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Raketen 101: Wie genau funktionieren Raketen?

Raketen 101: Wie genau funktionieren Raketen?


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Seit vielen Jahrhunderten treiben Menschen kontrollierte Explosionen an, um Objekte anzutreiben. Diese oft als Raketen bezeichneten Geräte werden heute häufig als Feuerwerk, Signalfackeln, Kriegswaffen und zur Erforschung des Weltraums eingesetzt.

Aber wie funktionieren sie eigentlich? Lassen Sie uns einen kurzen Blick darauf werfen.

Dieser Artikel ist nicht als umfassender Leitfaden gedacht, da Raketenwissenschaft schließlich "Raketenwissenschaft" ist.

Wie genau funktionieren Raketen?

Sie könnten versucht sein, an Raketen zu denken, die einfach "sich durch die Luft schieben". Da Raketen aber auch im Vakuum des Weltraums perfekt funktionieren können, ist dies nicht wirklich der Fall.

Sie arbeiten, wie bereits erwähnt, nach dem Prinzip des dritten Newtonschen Bewegungsgesetzes, das oft als "für jede Handlung gibt es eine gleiche und gegensätzliche Reaktion" bezeichnet wird. Raketen arbeiten also tatsächlich, indem sie den Schwung nutzen - die Kraft, die ein sich bewegendes Objekt hat.

Wenn alle Dinge gleich sind und keine äußeren Kräfte vorhanden sind, muss der kombinierte Impuls einer Gruppe von Objekten über die Zeit konstant bleiben. Dies ist in Newtons berühmtem dritten Bewegungsgesetz zusammengefasst.

Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf einem Skateboard und halten einen Basketball in den Händen.

Wenn Sie den Basketball in eine Richtung werfen würden, würden Sie (und das Skateboard) mit der gleichen Kraft in die entgegengesetzte Richtung rollen. Je mehr Kraft beim Werfen des Balls ausgeübt wird, desto mehr Kraft treibt das Skateboard in die entgegengesetzte Richtung.

Raketen funktionieren ähnlich. Durch das Ausstoßen von heißem Abgas von einem Ende der Rakete wird die Rakete in die entgegengesetzte Richtung angetrieben - genau wie im Skateboard-Beispiel.

Auto- oder Flugzeugtriebwerke, einschließlich Düsentriebwerke, benötigen Luft, um zu arbeiten (nun, sie benötigen den darin enthaltenen Sauerstoff), und aus diesem Grund können sie nicht im Vakuum des Weltraums arbeiten. Raketen hingegen funktionieren perfekt im Weltraum.

Aber wie?

Im Gegensatz zu Verbrennungs- oder Strahltriebwerken tragen Raketen Oxidationsmittel mit sich. Genau wie der Kraftstoff können diese entweder in fester, flüssiger oder hybrider Form vorliegen (dazu später mehr).

Das Oxidationsmittel und der Kraftstoff werden in der Brennkammer der Rakete gemischt und die Abgase werden mit hoher Geschwindigkeit von der Rückseite der Rakete ausgestoßen. All dies geschieht in Abwesenheit von Luft - im Gegensatz zu Autos und Flugzeugen haben Raketen keine Lufteinlässe.

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Die Moleküle des Raketenabgases sind einzeln sehr klein, aber sie treten sehr schnell aus der Raketendüse aus (was ihnen viel Schwung verleiht). Genug, um einem Multi-Tonnen-Objekt den Impuls zu geben, den es benötigt, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen.

Was sind die Hauptteile einer Rakete?

Die meisten modernen Raketen bestehen aus mindestens zwei Stufen. Dies sind Abschnitte der Rakete, die in einer zylindrischen Hülle übereinander gestapelt sind (auch als serielle Inszenierung bezeichnet).

Ein Beispiel für diese Form der Raketeninszenierung ist die Saturn V-Serie der NASA.

Andere Raketentypen verwenden eine parallele Inszenierung. In diesem Fall werden kleinere erste Stufen am Körper einer zentralen "Sustainer" -Rakete befestigt. Raketen wie die Titan III und Delta II der NASA verwenden diese Art der Inszenierung.

Jede Stufe hat ihre eigenen Motoren, deren Anzahl je nach Ausführung variiert. Zum Beispiel hat die erste Stufe des Falcon 9 von SpaceX neun Triebwerke, während die Antares-Rakete von Northrop Grumman zwei hat.

Die Aufgabe der ersten Stufe besteht darin, die Rakete aus der unteren Atmosphäre herauszuholen. Möglicherweise gibt es auch zusätzliche Seitenverstärker, die helfen.

