Raketentriebwerk
Ein Raketentriebwerk oder Raketenmotor dient zum Antrieb einer Rakete oder eines Luftfahrzeugs, indem es nach dem Rückstoß-Prinzip (siehe auch Rückstoßantrieb) Schub erzeugt. Ein Raketentriebwerk arbeitet, im Gegensatz zu anderen Triebwerken, völlig unabhängig von seiner Umgebung. Es müssen alle notwendigen Betriebsmittel mitgeführt werden. Das sind beim chemischen Raketentriebwerken neben dem Brennstoff auch ein Oxidator, bei anderen Prozessen zur Energiefreisetzung, die Stützmasse. Wesentliche Bestandteile des Raketentriebwerks sind Brennkammer und Düse (zum Beispiel Lavaldüse), hinzu kommen Betriebsstoffpumpen und Kühlsysteme.
Alle Effekte, die bei einem Raketenantrieb zu verzeichnen sind, wurden 1903 von Konstantin Ziolkowski mit der Raketengrundgleichung dargestellt. Später kam Hermann Oberth unabhängig davon zu den gleichen Erkenntnissen.
Der Raketenantrieb ist die bisher einzige Antriebsart, die es ermöglicht, Raumfahrt zu betreiben. Zum Beschleunigen innerhalb unseres Sonnensystems bedient man sich jedoch auch der Swing-by-Methode, um Treibstoff zu sparen. Weitere diskutierte Alternativen zum Raketenantrieb sind Sonnensegel und der Abschuss mit einer Railgun. Ein Raketenantrieb wurde teils auch bei Automobilen eingesetzt, um etwa Geschwindigkeitsrekorde zu erzielen.
Je größer die Ausström-Geschwindigkeit des ausgestoßenen Arbeitsgases ist, desto größer ist die Geschwindigkeitsänderung (Delta v) der Rakete. Darüber hinaus ist auch die Eigenmasse des Antriebes von Bedeutung.
Eine Rakete verliert während der Betriebsdauer ihres Raketentriebwerks an Masse. Bei gleich bleibendem Schub steigt deshalb die Beschleunigung. Bei einem chemischen Raketenantrieb fällt dieser Effekt viel stärker ins Gewicht als bei einem nuklearen Antrieb, der das ausgestoßene Gas durch eine Kernreaktion erhitzt. Noch weniger Treibstoff verbrauchen elektrische Antriebe zu denen zum Beispiel der Ionenantrieb zählt.
Einsatz
Am weitesten verbreitet sind chemische Triebwerke, bei denen die Arbeitsgase durch Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer erzeugt und erhitzt und in der Düse (zum Beispiel Lavaldüse) entspannt und beschleunigt werden. Forschungen, die dazu dienen das chemische Raketentriebwerk noch leistungsfähiger und billiger zu machen, führten zu neuen Triebwerkskonzepten, wie der linearen Aerospike-Düse.
Andere Varianten sind nukleare Reaktionen, Aufheizung durch Strom (z. B. Lichtbogen) oder Laser und die Beschleunigung durch ein elektrisches Feld (Ionenantrieb) oder Magnetfeld.
Speziell für Anwendungen im Hobbybereich, im Modellbau und als Spielzeug kommen vielfach auch Druckluftraketen und Wasserraketen zum Einsatz.
Praktisch eingesetzt oder erprobt wurden bisher:
- Chemische Raketentriebwerke
- Nukleare Raketentriebwerke (siehe auch: NERVA)
- Elektrische Raketentriebwerke
- Kaltgas-Raketentriebwerke
Chemisches Raketentriebwerk
Das chemische Raketentriebwerk ist eine Verbrennungsmaschine wie das luftatmende Strahltriebwerk, aber im Gegensatz zu diesem nicht auf den Luftsauerstoff als Oxidationsmittel angewiesen. Der für die Verbrennung des Brennstoffs notwendige Sauerstoff wird an Bord mitgeführt. Die Rakete kann deshalb auch im Vakuum arbeiten.
