Rakete
Allgemeine Merkmale und Funktionsprinzipien
Die Rakete unterscheidet sich vom Turbojet und anderen „luftatmenden“ Triebwerken dadurch, dass der gesamte Abgasstrahl aus den gasförmigen Verbrennungsprodukten der an Bord mitgeführten „Treibstoffe“ besteht. Wie das Turbojet-Triebwerk entwickelt die Rakete Schub durch den rückwärtigen Ausstoß von Masse mit sehr hoher Geschwindigkeit.
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Das grundlegende physikalische Prinzip des Raketenantriebs wurde von Sir Isaac Newton formuliert. Nach seinem dritten Bewegungsgesetz erfährt die Rakete eine Impulszunahme, die proportional zu dem im Auspuff mitgeführten Impuls ist,
wobei M die Masse der Rakete ist, ΔvR die Geschwindigkeitszunahme der Rakete in einem kurzen Zeitintervall Δt ist, m° die Rate der Massenentladung im Auspuff ist, ve die effektive Auspuffgeschwindigkeit ist (nahezu gleich der Strahlgeschwindigkeit und relativ zur Rakete betrachtet) und F die Kraft. Die Größe m°ve ist die Vortriebskraft oder der Schub, der durch den Ausstoß des Treibstoffs auf die Rakete ausgeübt wird,
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Es liegt auf der Hand, dass ein großer Schub durch eine hohe Massenausstoßrate oder eine hohe Ausstoßgeschwindigkeit erzielt werden kann. Der Einsatz einer hohen m° verbraucht den Treibstoffvorrat schnell (oder erfordert einen großen Vorrat), so dass es vorzuziehen ist, hohe Werte für ve anzustreben. Der Wert von ve wird durch praktische Erwägungen begrenzt, die davon abhängen, wie der Ausstoß in der Überschalldüse beschleunigt wird und welche Energieversorgung für die Treibstoffheizung zur Verfügung steht.
Die meisten Raketen gewinnen ihre Energie in thermischer Form durch die Verbrennung von Treibstoffen in kondensierter Phase bei erhöhtem Druck. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte werden durch die Düse ausgestoßen, die den größten Teil der thermischen Energie in kinetische Energie umwandelt. Die maximal verfügbare Energiemenge ist auf die durch die Verbrennung oder durch praktische Erwägungen aufgrund der hohen Temperaturen zur Verfügung stehende Energie begrenzt. Höhere Energien sind möglich, wenn andere Energiequellen (z. B. Elektro- oder Mikrowellenheizung) in Verbindung mit den chemischen Treibstoffen an Bord der Raketen verwendet werden, und extrem hohe Energien können erreicht werden, wenn die Abgase durch elektromagnetische Mittel beschleunigt werden.
Die effektive Abgasgeschwindigkeit ist die Kennzahl für den Raketenantrieb, da sie ein Maß für den Schub pro verbrauchter Treibstoffmasse ist, d. h.,
Werte von ve liegen im Bereich von 2.000-5.000 Metern pro Sekunde für chemische Treibstoffe, während für elektrisch beheizte Treibstoffe zwei- oder dreimal so hohe Werte angegeben werden. Für Systeme, die elektromagnetische Beschleunigung nutzen, werden Werte von über 40.000 Metern pro Sekunde vorhergesagt. In Ingenieurskreisen, vor allem in den Vereinigten Staaten, wird die effektive Ausstoßgeschwindigkeit häufig in Sekunden ausgedrückt, was als spezifischer Impuls bezeichnet wird. Die Werte in Sekunden erhält man, indem man die effektiven Ausstoßgeschwindigkeiten durch den konstanten Faktor 9,81 Meter pro Sekunde zum Quadrat teilt.
Bei einer typischen Chemieraketenmission sind 50 bis 95 % oder mehr der Startmasse Treibstoff. Dies lässt sich anhand der Gleichung für die Ausbrenngeschwindigkeit (unter der Annahme eines Fluges ohne Schwerkraft und Luftwiderstand) verdeutlichen.
