Raketentriebwerk

Raketenantrieb - Xenosophy 01:48, 26. Jul 2004 (CEST)

Ein Raketentriebwerk ist eine Antriebseinheit, die nach dem Prinzip des Rückstoßes arbeitet und im allgemeinen alle ausgestoßenen Gase selbst mitführt, also nicht auf eine umgebende Atmosphäre angewiesen ist. Wesentliche Bestandteile des Raketentriebwerks sind Brennkammer und Düse. Hinzu kommen Treibstoffpumpen und Kühlsysteme.

Im Unterschied zu den luftatmenden Strahltriebwerke ist es nicht auf den Luftsauerstoff als Oxidationsmittel angewiesen ist. Es kann deshalb auch im Vakuum arbeiten. Daher muß aber der für die Verbrennung des Brennstoffs notwendige Sauerstoff mitgeführt werden.

Wichtig für die Effizienz eines Raketenantriebs ist es, dass es gelingt, dem vom Raketentriebwerk ausgestoßenen Gas eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu verleihen. In Frage kommen dafür thermochemische Reaktionen, das Aufheizen des Gases in einem Kernreaktor oder die Beschleunigung des Gases (ionisierten Gases oder Plasmas) mittels verschiedener Verfahren (zum Beispiel dem Ionenantrieb, der zu den elektrischen Raketentriebwerken gehört).

Praktisch eingesetzt oder erprobt wurden bisher folgende Raketentriebwerke:

• chemische Raketentriebwerke
• Kernenergie-Raketentriebwerke
• elektrische Raketentriebwerke

Das chemische Raketentriebwerk

Die folgenden drei Formen von Raketentriebwerken, sind bis heute die gebräuchlichsten, die angewandt werden.

Das Feststoffraketentriebwerk

Der Treibstofftank ist gleichzeitig auch die Brennkammer. Man unterscheidet zwischen Stirnbrennern, bei denen der zylindrische Brennstoffblock vom Ende her abbrennt (konstante, kreisförmige Brennfläche), und Zentralbrennern, bei denen ein Brennkanal durch die gesamte Länge des Treibstoffblocks verläuft und dieser von innen her abbrennt (mit der Zeit zunehmende, zylindrische Brennfläche). Stirnbrenner entwickeln für längere Zeit eine geringe Schubkraft, Zentralbrenner für sehr viel kürzere Zeit eine sehr hohe Schubkraft; sogenannte Booster werden daher meist als Zentralbrenner ausgeführt.

Durch die Konsistenz des Treibstoffes lassen sich verschiedene Eigenschaften ableiten. Man benötigt keinerlei Tanks, Zuleitungen oder Steuerventile, denn die Reaktionsmasse befindet sich bereits in der Brennkammer. Durch die feste Konsistenz des Treibstoffes ist dieser leichter zu lagern ungefährlicher zu transportieren. Weiterer Vorteil von Feststoffraketen ist die hohe Schubkraft, die erreicht werden kann. Zu den Nachteilen gehören jedoch die schlechte Regulierung der Schubkraft und der Arbeitsdauer. Die Verbrennung kann nach der Zündung nicht mehr abgebrochen oder neu gestartet werden.

Das Flüssigkeitsraketentriebwerk

Der Aufbau von Flüssigkeitsraketentriebwerken ermöglicht eine Schubregulierung, lange Arbeitszeit und eine relativ günstige Wiederverwendung. Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken werden Brennstoff und (sofern es sich nicht um ein Monergoltriebwerk handelt) Oxidator außerhalb des Triebwerks gelagert.

Häufig handelt es sich bei den Betriebsstoffen um sehr aggressive Chemikalien oder kaltverflüssigte Gase. Beides muss in speziellen isolierten bzw. korrosionsfesten Tanks aufbewahrt werden, um so ein Verdampfen der Gase oder ein Angreifen der Behälterwandung zu vermeiden.

