Wie Raketen funktionieren: Schub, Antriebssysteme und Orbitalmechanik erklärt

Jedes Mal wenn eine Rakete startet — ob es sich um eine bemannte Falcon 9, einen europäischen Ariane-Träger oder einen kleinen Erdbeobachtungssatelliten-Träger handelt — wendet sie die gleichen grundlegenden Physikprinzipien an, die Ingenieure seit dem frühen 20. Jahrhundert verwenden. Das öffentliche Interesse an diesen Starts bleibt das ganze Jahr über hoch, doch die zugrundeliegenden Mechaniken von Schub, Antrieb und Umlaufbahn werden oft übergangen. Behörden wie die NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) veröffentlichen detaillierte Erklärungen, wie Raketen tatsächlich funktionieren; dieser Artikel stützt sich auf dieses Material.

Schubproduktion: Newtons drittes Bewegungsgesetz in Aktion

Nach Angaben des Glenn Research Center der NASA verbrennt ein Raketentriebwerk gespeicherten Treibstoff zusammen mit einem gespeicherten Oxidationsmittel in einer Verbrennungskammer und erzeugt heißes, hochdruckiges Abgasgas. Dieses Gas wird dann durch eine Düse gezwungen, die es weiter beschleunigt, bevor es das Fahrzeug verlässt. Die NASA erklärt deutlich, dass "Schub nach Newtons drittem Bewegungsgesetz erzeugt wird": Das Gas wird auf die eine Seite aus der Düse gedrückt, und die Rakete wird auf die entgegengesetzte Weise mit gleicher Kraft gedrückt. Die ESA beschreibt denselben Mechanismus für jüngere Leser anhand einer Ballonanalogié — Luft, die aus dem Hals eines Ballons in eine Richtung strömt, drückt den Ballon in die andere Richtung.

Die Schubgleichung der NASA drückt dies numerisch als F = ṁVe + Ae(pe − p0) aus, wobei ṁ die Massendurchsatzrate von Abgas durch den Motor ist, Ve die Ausgangsgeschwindigkeit des Abgases ist, Ae die Auslassöffnungsfläche der Düse ist, pe der Druck am Düsenausgang ist und p0 der umgebende (Freistrahl-)druck ist. In der Praxis hängt der Schub, den eine Rakete erzeugt, hauptsächlich davon ab, wie viel Abgasmasse pro Sekunde austritt und wie schnell dieses Abgas beim Austritt aus der Düse sich bewegt.

Warum Raketen im Vakuum des Weltraums funktionieren

Strahltriebwerke und Propeller sind darauf angewiesen, umgebende Luft anzusaugen, was bedeutet, dass sie nicht funktionieren können, sobald ein Fahrzeug die Atmosphäre verlässt. Raketen vermeiden diese Einschränkung, weil sie nach NASA-Angaben ihr eigenes Oxidationsmittel an Bord tragen, anstatt sich auf atmosphärischen Sauerstoff zu verlassen. Da bei der Reaktion überhaupt keine Außenluft beteiligt ist, hat die Schubgleichung keinen "Freistrahlluftaufnahme"-Term — was auch der Grund dafür ist, dass nach NASA-Angaben eine Rakete im Vakuum Schub erzeugen kann, wo es keine andere Sauerstoffquelle gibt.

Spezifischer Impuls: Messung der Triebwerkseffizienz

Ingenieure vergleichen Raketentriebwerke anhand einer Größe namens Spezifischer Impuls oder Isp. Das Glenn Research Center der NASA definiert ihn als Schub dividiert durch die Gewichtsdurchsatzrate des verbrauchten Treibstoffs, ausgedrückt durch die Formel Isp = F/(ṁ·g0), wobei g0 die Standardgravitationsbeschleunigung ist (9,8 m/s², oder 32,2 ft/s²). Die NASA erklärt, dass ein Triebwerk mit höherem spezifischem Impuls effizienter ist, weil es mehr Schub für die gleiche Menge verbrannten Treibstoffs erzeugt — wodurch Isp das Raketenantriebsäquivalent von Kraftstoffeffizienz wird.

