- 2.5 Die Technik rund um die Rakete

Die Technik rund um die Rakete

Das Triebwerk

Raketentriebwerke dienen dem Antrieb von Flugkörpern (Raketen, Flugzeuge) und Raumfahrzeugen. Die Triebwerke sorgen für die Trennung des Impulses zwischen Flugkörper und austretendem Strahl. Der Raketenantrieb ermöglicht uns bisher als einzige Antriebsart, Raumfahrt zu betreiben.
Das herkömmliche Raketentriebwerk besteht aus vier wesentlichen Teilen: Einem Einspritzsystem für Oxidator (Als Oxidator bezeichnet man chemische Verbindungen, die leicht andere Stoffe oxidieren. In der Praxis geben diese meistens leicht Sauerstoff ab) und Treibstoff, der Brennkammer (Motor), einer Düse (Auspuff) sowie einem Zündsystem.
Die Raketentriebwerksleistung ist im Vergleich zu seiner Masse sehr groß, sie lässt sich nach folgender Formel berechnen :

m c
L = -----
2000

m : Massedurchsatz (kg Treibstoff / Sekunde)
c : Ausströmgeschwindigkeit (m/sec)
L : Leistung in KW

(Triebwerk einer Ariane 5 / Quelle : www.wikipedia.de)

Feststofftriebwerk

"Feststofftriebwerke sind wesentlich unkomplizierter aufgebaut als Flüssigkeitstriebwerke, eine Feststoffrakete besteht quasi nur aus einer Brennkammer. Der Druck der Brennkammer bei dieser Antriebsart liegt zwischen 50 bis 190 bar, die Temperatur während der Verbrennung liegt bei 800 bis 2700°C.

Der Treibstoff wird bei dieser Art von Triebwerken in fester Form transportiert. Der Feststoff enthält den eigentlichen Treibstoff und einen Oxidator in chemischer Form gebunden. Durch die feste Konsistenz ist der Treibstoff ungefährlicher zu transportieren, da er für die Lagerung besser geeignet ist. Das Zünden der Feststoffrakete geschieht durch einen elektrischen Zünder. Daraufhin verbrennt der feste Treibstoff und strömt gasförmig durch die Düse, die bei modernen Triebwerken schwenkbar ist, aus.

Es gibt zwei Arten von Feststofftriebwerken : Die Stirnbrenner, die für längere Zeit eine kleinere Schubkraft entwickeln und Zentralbrenner, die für kurze Zeit für eine sehr große Schubkraft sorgen können.
Beim Stirnbrenner wird der Brennstoff von hinten her abgetrennt, während beim Zentralbrenner der Brennkanal durch die ganze Länge des Treibstoffblocks verläuft und der Treibstoff von innen abgebrannt wird.
Ein Vorteil des Feststofftriebswerk ist der feste Treibstoff, der einfach zu handhaben ist und in seiner Festform weder entweichen noch gesundheitsschädlich wirken kann. Außerdem werden z.B. keine Tanks, Pumpen oder Leitungen benötigt, somit kann ein Feststofftriebwerk leichter und preiswerter hergestellt werden.

Ein Nachteil des Triebwerkes besteht darin, dass es nach der Zündung nicht wieder ab- oder angeschaltet werden kann, somit ist die Brenndauer und die Schubkraft schlecht regulierbar. Die Schubkraft lässt sich nach der Formel Treibstoffmasse pro Zeit x Ausströmgeschwindigkeit berechnen. Die Ausströmgeschwindigkeit der Produkte ist im Vergleich zum Flüssigkeitsraketentriebwerk beim Feststofftriebwerk wesentlich geringer, somit ist die Maximalgeschwindigkeit und dadurch die Effektivität deutlich kleiner."¹

(Schema eines Feststofftriebwerks : Quelle : www.modell-aviator.de)

