Raketenantriebe

Raketen    Geschichte   Vorläufer des Raketenantriebs entstanden schon vor langer Zeit – meist zu militärischen Zwecken. In alten Zeiten benutzte man Schwarzpulver als Treibmittel. Diese „Raketen„ aus alter Zeit funktionierten ähnlich wie die heutigen Feuerwerksraketen. Im Jahr 1232 sollen in China bei der Verteidigung der Stadt Kaifeng gegen die Mongolen derartige Raketen zum Einsatz gekommen sein. Seit der Renaissance gibt es in der Literatur Hinweise auf den geplanten oder tatsächlichen Einsatz von Raketen in europäischen Kriegen. Bereits 1804 bildete die britische Armee ein Raketenkorps, das entsprechend ausgerüstet war.

Diese Raketen hatten eine Reichweite von etwa 1 830 Metern. 1926 wurde die erste, mit flüssigem Treibstoff angetriebene Rakete erfolgreich gestartet. Etwa im gleichen Zeitraum wurden in verschiedenen Teilen der Welt Experimente mit Raketenantrieben durchgeführt. Der 2.Weltkrieg lieferte den Anstoß für die Entwicklung weitreichender Raketen. So entwickelten beispielsweise die USA, die damalige UdSSR, Großbritannien und Deutschland gleichzeitig Raketen für militärische Zwecke.

Am Ende des Krieges nahm die US-Armee einige der mit flüssigem Treibstoff angetriebenen V-2-Raketen mit zurück in die Vereinigten Staaten, wo man sie bei Forschungsexperimenten für vertikale Flüge einsetzte.     Verlauf eines Fluges   Raketen startet man von einer eigens dafür konstruierten Abschußrampe. Sind alle Vorbereitungen abgeschlossen, werden die Raketentriebwerke gezündet und die Rakete hebt ab. Um das Schwerefeld der Erde überwinden zu können, muss die Rakete auf die Fluchtgeschwindigkeit von rund 40.320 km/h beschleunigt werden. Bei niedriger Geschwindigkeit bleibt die Rakete im Schwerefeld der Erde.

Ist die Rakete nicht mehr im Schwerefeld der Erde, so wird die Nutzlast vom Rest der Rakete weggesprengt.   Die Umlaufbahn um die Erde kann kreisförmig oder elliptisch sein. Auf einer kreisförmigen Umlaufbahn bewegt sich ein künstlicher Satellit mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Satelliten bewegen sich meist auf einer 36.000 km hohen Bahn. Diese wird als geostationäre Bahn bezeichnet.

Wenn er zusätzlich genau dieselbe Geschwindigkeit wie die Erde hat, so bleibt er in einer festen Position über einer bestimmten Stelle der Erde. Auf einer elliptischen Umlaufbahn ist die Geschwindigkeit veränderlich. In Erdnähe ist sie am höchsten und in Erdferne am niedrigsten. Solange die Umlaufbahn eines Flugkörpers im Vakuum des Weltraumes verläuft, wird sich der Körper ohne Antriebskraft auf dieser Umlaufbahn weiterbewegen, da keine abbremsenden Reibungskräfte vorhanden sind. Verläuft jedoch ein Teil oder aber die gesamte Umlaufbahn durch die Erdatmosphäre, wird der Körper durch den aerodynamischen Luftwiderstand verlangsamt. Dadurch sinkt seine Umlaufbahn immer tiefer, bis der Körper wieder vollständig in die Atmosphäre eingetreten ist und schließlich wie ein Meteor auf die Erdoberfläche herabstürzt.

  Beim Wiedereintritt in die Atmosphäre muß das zurückkehrende Raumschiff vor dem Verglühen geschützt werden. Hierzu werden Hitzeschilde aus Keramik, Kunststoffen und Metallen hergestellt.   Vor der Entwicklung des Space Shuttles, das auf einer Rollbahn landet, erfolgte die Landung aller bemannten US-Raumschiffe mit Hilfe von Fallschirmen im Meer. Die Astronauten und die Kapsel wurden per Hubschrauber geborgen und an Bord wartender Marineschiffe gebracht. Russische Raumschiffe landeten ebenfalls mit Hilfe von Fallschirmen, allerdings an Land.  DER ANTRIEB  Die Rakete wird nach dem Rückstoßprinzip angetrieben (d.

h. sie wird durch Abstoßen von Masse beschleunigt). Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einstufigen und mehrstufigen Raketen. Ein Beispiel für eine einstufige Rakete wäre jede beliebige Silvesterrakete. In der Raumfahrt sind diese jedoch bedeutungslos. Hier werden Mehrstufenraketen verwendet.

  Natürlich gibt es viele verschiedene gängige Antriebsarten. Auf diese werden wir nun im Detail eingehen.  Feststoffantrieb Feststoffraketen sind einfach aufgebaut. Sie bestehen im wesentlichen aus Gehäuse, Treibsatz und Düse. Die Brennkammer ist ein Zylinder, der an der einen Seite verschlossen und an der anderen von der Düse begrenzt wird. Förderungssysteme wie bei der Flüssigstoffrakete entfallen.

Stark vermischt wird der Treibstoff entweder direkt in das Brennkammergehäuse gegossen oder als gepresste Blöcke eingeschoben.    Hybridantrieb Ähnlich wie bei den Feststoffraketen besteht das Triebwerk der Hybridraketen aus einem zylindrischen Behälter und der Brennkammer. Über der Brennkammer ist der Flüssigkeitstank angebracht. Die Förderung der Flüssigkeit erfolgt meist durch Druckgas. Die Leistung des Hybridantriebs ist im allgemeinen größer als die der Feststofftriebwerke und reicht teilweise an die Leistung von Flüssigkeitstriebwerken heran.    Flüssigstoffantrieb Bei Flüssigstoffraketen wird der Sauerstoffträger und der Treibstoff im flüssigen Zustand mitgenommen.