Mehrstufige Raketen: Leeres Gewicht abwerfen

Die meisten Trägerraketen sind in zwei oder drei Stufen aufgebaut. Die ESA erklärt, dass eine Stufe, nachdem sie ihren gesamten Treibstoff verbrannt hat, getrennt und verworfen wird, weil es Treibstoff verschwenden würde, einen leeren Tank und abgebrannte Triebwerkshardware weiter zu transportieren, der benötigt wird, um den Rest des Fahrzeugs zu beschleunigen. Große Träger befestigen auch Fest- oder Flüssigtreibstoff-Booster-Raketen an der ersten Stufe, um beim Start zusätzlichen Schub zu erhalten; diese Booster werden ebenfalls nach Ablauf geworfen. Die ESA merkt an, dass Raumfahrzeuge etwa 28.000 km/h erreichen müssen, um eine Umlaufbahn zu betreten, eine Geschwindigkeit, die durch Staging erreicht wird, indem das Fahrzeug kontinuierlich leichter wird, während es aufsteigt.

Chemischer vs. elektrischer Antrieb

Nicht jedes Antriebssystem ist darauf ausgelegt, ein Fahrzeug vom Boden abzuheben. Chemische Triebwerke — die einen Treibstoff und ein Oxidationsmittel verbrennen, wie oben beschrieben — bleiben die einzige praktische Möglichkeit, eine Rakete aus der Erdatmosphäre zu heben. Zum Manövrieren, sobald man bereits im Weltraum ist, verwenden Agenturen jedoch zunehmend elektrische Antriebe. Die NASA beschreibt Systeme, die Strom, erzeugt durch Solarpanels oder einen Kernreaktor, verwenden, um ein Gas wie Xenon oder Krypton zu ionisieren und die resultierenden Ionen mittels elektrischer und magnetischer Felder aus einem Triebwerk zu beschleunigen.

NASAs Dawn-Mission verdeutlicht den Kompromiss: Sie verwendete elektrischen Antrieb, um etwa fünf Jahre zu brauchen, um zum Asteroidengürtel zu gelangen, bevor sie zwischen den Körpern Vesta und Ceres manövrierte — eine langsame, stetige Beschleunigung, die mit den kurzen, kraftvollen Branden chemischer Triebwerke unmöglich zu erreichen ist, aber effizient bei langen Missionen. Die ESA macht denselben Punkt über ihre SMART-1-Mondonde und die laufende BepiColombo-Mission zu Merkur, beide verlassen sich auf Ionentriebwerke, die nach Angaben der ESA "monatelang oder sogar jahrelang sanft drücken können" und dabei nur eine kleine Treibstoffversorgung und einige Kilowatt Kraft von Solarpanels verwenden.

Erreichen und Verbleiben in der Umlaufbahn

Um in den Weltraum zu gelangen und dort zu bleiben, sind zwei verschiedene Probleme. Die US-amerikanische National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) erklärt, dass ein Satellit in einer Umlaufbahn verbleibt, wenn sein Vorwärtsschwung mit der Anziehungskraft der Erde im Gleichgewicht ist: Die Schwerkraft biegt den Weg des Satelliten zur Erde, während seine Seitwärtsgeschwindigkeit ihn weiter trägt, sodass sich die beiden Effekte zu einem kreisförmigen oder elliptischen Weg kombinieren, anstatt ein gerader Fall. Wenn sich ein Satellit für seine Höhe zu langsam bewegt, dominiert die Schwerkraft und er sinkt; wenn er sich zu schnell bewegt, bricht er aus diesem ausgewogenen Weg aus, anstatt seine Umlaufbahn beizubehalten.

Die für dieses Gleichgewicht erforderliche Geschwindigkeit ändert sich mit der Höhe. Die NOAA gibt das Beispiel ihres NOAA-20-Satelliten, der in einigen hundert Meilen Höhe mit etwa 17.000 mph umkreist, im Vergleich zu ihrem GOES-East-Satelliten, der in etwa 22.000 Meilen Höhe nur mit etwa 6.700 mph umkreist — was zeigt, dass je weiter ein Satellit von der Erde entfernt ist, desto schwächer ist Schwerkraftzug und je niedriger die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um in der Umlaufbahn zu bleiben. NASAs Earth Observatory-Katalog gibt konkrete Zahlen für häufige Umlaufbahnklassen: Sein Aqua-Satellit braucht etwa 99 Minuten, um die Erde von etwa 705 Kilometern Höhe zu umkreisen (niedriger Erdumlaufbahn); GPS-Satelliten fliegen in einer halbsynchronen mittleren Erdumlaufbahn etwa 20.200 Kilometer über der Oberfläche mit einer 12-Stunden-Periode; und geostationäre Satelliten sitzen etwa 36.000 Kilometer oben und absolvieren eine Umlaufbahn alle 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden, so dass sie über einem Punkt auf der Erde festzustehen scheinen.