Flüssigkeitsraketentriebwerk

"In der heutigen Zeit besitzen die meisten Raketen Flüssigkeitstriebwerke. Der Treibstoff (z.B. Kerosin, Wasserstoff) und der Oxidator (z.B. flüssiger Sauerstoff) wird in den Tanks des Flüssigkeitsraketentriebwerks separat aufbewahrt. Der Oxidator ist zur Verbrennung des Treibstoffs notwendig.
Nach dem Öffnen der Ventile wird der Oxidator und der Treibstoff mittels Leitungen zur Turbopumpe, die durch einen Generator angetrieben wird, gepumpt und von dort weiter in die Brennkammer geleitet.
Je nach verwendeter Treibstoffmischung können in der Brennkammer Temperaturen von bis zu 4500 °C auftreten. Der Druck in der Brennkammer beträgt bis zu 150 bar, die Temperatur ~3300°C und mehr. Die Ausströmgeschwindigkeit beträgt bis zu 4700 m/s. Bei weniger komplizierten Treibwerken erfolgt die Förderung des Treibstoffs durch den Tankdruck, der mit Hilfe eines neutralen Gases (z.B. Methan) erzeugt wird.

Das Gemisch wird durch einen Zünder gezündet, dehnt sich durch die Explosion aus und strömt durch die Düse ins Freie aus. Oft handelt es sich bei den Stoffen um sehr aggressive Chemikalien oder Gase, die kaltverflüssigt sind. Um ein Gasverdampfen zu vermeiden müssen die Stoffe in speziell isolierten Tanks aufbewahrt werden.

Die Vorteile des Flüssigkeitsraketentriebwerks liegen darin, dass sich das Triebwerk an- und abschalten lässt und somit auch kurze Impulsvorgänge möglich sind. Zudem lässt es sich im Betrieb regulieren und ist durch die oft verwendete und energiereichste Treibstoffstoffkombination (flüssiger Sauerstoff / flüssiger Wasserstoff) für die Umwelt ungefährlich, weil die verwendeten Chemikalien zu Wasser verbrennen.

Der Nachteil ist die aufwändige Technik, man benötigt anders als beim Feststofftriebwerk nicht nur eine Brennkammer, sondern auch komplexe Einrichtungen wie Gasgeneratoren, Turbopumpen und Leitungssysteme.
Dies stellt gleichzeitig auch einen Nachteil dar, da die Flüssigkeitstriebwerke somit teurer aber auch fehleranfälliger als z.B. Feststofftriebwerke sind. Zudem sind die Flüssigkeiten, die in der Brennkammer verwendet werden, leicht entzündbar, wodurch die Explosionsgefahr ansteigt und ein nicht geringes Risiko darstellt."²

(Schema eine Flüssigkeitstsraketentriebwerks / Quelle : www.apolloprojekt.de)

Hybrides Triebwerk

"Das hybride Raketentriebwerk stellt eine Mischung aus Feststoff- und Flüssigkeitstriebwerk dar, wobei der Verbrennungsträger fest und der Oxidator flüssig ist. Es enthält wie das Feststofftriebwerk weder ein aufwändiges Leitungssystem noch einen Gasgenerator.

Die erste Hälfte ist das Triebwerk der Feststoffrakete, der Treibstoff befindet sich in einer Hülle deren Ausgang die Düse bildet. Die andere Hälfte bildet der Oxidator, der in einem Tank aufbewahrt wird. Der Oxidator wird durch Druck oder Pumpen zum Treibstoff gespritzt und verbrennt mit diesem. Die Kosten und die Anfälligkeit der Technik sind geringer als bei einem Flüssigkeitstriebwerk, da zur Förderung des Verbrennungsträgers ein neutrales Druckgas genügt.

Da es bei der Vermischung der beiden Treibstoffe jedoch zu Überkonzentrationen kommt, ist der Grad der Wirkung geringer als bei einer Flüssigkeitsrakete. Im Gegensatz zum Feststofftriebwerk lässt sich die Schubkraft bei einem hybriden Triebwerk durch Regelung des Oxidatorflusses steuern, zudem ermöglicht dieser Vorgang eine an Ab- und Anschaltung des Triebwerks auch nach ersten Zündung. Jedoch ändert sich die Verbrennungsfläche andauernd, somit ist eine Anpassung der Oxidatormenge erforderlich und ein linearer Schub nur schwer möglich."³

(Quelle : www.lexikon.meyers.de)

Elektrisches Raketentriebwerk

Bei elektrischen Triebwerken werden Masseteilchen beschleunigt, dies geschieht mit Hilfe elektrischer Energie. Ionen werden in einem elektrischen Feld über eine Spannung beschleunigt und ausgestoßen. Diese Art von Antrieb kommt bisher nur auf Satellitenmissionen zur Anwendung, da sie im Vergleich zu anderen Triebswerkstypen nur einen kleinen Schub erzeugen kann, da für die Beschleunigung der Masseteilchen ein hoher Energiebedarf benötigt wird.