Die folgenden drei Formen von chemischen Triebwerken sind gebräuchlich:
Feststofftriebwerk
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 von zylindrischem, sternförmigem oder sonst prismatischem Querschnitt durch die gesamte Länge des Treibstoffblocks verläuft und dieser von innen her abbrennt (Brennfläche in Form eines Prismenmantels, je nach Kanalquerschnitt ergibt sich eine Verlaufskurve des Brennflächeninhalts). 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 leicht bereits in der Rakete zu lagern und ungefährlicher zu transportieren. Deshalb werden militärische Raketen fast immer als Feststoffraketen ausgelegt. Ein weiterer Vorteil von Feststoffraketen ist die hohe erreichbare Schubkraft. 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. Der wichtigste Nachteil von Feststoffraketen ist jedoch das vergleichsweise schlechte Schub-Gewicht-Verhältnis, weshalb man sie bei Weltraumraketen nur als Hilfsantrieb einsetzt (Booster und die Feststoffraketen beim Space-Shuttle).
Flüssigkeitstriebwerk
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 hitzebeständiger Materialien 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.
Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken kann zwischen Haupt- und Nebenstromtriebwerken unterschieden werden. Bei Hauptstromtriebwerken werden die gesamten Treibstoffe durch die (Haupt-)Brennkammer geführt. Die Turbinen zur Treibstoffförderung werden hierbei entweder durch eine im Kühlsystem des Triebwerkes erhitzte Treibstoffkomponente (Expander Cycle) oder durch ein in einer Vorbrennkammer erzeugtes Arbeitsgas angetrieben (Staged Combustion Cycle).
Bei Nebenstromtriebwerken werden die Teile der Treibstoffe, die zum Betrieb der Turbinen der Treibstofförderung verwendet werden, nicht durch die Hauptbrennkammer geführt. Eine Bauform des Nebenstromtriebwerkes stellt der Gasgenerator Cycle dar. Hierbei wird zum Antrieb der Treibstoffpumpen ein Teil der Treibstoffe in einem Gasgenerator verbrannt und das Arbeitsgas in einer zum Haupttriebwerk parallelen Düse entspannt oder im divergenten Teil der Hauptdüse dem Hauptstrom zugeführt. Eine andere Ausprägung stellt der Topping Cycle dar. Hier wird der Brennstoffstrom in zwei Stränge aufgeteilt. Der kleinere Strom durchfließt die Kühlung des Triebwerkes, treibt die Turbinen der Treibstoffpumpen an und wird im divergenten Bereich der Hauptdüse dem Hauptstrom zugeführt.
Hybridraketentriebwerk
In Hybridraketentriebwerken werden feste und flüssige Treibstoffkomponenten gemeinsam verwendet. Beide Treibstoffe reagieren selbstständig miteinander. Dem Festtreibstoff wird der Flüssigtreibstoff geregelt zugeführt, was eine verbesserte Kontrolle über die Arbeitsgeschwindigkeit und -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 hochentwickelten Composits können auch Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 3300 m/s erreicht werden.
Bei Diergolsystemen sind bis auf Hybridantriebe 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 Wasser-/Sauerstoff Gemische, bei denen Austritte von bis zu 3800 m/s erreicht werden können.
Triergolsysteme enthalten Diergolsysteme (zwei Komponenten), denen noch zusätzlich Wasserstoff zugeführt wird.
Katergole Treibstoffe sind Monotreibstoffe (Einstoffsysteme), die durch hinzubringen eines Katalysators, daher der Name, zum Zerfall gebracht werden. Bei einigen dieser Substanzen wird noch ein zusätzliches Zündmittel für die Einleitung des Zerfallsprozesses benötigt.
Haltbarkeit und Lagerung
Die verschiedenen Treibstoffklassifikationen haben weiterhin noch besondere Eigenschaften hinsichtlich ihrer Haltbarkeit und Lagerung. Festtriebstoffe lassen sich am einfachsten lagern, jedoch wird ihre 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. Durch Tiefkühlung verflüssigte Treibstoffe lassen sich aufgrund ihres Aggregatzustandes nur für einen kurzen Zeitraum lagern, da auch bei aufwendigen Tankisolierungen ein Verdampfen nicht vermieden werden kann.
Effizienz
Die Effizienz von Treibstoff-Systemen kann dadurch angegeben werden, wie lange mit einer Treibstoffmasse M ein Schub von eben dessen Gewichtskraft erzeugt werden kann.
