Referat Raketenantriebe - DER ANTRIEB

Raketenantriebe

Die Raketen dienen zur Beförderung von Nutzlasten, welche in den Weltraum transportiert werden sollen. Nutzlasten wie z.B.: Satelliten zum Aussetzen in deren vorgesehenen Umlaufbahnen; Astronauten; Roboter; Forschungs- Apparaturen und Weltraumstationen. Die Form einer Rakete ist gekennzeichnet durch ihren Antrieb da er so groß ist. Die Kapsel in der sich die Astronauten befinden spielt in dieser Hinsicht nur eine sekundäre Rolle. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einstufigen und mehrstufigen Raketen. Ein Beispiel für eine einstufige wäre jede beliebige Silvesterrakete. Bei mehrstufigen Raketen unterscheidet man zwischen 5 verschiedene Typen:

1) Serienstufenraketen: Bei ihr ist bei dem Start nur ein Triebwerk in Aktion. Die einzelnen Stufen werden der Reihe nach abgeworfen. Sie ist außerdem die primitivste Form.

Dann gibt es noch Teilstufenrakete:

Sie haben den Vorteil, daß man gleich beim Start mehrere Triebwerke betreiben kann.

Das selbe gilt auch bei der Bündelrakete mit Kreuzpumpenantrieb Jedoch kann bei dieser Form eine größere Startleermasse abgeworfen werden.

Die Paralellstufenrakete:

Bei ihr werden zum Antrieb weitere kleinere Hilfsstufen gezündet.

Außerdem die beim Space-Shuttle erfolgreich angewandten Huckepackstufenraketen. Diese besteht aus einer Grundstufe und einer geflügelten 2 Stufe.

Eine besondere Problematik bei den Mehrstufenraketen ist:

Die Trennung muß gleichzeitig und mit der richtigen Kraft voneinander getrennt werden. Dies geschieht durch Federn, Sprengbolzen, oder Sprengschnüren. Außerdem gibt es Querschubraketen. Natürlich darf die nächste Brennstufe erst nach ein paar Sekunden gezündet werden.

DER ANTRIEB

In den Raketenantiebswerken wird durch innere Umsetzung der Bindungsenergie des Arbeitsmittels (chemischen Reaktion) oder durch Energiezufuhr von außen (physikalischen Reaktion) unterrichtete kinetische Energie (Bewegungsenergie) erzeugt und in einen 2-ten Prozeß z.B.: in Düsen oder elektrischen Beschlueunigungsfeldern, in gerichtete Strömungsenergie umgewandelt, die nach dem Gesetz von Aktion und Reaktion die entgegengesetzte Schubkraft bewirkt. Entsprechend den ablaufenden Reaktionen unterscheidet man zwischen chemischen + physikalischen Raketenantriebssystemen. Entsprechend ihrer Funktionsweise Thermischen Antrieb (ausströmen heißer Gasmassen), elektrische Antriebe (Partikel + Photonenantrieb, Beschleunigung eines Arbeitsmediums mittels elektrischer Felder). Und Quantenantrieb (Rückstoß durch die bei Kernprozessen freiwerdenden energiereichen Partikeln und Photonen).

Auf die Antriebssysteme werden wir nun im Detail eingehen.

1) Feststoffantrieb: Feststoffraketen sind einfach aufgebaut.

Sie bestehen im wesentlichen aus Gehäuse Treibsatz + 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 Flüssigkeisrakete entfallen. Die Brennkammerverwandung ist aus Metall oder glasfaserverstärkten Epoxid- oder Phenolharzen hergestellt. Stark vermischt wird der Treibstoff entweder direkt in das Brennkammergehäuse gegossen oder als gepreßte Blöcke eingeschoben. Das Flugprogramm von Feststoffraketen erfordert vielfach sehr unterschiedliche Schubwerte. Diese hängen von der Gasentwicklung beim zu verbrennenden Treibstoff ab. Der Treibstoff kann mit unterschiedlichen Formen in dem Zylinder sein. Es gibt einen Stirnbrenner. Er wird z.B.: bei Silvesterraketen verwendet.

Allseitsbrenner haben eine größere Oberfläche als die Stirnbrenner, jedoch sonst gleich gebaut.

Sterninnenbrenner da beim Start der größte Schub erforderlich ist, ist in diesem Moment die Oberfläche am größten. Diese nimmt im Laufe des Fluges ab.

Die Hitzeeinwirkung auf die Brennkammerwände meist durch den noch nicht verbrannten Treibstoff, der einen Wärmeisolator darstellt, gemindert.