Elektrische Triebwerke können ihre Vorteile nur im Vakuum (z.B. Weltraum) ausspielen, da die austretende Gesamtmasse sehr gering ist. Ein elektrisches Triebwerk benötigt keinen Oxidator, was sich positiv auf die Gewichtsbilanz der Rakete auswirkt. Ein Raketentriebwerk kann über viele Monate im Weltraum arbeiten, dadurch ist eine regelmäßige Beschleunigung möglich, sodass der Nachteil der geringen Schubkraft weniger stark wiegt.

Brennkammer und Düse

Das Raketentriebwerk bildet das Zentralsystem der Rakete. Das Kernstück eines solchen Triebwerks bildet die Brennkammer und die Düse. Die Brennkammer ist der Ort, an dem die Verbrennung mehrerer Treibstoffe und eines Oxidators stattfindet. Die Reaktion, die sich in der Brennkammer abspielt, ist exotherm (als exotherm bezeichnet man in der Chemie solche Reaktionen, bei denen Energie in Form von Wärme und/oder Licht, kinetischer Energie etc. an die Umgebung abgegeben wird). Der verwendete Treibstoff kann fest, flüssig oder auch gasförmig sein.

Die Brennkammern, die in der heutigen Zeit verwendet werden, sind zylinderförmig. Optimal sind kugelförmige Brennkammern, da sie das beste Verhältnis von Fläche zum Volumen aufweisen. Die Wand der Brennkammer muss gekühlt werden, da sie einer hohen thermischen Belastung unterliegt. Dies geschieht entweder durch einen geeigneten Hitzeschild oder durch den Brennstoff, der sich durch den Transport von der Brennkammerwand zur Brennkammer vor dem Einspritzen erhitzt.

Da bei der Treibstoffverbrennung einige Hundert Kilo Flüssigkeit pro Sekunde in Gase umgewandelt werden entsteht in der Brennkammer ein sehr hoher Druck. Somit muss das Treibstoffförderungssystem einen noch höheren Druck erzeugen, damit der Verbrennungsstoff in die Brennkammer gelangen kann. Die Brennkammergröße ist abhängig vom Schub, dem Gemisch des Treibstoffs und dem Druck der Brennkammer. Je höher der Druck in der Brennkammer ist, desto effizienter arbeitet ein Triebwerk.

Das Prinzip der Brennkammerkühlung wird oftmals auch bei den Düsen der Raketentriebwerke angewandt. Es reicht aus, zur Kühlung eine sehr geringe Treibstoffmenge zu verwenden, da die thermische Beanspruchung kleiner ist.
Die Düse ist sehr wichtig für die ideale Treibstoffausnutzung, sie sorgt dafür, dass die Gase bei ihrem Brennkammeraustritt eine Beschleunigung erfahren und in der Düsenmündung die Geschwindigkeit der Ausströmung für den emminent wichtigen Schub bilden. Ziel ist es eine möglichst große Ausströmgeschwindigkeit herzustellen, dies kann mit einem kleinen Druck an der Mündung der Düse und einem großen Druck am Ende der Brennkammer erreicht werden.

(Brennkammer einer A4-Rakete / Quelle : www.urbin.de)

(Düse einer Ariane-Rakete / Quelle : www.wikipedia.de)

Steuerung

Die Steuerung einer Rakete während des Starts ist keine einfache Sache, da sehr große Kräfte auf diese wirken. Innerhalb der Atmosphäre wird die Rakete über aerodynamische Ruder gesteuert. Im Weltraum erfolgt sie mit Hilfe von Schubdüsen, die als Rückstoß dienen und die Rakete entsprechend manövrieren.

