Wie Raketen funktionieren

Festtreibstoffraketen umfassen alle älteren Feuerwerksraketen, es gibt jedoch fortschrittlichere Brennstoffe, Konstruktionen und Funktionen für Festtreibstoffe.

Feste Treibstoffraketen wurden vor Raketen mit flüssigem Brennstoff erfunden. Der Festtreibstofftyp begann mit Beiträgen der Wissenschaftler Zasiadko, Constantinov und Congreve. In fortgeschrittenem Zustand sind heute noch Feststoffraketen weit verbreitet, darunter die Space Shuttle-Doppelverstärkermotoren und die Booster-Stufen der Delta-Serie.

Wie ein fester Treibstoff funktioniert

Die Oberfläche ist die Menge des Treibmittels, die den inneren Verbrennungsflammen ausgesetzt ist und in direktem Zusammenhang mit dem Schub steht. Eine Vergrößerung der Oberfläche erhöht den Schub, verringert jedoch die Brennzeit, da das Treibmittel mit einer beschleunigten Geschwindigkeit verbraucht wird. Der optimale Schub ist typischerweise ein konstanter, der durch Beibehalten einer konstanten Oberfläche während des Brennens erreicht werden kann.

Beispiele für Kornkonstruktionen mit konstanter Oberfläche umfassen: Endbrennen, Innenkern- und Außenkernbrennen und Innensternkernbrennen.

Verschiedene Formen werden zur Optimierung der Korn-Schub-Beziehungen verwendet, da einige Raketen möglicherweise eine anfänglich hohe Schubkomponente für den Start erfordern, während ein geringerer Schub für die nach dem Abschuss geltenden regressiven Schubanforderungen ausreicht. Bei komplizierten Kornkernmustern zur Steuerung der freiliegenden Oberfläche des Raketentreibstoffs sind häufig Teile mit einem nicht brennbaren Kunststoff (wie Celluloseacetat) beschichtet. Diese Beschichtung verhindert, dass interne Verbrennungsflammen diesen Teil des Kraftstoffs entzünden, der erst später gezündet wird, wenn die Verbrennung den Kraftstoff direkt erreicht.

Spezifischer Impuls

Bei der Auslegung der Rakete muss der treibstoffkornspezifische Impuls berücksichtigt werden, da es sich um das Differenzversagen (Explosion) und eine erfolgreich optimierte Schub erzeugende Rakete handeln kann.

Moderne Feststoffraketen

Vorteile Nachteile

• Sobald eine Feststoffrakete gezündet ist, verbraucht sie den gesamten Treibstoff, ohne dass eine Abschalt- oder Schubanpassung möglich ist. Die Saturn-V-Mondrakete verbrauchte fast 8 Millionen Pfund Schub, der mit festem Treibmittel nicht realisierbar gewesen wäre und ein flüssiges Treibmittel mit hohem spezifischen Impuls erforderte.
• Die Gefahr, die mit den vorgemischten Brennstoffen von Einstoffraketen verbunden ist, d. H. Manchmal Nitroglycerin, ist ein Bestandteil.

Ein Vorteil ist die einfache Lagerung von Feststoffraketen. Einige dieser Raketen sind kleine Raketen wie Honest John und Nike Hercules; andere sind große ballistische Raketen wie Polaris, Sergeant und Vanguard. Flüssige Treibmittel bieten möglicherweise eine bessere Leistung, aber die Schwierigkeiten bei der Lagerung und Handhabung von Treibmitteln nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Grad Kelvin) haben ihre Verwendung eingeschränkt, da sie nicht in der Lage sind, die strengen Anforderungen zu erfüllen, die das Militär an ihre Feuerkraft stellt.

Mit Flüssiggas betriebene Raketen wurden erstmals von Tsiolkozski in seiner 1896 veröffentlichten "Untersuchung des interplanetaren Raums mittels reaktiver Vorrichtungen" theoretisiert. Seine Idee wurde 27 Jahre später verwirklicht, als Robert Goddard die erste mit Flüssiggas betriebene Rakete startete.

Mit Flüssiggas betriebene Raketen trieben die Russen und Amerikaner mit den mächtigen Raketen Energiya SL-17 und Saturn V tief ins Weltraumzeitalter. Die hohen Schubkapazitäten dieser Raketen ermöglichten unsere ersten Reisen in den Weltraum. Der "Riesenschritt für die Menschheit", der am 21. Juli 1969 stattfand, als Armstrong auf den Mond trat, wurde durch die 8 Millionen Pfund Schubkraft der Saturn-V-Rakete ermöglicht.

Wie ein flüssiger Treibstoff funktioniert

Zwei Metalltanks fassen den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel. Aufgrund der Eigenschaften dieser beiden Flüssigkeiten werden sie typischerweise unmittelbar vor dem Start in ihre Tanks geladen. Die separaten Tanks sind notwendig, da viele flüssige Brennstoffe beim Kontakt verbrennen. Nach einer festgelegten Startsequenz öffnen sich zwei Ventile, so dass die Flüssigkeit durch die Rohrleitung fließen kann. Wenn diese Ventile einfach geöffnet würden, damit die flüssigen Treibmittel in die Brennkammer fließen können, würde eine schwache und instabile Schubrate auftreten, so dass entweder eine Druckgaszufuhr oder eine Turbopumpenzufuhr verwendet wird.

Die einfachere von beiden, die Druckgaszufuhr, fügt dem Antriebssystem einen Tank mit Hochdruckgas hinzu. Das Gas, ein nicht reaktives, inertes und leichtes Gas (wie Helium), wird unter starkem Druck von einem Ventil / Regler gehalten und geregelt.

Die zweite und häufig bevorzugte Lösung für das Problem der Kraftstoffübertragung ist eine Turbopumpe. Eine Turbopumpe funktioniert wie eine normale Pumpe und umgeht ein Gasdrucksystem, indem die Treibgase abgesaugt und in den Brennraum beschleunigt werden.

Das Oxidationsmittel und der Kraftstoff werden in der Brennkammer gemischt und gezündet, und es wird ein Schub erzeugt.