Da diese Anfangsphase das Gewicht der gesamten Rakete tragen muss (mit Nutzlast und nicht verbrauchtem Treibstoff), ist sie normalerweise der größte und leistungsstärkste Abschnitt.

Wenn die Rakete beschleunigt, stößt sie zunächst auf eine Erhöhung des Luftwiderstands. Wenn es sich jedoch höher bewegt, wird die Atmosphäre dünner und der Luftwiderstand nimmt ab.

Dies bedeutet, dass die Belastung der Rakete während eines typischen Starts zunächst auf einen Höhepunkt ansteigt und dann wieder abfällt. Der Spitzendruck ist als max q bekannt.

Für den SpaceX Falcon 9 und den United Launch Alliance Atlas V wird max q normalerweise zwischendurch erlebt 80 und 90 Sekunden eines Starts, in einer Höhe zwischensieben (11 km) zu 14,5 km.

Sobald die erste Stufe ihren Dienst beendet hat, lassen Raketen diesen Abschnitt normalerweise fallen und entzünden ihre zweite Stufe. Die zweite Stufe hat weniger Arbeit zu erledigen (weil sie weniger Masse zum Bewegen hat) und hat den Vorteil, dass sie eine dünnere Atmosphäre hat, mit der sie fertig werden kann.

Aus diesem Grund besteht die zweite Stufe oft nur aus einem einzigen Motor. Die meisten Raketen werfen auch in diesem Stadium ihre Verkleidungen ab (dies ist eine spitze Kappe an der Raketenspitze, die die Nutzlast schützt).

In der Vergangenheit verbrannten weggeworfene untere Teile der Rakete einfach in der Atmosphäre. Ab etwa den 1980er Jahren begannen die Ingenieure, diese Abschnitte so zu gestalten, dass sie wiederherstellbar und wiederverwendbar sind.

Private Unternehmen wie SpaceX und Blue Origin haben dieses Prinzip weiterentwickelt und sie so konzipiert, dass sie zur Erde zurückkehren und selbst landen können. Dies ist vorteilhaft, da je mehr Teile wiederverwendet werden können, desto billiger können Raketenstarts werden.

Welcher Treibstoff wird in einer Rakete verwendet?

Moderne Raketen verwenden entweder flüssige, feste oder hybride Brennstoffe. Flüssige Kraftstoffformen werden in der Regel als Erdöl (wie Kerosin), Kryogene (wie flüssiger Wasserstoff) oder Hypergole (wie Hydrazin) klassifiziert.

In einigen Fällen können auch Alkohol, Wasserstoffperoxid oder Distickstoffoxide verwendet werden.

Feste Treibmittel kommen in der Regel in zwei Formen vor: homogen und zusammengesetzt. Beide sind sehr dicht, bei Raumtemperatur stabil und leicht zu lagern.

Ersteres kann entweder eine einfache Base (wie Nitrocellulose) oder eine doppelte Base (wie eine Mischung aus Nitrocellulose und Nitroglycerin) sein. Verbundfeste Treibmittel verwenden dagegen ein kristallisiertes oder fein gemahlenes Mineralsalz als Oxidationsmittel.

In den meisten Fällen basiert der eigentliche Kraftstoff auf Aluminium. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden üblicherweise mit einem Polymerbindemittel zusammengehalten, das auch während der Verbrennung verbraucht wird.

Wie funktionieren Raketenstartfelder?

Launchpads sind, wie der Name schon sagt, Plattformen, von denen aus Raketen abgefeuert werden. Sie sind in der Regel Teil eines größeren Komplexes, einer Einrichtung oder eines Raumhafens.

Ein typisches Launchpad besteht aus einem Pad oder einer Launch-Halterung, bei der es sich normalerweise um eine Metallstruktur handelt, die die Rakete vor dem Absprung in aufrechter Position trägt. Diese Strukturen werden unter anderem Versorgungskabel haben, die die Rakete antreiben und vor dem Start Kühlmittel bereitstellen.

Sie neigen auch dazu, Blitzableiter zu haben, um die Rakete bei Gewittern zu schützen.

Das Design der Startkomplexe hängt vom Design der Rakete und den Anforderungen des Bedieners ab. Zum Beispiel hat das NASA Kennedy Space Center das Space Shuttle so konzipiert, dass es vertikal an einer Rakete befestigt und auf einem massiven panzerähnlichen Fahrzeug namens "Crawler" zur Startrampe gebracht wird.

In Russland wurden Raketen zusammengebaut und horizontal zur Startrampe transportiert, bevor sie aufrecht gehoben wurden vor Ort.


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