellen), die dafür nötig ist.

• Feststoffraketentriebwerk

  Bei diesen Triebwerken wird der Treibstoff in fester Form mitgeführt. Der Feststoff enthält den eigentlichen Treibstoff und einen Oxydator in chemischer Form gebunden. 

  Die Zündung erfolgt einmalig durch eine Zündpatrone oder einen elektrischen Zünder (9). Dann entzündet sich nach und nach der Feststoff (10) und strömt durch die Düse (8) aus (lila).

  Der Nachteil dieser Triebwerke ist, daß man sie, einmal gezündet, nicht wieder stoppen kann. Der Vorteil ist in der leichter handzuhabenden Technik. Es werden keine aufwendigen Kühlmechanismen und Pumpen benötigt.

  Feststofftriebwerke werden beispielsweise bei den beiden Boostern des Space Shuttles verwendet, die für den Startschub sorgen.

Steuerung

Die Steuerung einer Rakete während des Starts gestaltet sich schwierig, da während der Startphase sehr große Kräfte auf diese wirken. Da Raketen meist aus mehreren Triebwerken bestehen, kann man durch Regulieren der Treibstoffpumpen, einer Düse mehr bzw. weniger Treibstoff zuführen. Dadurch erhält man verschiedene Ausströmgeschwindigkeiten (Asymmetrie der Schubkraft) an den Düsen, wodurch die Rakete in eine andere Richtung gelenkt wird.
Die Steuerung im All erfolgt mittels kleiner Schubdüsen, die durch Ausströmen kleiner Mengen von Treibstoff als Rückstoß dienen und die Rakete entsprechend manövrieren.

Die Apollo-Kapsel hat beispielsweise ein Reihe von Manöverdüsen, mit der sie im All in alle Raumachsen manövrieren kann.

Mehrstufenraketen

Diese Art einer Rakete besteht aus mehreren Raketenstufen (jeweils bestehend aus Treibstoffzellen und Triebwerk), die nacheinander abgetrennt werden, sobald ihr Treibstoffvorrat verbraucht ist. Dadurch verringert man die Masse der Rakete und man kann höhere Geschwindigkeiten, und somit höhere Umlaufbahnen erreichen.
Die Saturn V besteht beispielsweise aus 3 Raketenstufen.