Diese werden mit Hilfe von Turbopumpen in die Brennkammer gepumpt. Dort können Temperaturen bis zu 4200oC auftreten. Bei Flüssigstoffraketen ist es relativ einfach den Schub durch Drosselung der Treibstoffzufuhr zu regeln und die Rakete nach Brennschluß erneut zu zünden. Schwenkbar angebrachte Triebwerke werden zur Lage- und Kursstabilisierung durch Änderung der Schubrichtung. Oft verwendete Sauerstoffträger sind z.B.

: Sauerstoff und Salpetersäure. Häufig eingesetzte Brennstoffe sind Wasserstoff und Kerosin.    Kernenergieantrieb  Bei Verwendung der Atomenergie erhält man gegenüber chemischen. Verbrennungsprozessen beträchtlich höhere Energieausbeute. Die Teilchen, die ausgestoßen werden, haben eine sehr hohe Geschwindigkeit, der Wirkungsgrad ist aber wesentlich schlechter als in chemischen Triebwerken. Die NASA arbeitete zwischen in den 60-er Jahren an der Entwicklung eines derartigen Triebwerkes.

Dieses Programm wurde jedoch aus finanziellen Gründen und aus Umweltschutz eingestellt. Wesentlich energiereicher als die Kernspaltung wäre die Kernverschmelzung wie in der Sonne. Doch ist bis heute die direkte Nutzung der Fusions-, wie auch der Strahlungsenergie leider noch nicht gelungen.    Elektroantrieb  Elektrische Antriebssysteme haben gegenüber den chemischen Antrieben große Vorteile. Die Ausströmgeschwindigkeit ist um vieles größer. Jedoch ist die Menge an Stoffen die beschleunigt wird viel kleiner.

Der Antriebsimpuls ist durch die kleine Masse natürlich kleiner, aber diese geringe Beschleunigung dauert viel länger an. Ein chemisches Triebwerk brennt eine kurze Zeit und dann bewegt sich die Rakete mit immer derselben Geschwindigkeit weiter. Im Gegensatz dazu kann die Beschleunigung bei der elektrischen Rakete mehrere Monate anhalten. Beim elektrischen Triebwerk werden in einer Vakuumkammer elektrisch geladene Teilchen von elektrostatischen Feldern beschleunigt und ausgestoßen. Die Elektrizität kommt aus Solarzellen. Die elektrischen Antriebssysteme werden in Zukunft sicher eine große Rolle in der Erforschung des Weltraums spielen.

Die Flexibilität der elektrischen Antriebe bedeutet nicht, daß andere Antriebssysteme völlig unnötig würden. Um von der Erdoberfläche in den Weltraum gelangen zu können werden wir weiterhin chemische Raketen oder einen Antrieb mit ebenso hoher Schubkraft benötigen. Außerdem funktionieren elektrische Antriebe nur im Vakuum.  Die Gefahren  Beginnen wir bei den Feststoffraketen. Die Wahrscheinlichkeit, daß bei Flügen mit Feststoffraketen nichts passiert, ist eher gering. Sie liegt bei etwa 1 zu 50.

Das Hauptproblem ist, daß man den Brennvorgang nach dem Zünden nicht mehr stoppen kann. Wenn die Rakete außer Kontrolle gerät, kommt es fast immer zur Katastrophe. Bei den Flüssigstoffraketen gibt es einen großen Vorteil. Sie lassen sich abschalten. Sie sind aber weitaus komplizierter aufgebaut. Dies birgt jedoch einen Vorteil in sich.

Jeder Bauteil muß einzeln genau konstruiert und gesondert getestet werden. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, daß es einen Ausfall gibt, etwas geringer. Diese liegt bei etwa 1 zu 500. Die Gefahren liegen aber nicht nur bei den Raketen selbst. Bei den vielen Missionen im Weltraum fällt natürlich auch Müll an (u.a.

Teile abgesprengter Satellitenverkleidungen). Dieser Müll fliegt frei im Weltraum umher. So befinden sich derzeit mehr als 70.000 Bruchstücke mit mehr als einem Zentimeter Durchmesser im Erdumlauf. Sie stellen für die Erde einen zunehmende Bedrohung dar.  Abschließend ist zu Bemerken, daß die Entwicklung der Raketen noch lange nicht zu Ende ist.

Man wird in der Zukunft sicherlich auf neuartige und bessere Systeme setzen. Raketen   Geschichte  Die Rakete entstand um 1200 in China. Seit der Renaissance (15. Jh.) gibt es Hinweise auf Einsätze von Raketen in europäischen Kriegen. 1926 startete die erste Flüssigstoffrakete.

Im zweiten Weltkrieg wurden weitreichende Raketen entwickelt (Bsp.: V2).    Flugverlauf  Abschuss Erreichen der Fluchtgeschwindigkeit (40.320 km/h ), Überwindung des Schwerefeldes der Erde Nutzlast wird von Rakete weggesprengt Beim Zurückkehren aus dem Weltraum treten Temperaturen bis 3.000°C auf Landung meist im Wasser    Antriebsarten  Feststoffantrieb feste Substanz wird gezündet ® nicht abschaltbar Hybridantrieb Mischung zwischen Fest- und Flüssigstoffantrieb Flüssigstoffantrieb flüssige Substanz wird gezündet Kernenergieantrieb mit Hilfe von Kernenergie wird Druck erzeugt Elektroantrieb kleinste Teilchen werden beschleunigt und ausgestoßen    Gefahren  Technische Probleme (besonders beim Start) Weltraummüll, der im Weltraum umherfliegt  

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