Elektrische Raumfahrtantriebe
Als elektrische Raumfahrtantriebe werden solche Strahlantriebe bezeichnet, bei welchen elektrische Energie verwendet wird, um das Stützmittel zu beschleunigen. Innerhalb der Gruppe der elektrischen Antriebe kann zwischen elektrothermischen, elektrostatischen und elektromagnetischen Antrieben unterschieden werden. Je nach Art der Gewinnung der dafür notwendigen elektrischen Energie wird ferner zwischen solarelektrischen und nuklearelektrischen Antriebssystemen unterschieden.
Charakteristische Merkmale für elektrische Antriebe sind:
- Nur geringes Schubniveau realisierbar.
- Sehr hoher spezifischer Impuls möglich.
- Leistung wird durch Stromquelle begrenzt.
Elektrothermischer Antrieb
Das Arbeitsgas bzw. das Stützmittel wird mit Hilfe von Widerstandsheizung oder durch einen Lichtbogen aufgeheizt und anschließend in einer Düse entspannt. Als Stützmittel dienen Gase mit möglichst geringer molekularer Masse.
Triebwerke mit Widerstandsheizung werden als Resistojet und solche mit Lichtbogenheizung als Arcjets bezeichnet.
Der spezifische Impuls liegt typischerweise im Bereich von 10000 m/s.
Elektrostatischer Antrieb
Bei elektrostatischen Triebwerken erfolgt die Schuberzeugung durch Beschleunigung von ionisierten Teilchen in einem elektrischen Feld. Hierzu wird der Treibstoff in einem Treibstoffionisator positiv ionisiert. Zur Vermeidung einer elektrischen Aufladung des Triebwerkes ist es notwendig, das Stützmittel hinter der Beschleunigungsstrecke durch Zugabe von Elektronen zu neutralisieren. Siehe Ionenantrieb
Elektromagnetischer Antrieb
Ein elektromagnetischer Antrieb beschleunigt heißes Plasma ( ≈ 10000 K) in einem magnetischen Feld (Lorentzkraft). Die Erzeugung des zu beschleunigenden Plasmas erfolgt durch Lichtbogenentladung oder durch Hochfrequenzentladung.
Der erzielbare Schub eines elektromagnetischen Antriebes liegt im mN-Bereich. Hierfür werden elektrische Leistungen im kW-Bereich benötigt. Der spezifische Impuls (Ausströmgeschwindigkeit) liegt typischerweise zwischen 20000 und 30000 m/s.
Nukleare Raumfahrtantriebe
Unter nuklearen Raumfahrtantrieben werden alle Antriebssysteme zusammengefasst, die mit Hilfe nuklearer Reaktionen betrieben werden. Nukleare Energie kann grundsätzlich durch Kernspaltung oder Kernfusion erzeugt werden. Bis heute ist jedoch lediglich die Kernspaltung technisch realisiert und beherrscht, während an der Kernfusion noch gearbeitet wird (siehe ITER). Somit sind bisher nur auf Kernspaltung basierende Antriebssysteme entwickelt und erprobt worden (siehe NERVA).
Zum operativen Einsatz im Sinne einer Raumfahrtmission ist bisher kein nukleares Antriebssystem gekommen, da sie entweder aus technischen, ökologischen, ökonomischen und politischen Gründen mit anderen Antriebsverfahren bisher nicht konkurrenzfähig sind. Da die Bewertungskriterien jedoch sehr stark von der Missionsanforderung und dem Missionsprofil abhängig sind, ist dieser Umstand keine feststehende Tatsache. So wird zur Zeit bei der NASA an dem Projekt Prometheus gearbeitet. Ziel ist ein Nuklearantrieb, der ursprünglich für das JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) Programm eingesetzt werden sollte.
Allen nuklearen Antriebssystemen bzw. -konzepten ist gemein, dass die in dem nuklearen Prozess erzeugte Energie auf ein Stützmasse übertragen wird und das die Stützmasse in einer Düse entspannt wird. Einzige Ausnahme von dieser Regel stellt das Konzept des nuklearen Pulsantriebes dar. Hierbei werden Atombomben außerhalb des Raumfahrzeuges gezündet und der Impuls, des auf das Raumfahrzeug treffende Plasmas, zur Beschleunigung verwendet (siehe Orion-Projekt).
Die mit Hilfe nuklearer Reaktionen erzielbaren Leistungsdichten sind um den Faktor (Fission) beziehungsweise (Fusion) größer als die chemischer Antriebe.
