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Raket
Für das Eis siehe Rakete (Eis). Zur Pflanzengattung siehe Sisymbrium.
Das V-2, Der Erste ballistische Rakete

EIN Raketenschiff ist ein Objekt, das von a . angetrieben wird Reaktionsmotor mit der erforderlichen Reaktionsmasse an Bord.

Schub

Die Rakete bekommt Impuls vorwärts, indem Masse (normalerweise heiße Gase) mit hoher Geschwindigkeit nach hinten ausgestoßen wird. Dies ist beschrieben nach der Die Raketengleichung von Tsiolkovsky. Denn neben dem Kraftstoff ist die Oxidationsmittel (wie Sauerstoff) bevor der Motor an Bord ist, kann auch eine Rakete Vakuum arbeiten. Ein wichtiger Parameter eines Raketensystems ist der spezifischer Impuls: je höher, desto sparsamer im Umgang mit Reaktionsmasse. Außerdem ist es bei einem Start wichtig, dass die Rakete mehr Kraft ausüben kann als ihr Eigengewicht. Einmal im Weltraum, kann auch der Langzeitbetrieb mit begrenzter Kapazität gut funktionieren. Die benötigte Energie stammt meist aus einer chemischen Reaktion, die die Reaktionsmasse durchläuft (chemische Rakete), kann aber im Dauerbetrieb mit begrenzter Kapazität beispielsweise auch von der Sonne kommen.

Eine große Chemierakete ist oft ein mehrstufige Rakete. Einige Trägerraketen sind modulare Raketen. Dies bedeutet, dass je nach Masse, Größe und benötigter Geschwindigkeit der Nutzlast zusätzliche Booster-Raketen, eine andere oder zusätzliche Raketenoberstufe oder eine andere Bugkonusgröße verwendet werden können.

Aerodynamik und Steuerung

Früher und heute haben einfache, kleine Raketen eine scharfe Form, um den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten. Die Flossen (genau wie Angeln die sichergestellt haben, dass diese Art von Raketen während des atmosphärischen Teils des Fluges nicht unkontrolliert dreht oder wackelt. Eine solche Rakete kann durch Drehen der Flossen gesteuert werden.

Größere Raketen haben heute in der Regel einen stumpfen (abgerundeten) Nasenkonus, da dieser die Wärme aufgrund des Überschall-Luftreibungswiderstands besser ableiten kann. Eine Ausnahme bilden die Raketen, die ein Raumschiff mit einem Fluchtturm starten (wie z sojus und Orion) starten. Nach dem Passieren der karmanlineán Der aerodynamische Bugkonus, der die Ladung vor Winddruck schützt, wird gemeinhin als Raumbegrenzung angesehen. In dieser Höhe ist praktisch keine Luft mehr vorhanden und mit weniger Masse an Bord kann die Rakete effektiver beschleunigen.

Die Steuerung erfolgt nicht mehr über Flossen, sondern wird mit folgenden (Kombinationen von) Methoden erreicht:

  • Ein beweglicher Raketenmotor oder eine bewegliche Düse, die mehrere Grad zur Seite der Raketenachse ausgerichtet werden kann.
  • Nonius-Motoren. Dabei handelt es sich nicht um echte Raketentriebwerke, sondern um zwei kleinere Richtdüsen zu beiden Seiten einer unbeweglichen Hauptdüse, die leichten seitlichen Druck aus der Brennkammer des Haupttriebwerks abgreifen können. Auch hiermit kann eine Rollbewegung erreicht werden.
    • Eine Variante davon wurde in der gefunden Falke 1-Raketenschiff. Die Düse der Merlin 1C-Hauptmaschine war beweglich, aber der bewegliche Auspuff der Turbopumpe beteiligte sich auch an der Lenkung und konnte für Rollbewegungen sorgen.
  • Kleine Lenkmotoren. Dies sind kleine Motoren mit fester Position, die entweder oben oder unten in einer Raketenstufe sitzen. Durch Zünden der Kombination dieser Triebwerke mit dem richtigen Druck und der richtigen Dauer kann die Richtung des Flugkörpers gesteuert werden. Diese Motoren, von denen es oft acht, zwölf oder sechzehn gibt, können hypergolisch Brennstoffen oder unter dem Druck von flüssigem Stickstoff.
  • Schubdifferenzial - Wenn mehrere Haupttriebwerke verwendet werden, kann die Rakete ihre Richtung anpassen, indem sie mehr oder weniger Schub auf eine Seite ausübt. Dies funktioniert nur bei sehr kleinen Kurskorrekturen und wird in der Praxis nicht mehr durchgeführt. Die N1-Rakete, mit der die Sowjetunion bemannte Mondreisen durchführen wollte, nutzte diese Technik, machte jedoch keinen erfolgreichen Flug.

