Wie Raketen funktionieren: Triebwerkstechnik und Raumfahrtmechanik erklärt

Jeder Orbitalstart, von Schwerträgern staatlicher Raumfahrtagenturen bis zu kommerziellen Satellitenstarts, beruht auf derselben grundlegenden Physik, die vor über einem Jahrhundert erstmals beschrieben wurde. Das Verständnis dafür, wie ein Raketentriebwerk Schub erzeugt, warum Startfahrzeuge in Stufen unterteilt sind, und was es unterscheidet, eine Umlaufbahn zu erreichen oder die Erde ganz zu verlassen, hilft zu erklären, warum Raketentechnik eines der schwierigsten Probleme der Ingenieurskunst bleibt.

Die Physik hinter jedem Start

Nach Angaben des Glenn Research Center der NASA wird der Raketenschub in Übereinstimmung mit Newtons drittem Bewegungsgesetz erzeugt: Das Triebwerk beschleunigt Abgas in eine Richtung, und eine gleiche, entgegengesetzte Kraft treibt die Rakete in die andere Richtung. Brennstoff und Oxidationsmittel werden in einer Brennkammer vermischt und gezündet und erzeugen heißes, hochdruckvolles Gas, das durch eine Düse gezwungen wird, um den Durchsatz zu beschleunigen.

Das Glenn Research Center der NASA gibt an, dass der resultierende Schub von drei Faktoren abhängt: der Massendurchsatzrate des Abgases, seiner Austrittsgeschwindigkeit und dem Druck am Düsenausgang, ausgedrückt als F = ṁVe + Ae(pe − p0). Der engste Punkt der Düse, die sogenannte Kehle, ist der Ort, an dem das Abgas Schallgeschwindigkeit erreicht, was die Massendurchsatzrate festlegt; das Verhältnis zwischen Kehle und Ausgang bestimmt dann die Austrittsgeschwindigkeit und den Druck.

Die gleiche NASA-Quelle vermerkt den Schlüsselgrund, warum Raketen dort funktionieren, wo Strahlturbinen nicht können: Turbinen und Propeller sind auf atmosphärische Luft als Arbeitsfluid angewiesen, während eine Rakete ihr eigenes Oxidationsmittel mitträgt und daher Schub im Vakuum des Weltraums erzeugen kann.

Flüssigkeitsgetriebene und festkörpergetriebene Triebwerke

Das Glenn Research Center der NASA beschreibt zwei Haupttriebwerksfamilien. Bei einem flüssigkeitsgetriebenen Raketentriebwerk werden Brennstoff und Oxidationsmittel separat als Flüssigkeiten gelagert und in die Brennkammer gepumpt, was ermöglicht, dass der Brennstoff gedrosselt, gestoppt und manchmal neu gezündet werden kann. Bei einer Feststoffrakete sind die Treibstoffe bereits vermischt und in einen Festzylinder gepackt; nach der Zündung kann ein Feststoffmotor nicht ohne Beschädigung des Gehäuses abgeschaltet werden.

Die Erklärung des Smithsonian National Air and Space Museum 'How Things Fly' besagt, dass Feststoff oft für die früheste Zündung einer Rakete bevorzugt wird, da er gleichmäßig brennt und mechanisch einfach und stabil ist, während flüssiger Brennstoff einen Schub bietet, der während des Fluges eingestellt und kontrolliert werden kann, was besser für spätere, präziser verwaltete Flugphasen geeignet ist.

Warum Raketen in Stufen gebaut werden

Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeitsfähigkeit einer Rakete und ihrer Masse wird durch die Tsiolkovsky-Raketengleichung geregelt, die erstmals 1903 veröffentlicht wurde. Wie von The Planetary Society zusammengefasst, ist die Gesamtgeschwindigkeitsänderung (Delta-V), die eine Rakete erreichen kann, gleich ihrer Abgasgeschwindigkeit multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus ihres Massenverhältnisses — der anfänglichen betankten Masse geteilt durch die endgültige, ausgebrannte Masse.

Weil diese Beziehung logarithmisch ist, vermerkt The Planetary Society, dass sobald das gewünschte Geschwindigkeitsverhältnis etwa drei oder vier übersteigt, die benötigte zusätzliche Masse für jeden zusätzlichen Geschwindigkeitszuwachs steil ansteigt. Zusätzlicher Treibstoff muss selbst beschleunigt werden, sodass Geschwindigkeitsgewinne unverhältnismäßig teuer in Bezug auf Masse werden.

Stufenbildung löst Teil dieses Problems. Nach der Erklärung des Smithsonian, sobald eine Stufe ihren Treibstoff verbrannt hat, bieten ihre Struktur und ihr Triebwerk keinen nützlichen Schub mehr und werden stattdessen zu Mehrgewicht, das die Rakete verlangsamt, also werfen Startfahrzeuge jede ausgebrauchte Stufe ab, um die verbleibende Rakete zu erleichtern, bevor das nächste Triebwerk gezündet wird.

Umlaufbahn versus vollständiges Verlassen der Erde

Eine Umlaufbahn zu erreichen ist nicht dasselbe wie das vollständige Verlassen der Erdgravitation. Der Nachrichtendienst von Georgia Tech gibt Earths Fluchtgeschwindigkeit — die Mindestgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um auf Dauer vom Planeten wegzugleiten, ohne weitere Propulsion — als 25.020 mph oder etwa 40.000 Kilometer pro Stunde an.

Satelliten und bemannte Raumfahrzeuge in niedriger Erdumlaufbahn reisen viel langsamer als diese Zahl. Georgia Tech erklärt, dass in eine Umlaufbahn gebrachte Objekte mit Seitenimpuls gestartet werden, sodass während die Schwerkraft sie kontinuierlich zur Erde zieht, ihre Vorwärtsbewegung sie am Planeten vorbeträgt, anstatt ihn zu treffen, und sie kontinuierlich um die Erde fallen lässt, anstatt hinunter auf sie zu fallen. Das ist der Grund, vermerkt die Quelle, warum Tausende von Satelliten erfolgreich mit Geschwindigkeiten weit unter der vollständigen Fluchtgeschwindigkeit die Umlaufbahn nutzen.

Wiederverwendbarkeit: das Falcon-9-Beispiel

Moderne Startfahrzeuge versuchen zunehmend, Hardware zurückzugewinnen und wiederzuverwenden, statt sie zu verwerfen. Nach Wikipedia's Eintrag zum Falcon 9, betrieben von SpaceX, wird die erste Stufe des Fahrzeugs durch neun Merlin-1D-Triebwerke angetrieben, die flüssigen Sauerstoff und RP-1-Kerosin verbrennen, angeordnet in einer Konfiguration, die das Unternehmen Octaweb nennt.

Die gleiche Quelle gibt an, dass die erste Stufe nach der Trennung von der oberen Stufe Flügelfins nutzt, die nach der Trennung für aerodynamische Kontrolle ausgefahren werden, zusammen mit vier ausfahrbaren Landungsbeinen, um entweder auf dem Land oder auf einem autonomen Drohnenboot auf See zu landen. Ab dem 13. Oktober 2026, nach dem Eintrag, hatte jeder einzelne Falcon-9-Booster bis zu 37-mal geflogen.