Da die Treibstoffe gelagert und gefördert werden müssen, ist eine Flüssigtreibstoffrakete in ihrem Aufbau normalerweise komplizierter als eine Feststoffrakete. Durch die meist hochenergetischen Treibstoffe entstehen Temperaturen von bis zu 4000 K in der Brennkammer, was die Verwendung hoch hitzebeständier Materialen und eine leistungsfähige Kühlung erfordert. Zur Kühlung kann auf Oxidator und Treibstoff zurückgegriffen werden. Durch den hohen Druck, unter dem sich die Gase in flüssiger Form befinden, kann man damit aufgrund der niedrigen Temperatur verschiedene Bauteile über Wärmetauscher kühlen.

Das Hybridtriebraketentriebwerk

In Hybridtriebraketenwerken werden feste und flüssige Treibstoffkomponenten verwenden. Beide Treibstoffe reagieren selbstständig miteinander. Dem Festtreibstoff wird der Flüssigtreibstoff geregelt zugeführt, was eine verbesserte Kontrolle über die Arbeitsgeschwindigkeit/Dauer zulässt.

Steuersysteme

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, den Schubvektor eines Raketentriebwerks zu beeinflussen. Während die Strahlablenkung durch Strahlruder hinter der Brennkammer kaum noch praktiziert wird, haben sich allgemein im Ganzen schwenkbare Triebwerke oder Triebwerke mit Schwenkdüsen durchgesetzt. Eine weitere Möglichkeit ist die Injektion von Sekundärtreibstoff in den Schubstrahl, um diesen durch asymmetrische Nachverbrennung abzulenken.

Treibstoffe

Bei den bis hier genannten Triebwerken, hat sich bis heute eine große Palette an Treibstoffen durchgesetzt. Bei den Treibstoffsystemen unterscheidet man zwischen monergol, diergol oder triergol. Die Präfixe geben die Anzahl der beteiligten Reaktionsstoffe am Verbrennungsprozess an.

Monergole können entweder homogene Fest- (z.B. Nitroglyzerin) und Flüssigstoffe (z.B. H₂O₂) oder auch heterogene Feststoffe (Composits) bestehen, die neben dem Brennstoff und dem Oxidator noch andere Zusätze enthalten. Sie gehören zu der Kategorie der niederenergetischen Treibstoffe, die Austrittsgeschwindigkeit von weniger als 2200 m/s aufweisen. Bei Hochentwickelte Composits können auch Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu über 3300 m/s erreicht werden.

Bei Diergolsystemen sind bis auf Hybridantrieben bei Flüssigkeitstriebwerken beide Bestandteile flüssig (z.B. Wasserstoff/Sauerstoff). Im Falle des Hybridantriebs ist meist der Brennstoff in fester Form vorliegend und der Oxidator als Gas oder auch Flüssigkeit. Zu den Diergolsystemen zählen als stärkste Vertreter ein Wasser-/Sauerstoff Gemische, bei denen Austritte von bis zu 3800 m/s erreicht werden können.

Triergolsysteme enthalten Diergolsysteme (zwei Komponenten), zu denen noch zusätzlich Wasserstoff beigeführt werden kann.

Haltbarkeit und Lagerung

Die verschiedenen Treibstoffklassifikationen haben weiterhin noch besondere Eigenschaften hinsichtlich ihrer Haltbarkeit und Lagerung. Festtriebstoffe lassen sich am einfachsten lagern, jedoch wird ihrer Lagerung auch von bestimmten Bedingungen eingeschränkt. Es dürfen sich weder Risse bilden noch Schrumpfungen auftreten. Flüssigtreibstoffe dürfen hingegen weder gefrieren noch verdampfen, was ein Temperaturintervall von -20°C - +80°C bedeutet. Flüssige Triebstoffe lassen sich aufgrund ihres Aggregatzustandes nur für einen kurzen Zeitraum lagern, da auch bei aufwendigen Tankisolierungen ein Verdampfen nicht vermieden werden kann.

Andere Triebwerkstypen

Obwohl das chemische Triebwerk die größte Bedeutung hat, gibt es für spezielle Anwendungen auch den Ionenantrieb und - heute nicht mehr weiterverfolgt - Raketenantriebe auf Basis eines Atomreaktors.