Geschichte

sehen Geschichte der Rakete für den Hauptartikel zu diesem Thema.
Eine antike chinesische Rakete
Postraketentests (1935)

Die Rakete ist drin China erfunden. Wenn Raketentreibstoff wurde Schießpulver verwendet, die die Chinesen in den Jahrhunderten zuvor erfunden hatten. Eine erste zuverlässige Quelle (Ko Chieh Ching Yuan)[1] der Entwicklung der Rakete erwähnt, dass im Jahr 998 ein Tang Fu eine neue Art eisenköpfiger Rakete erfunden. NASA erwähnt den Einsatz großer und mächtiger Raketen im Kampf der Chinesen gegen die mongolisch Einmarsch 1232.[2]

Es scheint, dass Europa 1241 zum ersten Mal mit der Rakete bekannt wurde, als es Budapest von den mongolischen Truppen in diesem Jahr.[2] In dem arabische Literatur die Rakete erscheint 1248 als in diesem Jahr die Mongolen Bagdad nehmen. Das Araber setze dann 1268 während der Siebter Kreuzzug. Auch die Franzosen sehen die Nützlichkeit dieser neuen Waffe und 1428 tauchen Berichte über den Einsatz von Raketen bei der Belagerung von . auf Orleans während der Hundertjähriger Krieg zwischen Frankreich und England. 1650 begannen die Niederländer mit dem Einsatz von Raketen und 1668 begannen die Deutschen, damit zu experimentieren.[2] Anfang des 19. Jahrhunderts erkannte England den militärischen Nutzen der Rakete. William Congreve entwarf eine Reihe von Kriegsraketen. Vlissingen liegt unter anderem daran Congreve-Raketen beschossen worden.

Verbrennungsraketenmotoren

Raketentriebwerke kommen mit Festbrennstoffmotor, Flüssigbrennstoffmotor und Hybridbrennstoffmotor. Raketen funktionieren normalerweise durch die chemische Verbrennung eines geeigneten Treibstoff (Wasserstoff, Ethanol, Benzin, Hydrazin, RP1 Raketenkerosin, Methan, Propen) mit Sauerstoff oder ein anderes Oxidationsmittel (z.B. flüssiger Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid), obwohl einige andere Antworten theoretisch förderfähig sind. Das Ganze, besonders wenn es bereits vermischt ist, wird zu Treibmittel (oder Treibmittel), um den weniger zutreffenden Begriff "Kraftstoff" zu vermeiden.

Wichtig bei der Brennstoffauswahl ist:

  • das spezifischer Impuls (die von einem Treibstoff bereitgestellte Energie bestimmt ein theoretisches Maximum für diesen Treibstoff, das in keiner Raketenkonstruktion überschritten werden kann)
  • die Reaktivität und Toxizität der Reaktionsprodukte
  • die Gefahren der Lagerung großer Kraftstoffmengen
  • die erforderliche Sekundärausrüstung und deren Gewicht (z. B. Flüssigsauerstoffpumpen)
  • der Materialpreis

Die chemische Reaktion, die die meiste Energie pro Gewichtseinheit erzeugt, ist die von Fluorgas mit Wasserstoff. Dies ist jedoch aus praktischen Gründen nicht als Brennstoff zu qualifizieren, da sowohl elementares Fluor als auch das Reaktionsprodukt Fluorwasserstoff sind extrem giftig und ätzend.

Abkürzungen für Treibmittel

In den Medien wird häufig ein Kombinationsbegriff für den Treibstoff und das Oxidationsmittel verwendet, beispielsweise wird eine Rakete, die mit RP1 (Raketenkerosin) und flüssigem Sauerstoff (und: flüssigem Sauerstoff) arbeitet, abgekürzt als LOX) der Begriff Kerolox benutzt. Methan und flüssiger Sauerstoff heißen dann Methalox und Wasserstoff (und: Wasserstoff) und flüssiger Sauerstoff heißt hydrolox erwähnt.

Festbrennstoffmotoren

Einfache Raketen verwenden Festbrennstoffmotoren, in dem das Treibmittel, bestehend aus einem Oxidationsmittel und einem brennbaren Stoff, vorgemischt vorliegt und nach der Zündung wie in a . verbrennt Feuerpfeil (der älteste bekannte Raketentyp). Schießpulver ist damit der älteste bekannte Raketentreibstoff. Ein Problem bei dieser Art von Raketen stellt die Formänderung der Brennkammer während des Fluges dar, da ihre Flammenfront eine Wand bildet.Ein weiteres Problem besteht darin, dass nach der Zündung von Festbrennstoff ein Wiederanzünden der Verbrennung schwierig und in der Regel unmöglich ist. Aus Sicherheitsgründen wird dies manchmal als unpraktisch für den Personentransport angesehen. An der inzwischen stillgelegten Space Shuttle, die abgesagt Ares ich und die Entwicklung Weltraumstartsystem Festbrennstoff der NASA wird/wird noch immer für den Personentransport verwendet. Auch der Atlas V-Konfiguration, dass die bemannte Boeing Starliner wird starten verwendet zwei Festbrennstoffmotoren.

