RAOnline EDU: Weltraum - Raumfahrt: Raketen - physikalische Grundlagen, NASA Trägerrakete Delta II
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Raketen - Physikalische Grundlagen
Im Gegensatz zu Flugzeugen sind Raketen nicht auf den engeren Bereich der Erdatmosphäre begrenzt. Raketen benötigen weder den Auftrieb durch die Luft, noch den in der Luft enthaltenen Sauerstoff zur Treibstoffverbrennung in der Brennkammer. Da Raketen sämtliche zur Verbrennung benötigten Substanzen in fester oder flüssiger Form selbst mitführen, können sie sowohl im lufterfüllten als auch im luftleeren Raum (Vakuum) arbeiten.

Die Rakete arbeitet nach dem Prinzip des Rückstosses (actio = reactio; 3. Newtonsches Gesetz). Genau die gleiche Kraft, die wir beim Abfeuern einer Pistolenkugel in unserem Arm verspüren, treibt die Rakete vorwärts.
Eine Rakete fliegt, indem sie eine möglichst hohe Masse an kleinen Teilchen (= Verbrennungsgase) aus ihrem Triebwerk ausstösst und der dabei entstehende Impuls sie in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Der entstehende Rückstoss (= Raketenschub) ist um so grösser, je höher der zeitliche Treibstoff-Massendurchlass und je höher die Ausströmgeschwindigkeit ist.

Eine möglichst hohe Ausströmgeschwindigkeit der Raketenabgase aus dem Triebwerk ist schon deshalb ein steter Wunsch jedes Raketenherstellers, weil mit höherer Gasgeschwindigkeit auch die Raketengeschwindigkeit steigt. Daneben spielt für letztere auch das sog. Massenverhältnis, der Quotient aus Start- und Endmasse (im Moment des Brennschlusses) eine grosse Rolle.

Von daher ist auch der Zwang der extremen Leichtbauweise im Raketenbau zu verstehen: Von der Gesamtstartmasse einer Rakete muss ein möglichst hoher Anteil auf den Treibstoff und nur ein möglichst geringer Anteil auf die Raketenstruktur (Zelle, Triebwerk, Tanks, Treibstofförderung, Elektronik, Bergungssystem usw.) fallen.

Trotz Verwendung modernster hochenergetischer Raketentreibstoffe und trotz extremer Leichtbauweise erreichen einstufige Raketen jedoch nicht die zum Transport von Erdsatelliten benötigten Fluggeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 8 km/s. Es müssen daher für diese Aufgaben mehrstufige Raketen eingesetzt werden. Bei ihnen zündet die Oberstufe nach Brennschluss und Abtrennen der Unterstufe, so dass die obere Stufe bereits bei Brennbeginn eine Fluggeschwindigkeit entsprechend der Brennschlussgeschwindigkeit der ersten Stufe besitzt. Die Brennschlussgeschwindigkeiten der einzelnen Stufen addieren sich also, so dass sich mit diesem Prinzip sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen lassen. Allerdings hat das Stufenprinzip auch Nachteile: Je mehr Stufen eine Rakete hat, desto grösser ist der technische Aufwand und desto weniger Nutzlast kann sie befördern.

Zweistufige Raketen erreichen eine Höhe von 100±20 km. Die Gesetze der Physik geben vor, dassder Energieaufwand, welcher für eine Geschwindkeitserhöhung einer Masse erforderlich ist, im Quadrat zum Verhältnis der Geschwindigkeitszunahme ansteigt. Es braucht viermal mehr Energie, um einen Körper von 1'000 km/h auf 2'000 km/h zu beschleunigen als von 0 km/h auf 1'000 km/h.

Eine hohe Nutzlast und eine hohe Fluggeschwindigkeit sind konträre Forderungen, die sich nicht gleichzeitig erfüllen lassen. Wenn dennoch grosse Nutzlasten (z. B. bemannte Raumschiffe) auf hohe Fluggeschwindigkeiten gebracht werden müssen, führt dies zwangsläufig zu sehr grossen Trägerraketen.

Ein markantes Beispiel für diesen Sachzwang im Raketenbau ist die frühere dreistufige Rakete Saturn V der NASA, die bis 1972 im US-Mondlandeprogramm, "Apollo" sowie zum Start der ersten amerikanischen Experimental-Weltraumstation "Skylab" (im Mai 1973) venwendet wurde: Diese 111 m hohe Rakete mit einer Startmasse von knapp 3'000 t konnte 130 t auf eine 500 km hohe Bahn um die Erde bzw. rund 45 t zum Erdmond befördern. Beim Abheben dieser Rakete lieferten die fünf Triebwerke der 1. Stufe einen Gesamtschub von 3'400 t.

Gravitation Schwerkräfte oder Massenanziehungskräfte

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