Hybridantrieb

Ahnlich wie bei den Feststoffraketen besteht das Triebwerk der Hybridraketen aus einem zylindrischen Behälter, der gleichzeitig Vorratsbehälter für den festen Treibstoff (meist der Brennstoff) + der Brennkammer ist. Über der Brennkammer ist der Flüssigkeitstank (für den Oxidator) angebracht. Der umgekehrte Fall, Oxidator im festen zustand und flüssiger Brennstoff ist sehr selten. Die Förderung der Flüssigkeit erfolgt meist durch Druckgas, da eine Pumpenanlage mit ihrem komplizierten Aufbau die Herstellung erschweren würde. Die Leistung des Hybridantriebs ist im allgemeinen größer als die der Feststofftriebwerke und reicht teilweise an die Leistung von Flüssigkeitstriebwerken heran. Wenn auch gegen die Bedeutung des Hybridantriebs hinter der der Flüssigkeits- und Feststoffantrieben zurücksteht haben sie Dank ihrer vielen Vorteile wie z.B.: leichte Schubregelung, einfacher Aufbau und gefahrloserer Betrieb durchaus eine gewisse Zukunft.

Flüssigkeitsraketen

Bei Flüssigkeitsraketen ist Oxidator und Treibstoff im flüssigen Zustand. Diese werden mit Hilfe von Turbopumpen in die Brennkammer gepumpt. Aufgrund der höheren Verbrennungstemperaturen (bis 4200°C) besteht die meist zylindrische Brennkammer große Triebwerke fast ausschließlich aus längsverlaufenden Kühlröhrchen durch die der Brennstoff vor der Einspritzung zwecks Kühlung geleitet wird. Bei den Brennkammern kleinerer Triebwerke ist auch die Strahlungskühlung sinnvoll; bei ihr wird die auf die Brennkammerwände übergehende Wärme als Temperaturstrahlung abgegeben.

Bei Flüssigkeitsraketen 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 Anderung der Schubrichtung. Oft verwendete Oxidatoren sind z.B.: Sauerstoff, Salpetersäure und Stickstofftetroxid. Häufig eingesetzte Brennstoffe sind Wasserstoff, Hydrazin, Aerozin, UDMH (unsymmetrisches Dimethylhydrazin) und Kerosin.

Kernenergieantriebssysteme

Kernenergieraketentriebwerke verwenden die bei Kernreaktionen frei werdende Energie zum Vortrieb. Im Gegensatz zum chemischen. Antrieb ist bei ihnen kein zwischengeschalteter Energiewandler erforderlich. Es handelt sich nämlich um eine direkte Aufheizung des Arbeitsmediums, gefolgt von einer Abkühlung in der Düse. Diese Entspannung ist also nicht eine Verbrennung in klassischen Sinn. Bei Verwendung der Atomenergie erhält man gegenüber chemischen. Verbrennungsprozessen beträchtlich höhere Energieausbeute. So betragen die theoretischen Treibstoffgeschwindigkeiten beim radioaktiven Poloniumzerfall                                                                                                                                              (Kernzerfall) sind sehr hoch. Bei der Uranspaltung (Fission) etwa 43.000.000 km/h und bei der Kernverschmelzung etwa 120.000.000 km/h. Allerdings ist die Effizienz, das ist auch der Wirkungsgrad, bei der Umwandlung von Atomenergie in kinetische Energie des Raketenstrahls wesentlich schlechter als in chemischen. Triebwerken.

Aussichtsreichster Kernenergieantrieb ist das thermische Fissionsraketentriebwerk. Das Arbeitsmedium z.B.: flüssiger Wasserstoff (auch andere Stoffe mit geringen molekularen Gewicht wie etwa Helium oder Ammoniak sind möglich). Dieser Stoff wird durch eine Turbopumpe durch den Kern eines Reaktors gepreßt.

Die NASA arbeitete zwischen in den 60-er Jahren an der Entwicklung eines derartigen nuklearthermischen Triebwerkes. Es war für einen Schub von 340.000 N ausgelegt. Dieses Programm wurde jedoch aus finanziellen Gründen und aus Umweltschutz eingestellt.