Bei Festbrennstoffen ist eine aktive Gasentnahme nicht möglich. Unterschiedliche Brennstoffschichten können jedoch unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wodurch der Schub zu unterschiedlichen Zeiten an die zu erwartenden Bedingungen der Atmosphäre angepasst werden kann.

Flüssigbrennstoffmotoren

sehen Flüssigkraftstoffmotor für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Komplexere Raketentriebwerke verwenden FlüssigbrennstoffmotorenVerfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittel, bestehend aus einem Oxidationsmittel und einem brennbaren Stoff, getrennt im System vorliegen. Entzündungen treten normalerweise auf durch pyrophor Flüssigkeiten. Aber bei Motoren, die mit Wasserstoff oder Methan betrieben werden, kann eine Menge Funken unter dem Motor auch als Zündung vom Boden aus verwendet werden. Bei einigen Raketen erfolgt die Zündung der ersten Stufe vom Boden aus, um den Motor zu vereinfachen. Die Zündung kann aber auch Teil des Motors sein, mit dem Vorteil, dass sie bei Bedarf neu gestartet werden kann. Der Vortrieb bzw. die Verbrennung kann durch Reduzierung oder Unterbrechung der Zufuhr dieser Stoffe reguliert werden. Es gibt auch Raketen, die verwenden hypergolisch Kraftstoffe. Sie entzünden sich selbst, sobald Brennstoff und Oxidationsmittel miteinander in Kontakt kommen. Ein Problem bei diesen Raketentypen sind die aggressiven Substanzen, die oft zu Lagerproblemen führen.

Druckgespeiste Motoren

Schematische Darstellung eines druckgespeisten Raketentriebwerks

Die einfachsten Flüssigbrennstoffmotoren sind druckgespeiste Motoren. Bei diesen Motoren werden Kraftstoff und Oxidationsmittel durch den Druck in den Tanks in den Brennraum gedrückt. Der Nachteil dieses Motortyps besteht darin, dass der Druck im Brennraum nie höher sein darf als in den Tanks. Andernfalls würde sich der Versorgungsstrom umkehren. Als Lenkmotoren werden häufig druckgespeiste Motoren verwendet, da diese schnell gestartet werden können, da kein Anlassen einer Turbopumpe erforderlich ist. Tanks werden in der Regel mit a geliefert Treibmittel unter Druck gehalten.

Kraftstoffpumpen und Prinzipien

Schematische Darstellung eines offenen Verbrennungskreislaufs
Schematische Darstellung eines geschlossenen Verbrennungskreislaufs
Schematische Darstellung eines geschlossenen Verbrennungskreislaufs mit vollem Durchfluss

Um den Druck im Brennraum höher als den maximalen Druck in den Tanks bringen zu können, werden meist Kraftstoffpumpen (meist Turbopumpen) verwendet. Übrigens wird auch in diesem Fall ein Treibmittel benötigt, um den Kraftstoff und das Oxidationsmittel aus den Tanks zu den Kraftstoffpumpen zu pumpen. In den meisten Fällen sind dies zwei Turbinen, die von einem Vorbrenner angetrieben werden.

Eine relativ neue Technik besteht darin, elektrische Pumpen anstelle von Vorbrennern zu verwenden. Dies ist möglich, weil die Batterietechnologie in den letzten Jahrzehnten eine deutliche Verbesserung erfahren hat und kleinere, leichtere Batterien mehr Leistung liefern können. 's Motoren Raketenlabor und astra verwenden Sie diese Technik.

Es gibt Motoren, die einen Satz Kraftstoffpumpen für zwei oder vier Brennkammern verwenden. Die amerikanische LR-87 (Haupttriebwerk der Titan-Raketen) und die russische RD-107EIN, RD-170 und der RD-180 sind Beispiele dafür. Beim Zählen der Düsen unter einer Rakete könnte man daher fälschlicherweise meinen, zu wissen, wie viele Triebwerke sich in einer solchen Rakete befinden.

Hybridkraftstoffmotoren

Hybridkraftstoffmotoren verwenden einen Feststoff und eine Flüssigkeit. Bestehend aus einem Oxidationsmittel und einem brennbaren Stoff. Ein Problem bei dieser Art von Raketen ist die Steuerung des Antriebs im Flug. Ein Vorteil ist, dass diese gelöscht werden können. 's RocketmotorTwo RaumschiffTwo ist ein Hybridmotor, der jetzt im Einsatz ist. Im Dezember 2020 konnte ein SpaceShipTwo dank eines solchen Triebwerks einen Testflug abbrechen, als kurz nach dem Start etwas mit der Raumsonde technisch nicht stimmte.

