Raketentriebwerk

Ein Raketentriebwerk ist die Antriebseinheit einer Rakete. Es arbeitet nach dem Prinzip des Rückstoßantriebs, speziell nach dem des Raketenantriebs. 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 Oxidator 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 mit einem zentralen, zylindrischen Brennkanal.

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 in der Lagerung besser geeignet und 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 Zündung kann nach der Aktivierung nicht mehr abgebrochen werden oder neu gestartet werden.

Das Flüssigkeitsraketentriebwerk

Der Aufbau von Flüssigkeitsraketenrtriebwerken ermöglicht die Vektorsteuerung, Schubregulierung, lange Arbeitszeit und eine relativ günstige Wiederverwendung. Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken sind vom Triebwerk extern gelagerte Oxidatoren und Treibstoffe notwendig. Sie werden in spezielle isolierten Tanks aufbewahrt, um so ein Verdampfen der flüssigen Gase zu verhindern. Durch die Verbrennung zweier getrennter Stoffe, ist eine Flüssigtreibstoffrakete in ihrem Aufbau komplizierter als Feststoffraketen. Durch die hochenergetischen Treibstoffe entstehen Temperaturen von bis zu 4.000 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 Hybridtriebraketenwerk

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.

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 3800m/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.