Bei älteren Raketen erfolgt die Steuerung über so genannte Strahlruder, die direkt in den ausgestoßenen Gasstrom hineinwirken. Eine der ersten strahlrudergesteuerten Rakete war die A4. Da die Rakete Temperaturen von über 1500°C erzeugen kann, ist die Herstellung des Materials von Strahlrudern sehr aufwendig. Bei modernen Großraketen erfolgt die Steuerung über schwenkbare, kardanisch aufgehängte Triebwerke.
Die kardanische Aufhängung ermöglich es, das Triebwerk frei drehbar und unabhängig von Lage oder Bewegung aufzuhängen. Da die Schuberzeugung sehr groß ist, reicht es, wenn die Triebwerke nur um einige Grad schwenkbar sind. Bei Raketen mit mehreren Triebwerken ist es zudem möglich, in den Triebwerken einen unterschiedlich großen Schub zu erzeugen und damit die Steuerung zu regulieren.

Treibstoffförderung

Da ein Flüssigkeitsraketentriebwerk eine ganze große Menge Treibstoff verbrennt, benötigt man ein sehr leistungsfähiges System, das eine große Treibstoffmenge unter hohem Druck fördern kann. Ein Prinzip ist die Druckförderung, bei der der Treibstoff mittels eines Gases, welches auch den Treibstofftank unter Druck setzt, zum Triebwerk gedrückt wird.
Diese Förderungsmethode ist jedoch nur mit kleinen Treibstoffmengen möglich, da der Druck in der Brennkammer begrenzt ist. Zudem versucht man kugelförmige Tanks zu bauen (sie besitzen die geringste Oberfläche), um sie bei dem hohen herrschendem Druck nicht zu schwer werden zu lassen. Mit diesem System lassen sich keine Hochdrucktriebwerke bauen und da der Druck in den Leitungen höher sein muss als der in der Brennkammer muss der Tankdruck größer sein als der Druck in der Brennkammer.

Die Förderung des Treibstoffs bei großen Triebwerken erfolgt daher über Pumpen. Dazu verwendet man eine Turbopumpe, die sowohl Brennstoff als auch Oxidator unter Druck setzt und befördert. Solche Turbopumpen weisen Umdrehungen von bis zu 25.000 Umdrehungen pro Minute und eine Leistung von bis zu 10 Megawatt auf.

Tanks

Den größten Volumenanteil einer Rakete stellen die Tanks dar. Sie besitzen einen Innendruck, der den Tank stabiler macht. Desweiteren verhindert der Innendruck Blasenbildungen in Flüssigkeiten, die einen unregelmäßigen Treibstofffluss und dadurch eine Beschädigung an der Pumpe verursachen könnten. Zuguterletzt sorgt er dafür, dass die Pumpen weniger arbeiten müssen, da er den Treibstoff bei der Förderung in die Leitungen schießen lässt.

Bei einem leeren Tank würde natürlich auch der Innendruck geringer werden, dies kann mit einem nachgelieferten Druckgas unterbunden werden. Da die Tanks aggressive Treibstoffe aushalten und preiswert sein müssen, verwendet man als Materialien Edelstähle und Aluminiumlegierungen.
Um bei bestimmten Stoffen eine Treibstoffverdampfung auszuschließen ist es notwendig, den Tank zu isolieren. Oftmals wird ein Tank auch mit Helium unter Druck gesetzt, der die Betankung erleichtert und für eine zusätzliche Stabilisierung sorgt, da der Treibstoff eine geringere Bewegung erfährt.

_________________________

1 ) Diesen Text habe ich aus einer anderen Quelle zusammengefasst (vgl. www.bernd-leitenberger.de)

2) Diesen Text habe ich aus anderen Quellen zusammengefasst (vgl. www.bernd-leitenberger.de / Flugtriebwerke - Grundlagen, Systeme, Komponenten - Alfred Urlaub)

3) Diesen Text habe ich aus anderen Quellen zusammengefasst (vgl. www.bernd-leitenberger.de / Flugtriebwerke - Grundlagen, Systeme, Komponenten - Alfred Urlaub)