Form der Brennkammer

Das Brennkammer ist nach einer Seite offen, wobei a Düse wodurch sich die heißen Reaktionsgase gezielt und kontrolliert ausdehnen und so die Effizienz des Antriebs erhöhen. Dies ist keine buchstäbliche Brennkammer, sie wird nur so genannt. Bei einem Festbrennstoffmotor nimmt die Brennkammer mit Ausnahme der Düse die gesamte Länge der Raketenstufe ein.

Ionenmotor

Eine andere Art von Rakete wird von einem angetrieben Ionenmotor; schwere Atome (zum Beispiel des Edelgasedels Xenon) ionisiert und durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Die dafür benötigte Energie kann beispielsweise aus a Sonnenkollektor, eine Batterie oder ein Kernreaktor. Die Impulseffizienz und die erreichbaren Höchstgeschwindigkeiten sind bei dieser Antriebsart deutlich höher, da die Ionen den Motor mit einer viel höheren Geschwindigkeit verlassen als die heißen Reaktionsgase eines Verbrennungsmotors. Allerdings ist der maximale Schub sehr klein (in der Größenordnung von Gramm), so dass ein solches Triebwerk sehr lange laufen muss, um eine gute Wirkung zu erzielen. Der geringe Schub macht das Triebwerk ungeeignet, um von der Erde abzuheben oder sogar signifikante Reibung zu überwinden; Aus diesem Grund funktioniert dieser Typ nur im Vakuum.

Raketenwaffen

Heutige Raketenwaffen werden oft so genannt geführte Waffen. Auch nach der taktischen Rolle, die eine Lenkwaffe hat, kann unterschieden werden:

Nach Ladung kann unterschieden werden:

Technisch werden heute fast alle Raketenwaffen mit Festbrennstoff betrieben. Dies liegt daran, dass sie schnell einsetzbar sein müssen. Früher wurden hypergolische Treibstoffe auch für Mittelstrecken- und Interkontinentalraketen verwendet, weil sie in der Rakete stabil und lange gelagert werden konnten, um lange startbereit zu sein. Die amerikanischen Raketen Titan I, Atlas und Thor sowie die russische R7, die mit RP1 und flüssigem Sauerstoff betrieben wurden, wurden daher Anfang der 1960er Jahre innerhalb weniger Jahre durch hypergolische Raketen ersetzt. Da kryogener Sauerstoff nicht stabil gespeichert werden kann, dauerte es 15 Minuten, um die Raketen zu betanken. Diese Raketen wurden später (mit Ausnahme der Titan I) für die Raumfahrt angepasst.

Space Shuttle

Das Space Shuttle benutzte zwei Festbrennstoff-Boosterraketen, die mit Festbrennstoff oder Treibstoff gefüllt waren, zum Start. Dieses Kraftstoffgemisch bestand aus Ammoniumperchlorat (69,9%, Oxidationsmittel), Aluminiumpulver (16%, Kraftstoff), rotes Eisenoxid (0,4%, Katalysator), ein Polymer (12,04%, PBAN oder HTPB) und Epoxid (1,96%) Dieses "Thiokol" (jetzt Northrop Grumman Space Systems) Raketentriebwerke lieferten 1.320 Tonnen Schub pro Triebwerk auf Meereshöhe und 83 % des Startschubs und waren an dem riesigen zentralen kryogenen Treibstofftank angebracht. Sie wogen beim Start insgesamt 590 Tonnen und verbrauchten in etwa 2 Minuten 7.700 kg Treibstoff. Die Teile dieser Motoren werden nun auf dem Weltraumstartsystem.

Missverständnis

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass eine Rakete gegen die Atmosphäre stößt und sich dadurch in Bewegung setzt (wie ein Auto gegen die Straßenoberfläche). Wäre dies der Fall, könnte eine Rakete im Vakuum des Weltraums nicht beschleunigen. In Wirklichkeit kann eine Rakete im Vakuum viel effektiver beschleunigen, weil dort kein Luftwiderstand vorhanden ist. Eine Rakete verwendet das Prinzip „Aktion ist Reaktion“. Die Bewegung ist darauf zurückzuführen, dass die Masse des Ausstoßes mit sehr hoher Geschwindigkeit nach hinten geschleudert wird, wodurch sich die Rakete in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Grundsätzlich erzeugt die Bewegung von Gasen im Auspuff eines Autos auch einen Vorwärtsdruck. Dieser Druck ist jedoch vernachlässigbar, viel geringer als der Reibungswiderstand des Fahrzeugs und kann daher kein Auto in Bewegung setzen.

Beispiele für Raketen

Eine ausführlichere Übersicht finden Sie unter: Liste der Trägerraketen.

Beispiele für Raketentriebwerke

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