Wesentlich energiereicher noch als die Kernspaltung wäre die Kernverschmelzung wie in der Sonne. Doch ist bis heute direkte Nutzung des Fusions-, wie auch der Strahlungsenergie leider noch nicht gelungen. Ein Vorschlag aus jüngerer Zeit sieht kontinuierliche Zündung von kleinsten Wasserstoffbomben im Brennpunkt eines konkaven (gebogenen) nach unten offenen Reflektors vor. Die Bomben könnten durch hochbeschleunigte kleine Teichen (Laser- oder Elektronenstrahlen) gezündet werden. Die damit erreichbaren Ausströmungsgeschwindigkeiten liegen theoretisch bei 3.600.000 km/h. Die Schubkraft könnte mehrere Millionen Newton betragen.

Elektrische Raketen (Ionengasraketen)

Elektrische Antriebssysteme haben gegenüber den chemischen Antrieben immense Vorteile. Die Ausströmgeschwindigkeit ist um vieles größer. Jedoch ist der Massendurchsatz, also die menge an Stoffen die beschleunigt wird viel kleiner. Im allgemeinen werden sehr kleine Partikel beschleunigt. Dies nennt man Partikelstrahl. Dieser besteht meist nur aus winzigsten Atomen oder Molekülen. 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. Die ungefähre Beschleunigung beträgt ca. 1 cm pro Sekundenquadrat (etwa einem Tausendstel der Erdbeschleunigung). Das würde nach einer Dauer von einem Monat bereits einer Geschwindigkeit von 26 km pro Sekunde entsprechen. Man sieht also, daß ein sich elektrischer Antrieb nicht für schnelle Starts eignet (wo ja weitaus höhere Beschleunigungen benötigt werden), sondern für die Erkundung innerhalb des Sonnensystems über weite Strecken. Die elektrischen Raketen werden momentan noch entwickelt, sind aber mit ziemlicher Sicherheit die Antriebssysteme der Zukunft. Die Beschleunigung dieser elektrischen Raketen wird, wie der Name schon sagt, durch Strom erzeugt. Diese Elektrizität kommt aus Solarzellen. Diese Dünnfilmsolarzellen sind sehr dünn. Von ihrer Leistung hängt die Beschleunigung ab. Macht man jedoch die Solarzellen sehr groß, haben sie eine höhere Masse. Jedoch um so höher die Masse ist, um so größer ist die Trägheit und um so weniger Beschleunigung erreichbar. Es kommt also darauf an, möglichst leichte und effiziente Solarzellen zu bauen. Die physikalisch geringste Dichte bei Dünnfilmsolarzellen liegt bei etwa 1 Gramm pro m². Dieser, in den Solarzellen erzeugter Strom ionisiert ein Gas (z.B.: Xenon, Wasserstoff). Dieses Gas wird durch Ströme von 3 bis 15 kV ionisiert (also Hochspannung). Dann in Elektronen und Kationen getrennt. Anschließend werden die Kationen mit Anoden beschleunigt. Diese Kationen werden dann durch die Elektronen wieder neutralisiert. Also damit sie nicht wieder zurück ins Triebwerk fliegen! Wichtig ist noch, daß eine chemischer Treibstoff Energie und Impuls in sich hat. Während bei den elektrischen Raketen die Energie (Sonnenlicht) und der Impuls (Ionenstrahl) unabhängig voneinander sind. Somit vermag man  hinsichtlich Geschwindigkeit, Effizienz und Ökonomie bis an die physikalischen Grenzen zu gehen. Das heißt, daß sich Nutzlasten nicht mehr billiger und vielseitiger in jeden Winkel des Sonnensystems befördern lassen. Diese 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 (also im Weltraum).

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. Weiterhin sind die Dichtungsringe spröde. Wenn die Rakete außer Kontrolle gerät, kommt es fast immer zur Katastrophe. So auch bei dem Challenger Unfall. Nur weil ein kleiner Dichtungsring spröde und rissig wurde, trat fester Treibstoff aus und entzündete sich. Das kostete der gesamten Crew das Leben. Dann gibt es auch noch die Flüssigkeitsantriebe. Bei ihnen gibt es einen großen Vorteil. Sie lassen sich abschalten. Sie ist aber weitaus komplizierter aufgebaut. Dies birgt aber 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. Dabei sind die größten Probleme bei den Turbopumpenschaufeln. Sie bekommen Risse und werden kaputt. Außerdem machen den Konstrukteuren verschieden Schwingungsfreqenzen zu schaffen. z.B.: kann man manche Triebwerke bei einer Schwingung von 4000 Hz überhaupt nicht einsetzen.

Abschließend ist zu Bemerken, daß die Entwicklung der Raketen noch lange nicht zu Ende ist. Man wird in der Zukunft sehr auf neuartige und bessere Systeme setzen.