In diesem Ausdruck ist Ms/Mp das Verhältnis von Antriebssystem und Strukturmasse zur Treibstoffmasse, mit einem typischen Wert von 0,09 (das Symbol ln steht für den natürlichen Logarithmus). Mp/Mo ist das Verhältnis von Treibstoffmasse zu Gesamtstartmasse, mit einem typischen Wert von 0,90. Ein typischer Wert für ve für ein Wasserstoff-Sauerstoff-System ist 3.536 Meter (11.601 Fuß) pro Sekunde. Aus der obigen Gleichung lässt sich das Verhältnis von Nutzlastmasse zu Startmasse (Mpay/Mo) berechnen. Für eine niedrige Erdumlaufbahn beträgt vb etwa 7.544 Meter pro Sekunde, so dass Mpay/Mo 0,0374 betragen müsste. Mit anderen Worten, man bräuchte ein 1.337.000 kg (2.948.000 Pfund) schweres Startsystem, um 50.000 kg (110.000 Pfund) in eine niedrige Umlaufbahn um die Erde zu bringen. Dies ist eine optimistische Berechnung, da Gleichung (4) die Auswirkungen von Schwerkraft, Luftwiderstand und Richtungskorrekturen während des Aufstiegs nicht berücksichtigt, die die Startmasse deutlich erhöhen würden. Aus Gleichung (4) ist ersichtlich, dass es einen direkten Kompromiss zwischen Ms und Mpay gibt, so dass alle Anstrengungen unternommen werden, um eine geringe Strukturmasse zu erreichen, und Ms/Mp ist eine zweite Kennzahl für das Antriebssystem. Während die verschiedenen Massenverhältnisse stark von der Mission abhängen, machen die Raketennutzlasten im Allgemeinen nur einen kleinen Teil der Startmasse aus.
Bei vielen Missionen wird eine Technik namens „Multiple Staging“ eingesetzt, um die Größe des Startfahrzeugs zu minimieren. Eine Trägerrakete trägt eine zweite Rakete als Nutzlast, die nach dem Ausbrennen der ersten Stufe (die zurückgelassen wird) gezündet wird. Auf diese Weise werden die trägen Komponenten der ersten Stufe nicht auf Endgeschwindigkeit gebracht, und der Schub der zweiten Stufe wird effektiver auf die Nutzlast übertragen. Die meisten Raumflüge verwenden mindestens zwei Stufen. Bei Missionen, die sehr hohe Geschwindigkeiten erfordern, wird die Strategie auf mehr Stufen ausgedehnt. Bei den bemannten Apollo-Mondmissionen der USA wurden insgesamt sechs Stufen verwendet.
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Zu den einzigartigen Merkmalen von Raketen, die sie nützlich machen, gehören die folgenden:
1. Raketen können sowohl im Weltraum als auch in der Erdatmosphäre eingesetzt werden.
2. Sie können so gebaut werden, dass sie einen sehr hohen Schub liefern (ein moderner schwerer Weltraumbooster hat einen Startschub von 3.800 Kilonewton (850.000 Pfund).
3. Das Antriebssystem kann relativ einfach sein.
4. Das Antriebssystem kann in einem zündbereiten Zustand gehalten werden (wichtig für militärische Systeme).
5. Kleinraketen können von einer Vielzahl von Startplattformen abgefeuert werden, von Verpackungskisten über Schulterraketen bis hin zu Flugzeugen (kein Rückstoß).
Diese Eigenschaften erklären nicht nur, warum alle Geschwindigkeits- und Entfernungsrekorde von Raketensystemen aufgestellt werden (in der Luft, zu Lande und im Weltraum), sondern auch, warum Raketen die einzige Wahl für die Raumfahrt sind. Sie haben auch zu einem Wandel in der Kriegsführung geführt, sowohl in strategischer als auch in taktischer Hinsicht. Die Entstehung und Weiterentwicklung der modernen Raketentechnologie lässt sich in der Tat auf Waffenentwicklungen während und nach dem Zweiten Weltkrieg zurückführen, wobei ein erheblicher Teil durch Initiativen der Raumfahrtbehörden wie das Ariane-, das Apollo- und das Space-Shuttle-Programm finanziert wurde.