Wie Raketen funktionieren

Künstlerische Darstellung des NASA Space Shuttles

Wenn Sie jemals gesehen haben, wie die NASA oder SpaceX eine Rakete abfeuerten, wissen Sie, wie unglaublich diese Erfahrung ist. Für einen Moment, in dem die Motoren mit der Kraft von einer Million sprintender Pferde anspringen und schreien - es scheint, als könne nichts die menschliche Spezies aufhalten. Es fühlt sich an, als würde unser kleiner Planet, nichts als ein Staubkorn im Universum, die Sterne erreichen und sie zu unserem Zuhause machen.

Weltraumforschung ist eine magische Sache. Aber welche Wissenschaft steckt dahinter?

Raketen scheinen auf den ersten Blick kompliziert zu sein. Die Leute sagen immer: "Nun, es ist keine Raketenwissenschaft!" Aber ich denke, das Schöne an Raketen ist, dass sie eigentlich ganz einfach sind. Gutes Engineering zeichnet sich dadurch aus, dass es so einfach und intuitiv zu sein scheint, wenn Sie das Ergebnis sehen und denken: „Natürlich muss es so sein!“.

Alles, was Sie wirklich brauchen, um in den Weltraum zu gelangen, sind 4 Dinge. Etwas, das Sie in den Weltraum bringen möchten (die Nutzlast), Treibstoff zum Verbrennen, irgendwo, wo das heiße Zeug herauskommt und eine Möglichkeit, die Rakete zu steuern.

Der größte Teil der Größe einer Rakete dient zur Aufnahme von Nutzlast (normalerweise Astronauten und Ausrüstung) und Treibstoff. Tatsächlich ungefähr eine halbe Million Gallonen Kraftstoff! Der Grund, warum wir so viel Treibstoff brauchen, ist, dass Raketen auf ihrem Weg ins All Luft aus dem Weg drücken müssen. Die Luft verlangsamt die Rakete und erzeugt eine Art Widerstand, ähnlich der Reibung, die Sie an einem windigen Tag spüren. Wir nennen diese Luftreibung "Luftwiderstand" und sie wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

Die Drag-Gleichung

Sehen wir uns jeden dieser Begriffe an. Der Luftwiderstand ist proportional zu ρ, der Luftdichte. Je dichter die Luft ist, desto mehr Luftmoleküle muss die Rakete aus dem Weg schieben, um in den Weltraum zu gelangen. Glücklicherweise nimmt die Luftdichte exponentiell ab, je höher wir in die Atmosphäre gelangen. Eine Rakete hat es natürlich leichter, den Weltraum zu erreichen, je höher sie steigt!

Der zweite Term, A, ist als Frontbereich bekannt. Wahrscheinlich haben Sie auf einer Autobahn die Hand aus dem Fenster eines Autos gesteckt. Wenn Sie Ihre Hand horizontal ausstrecken, schneidet Ihre Hand wie ein Speer durch den Wind. Wenn Sie jedoch Ihre Handfläche in Richtung Wind halten, wird Ihre Hand von einer immensen Luftmenge nach hinten gedrückt, und es ist schwierig, sie aufrechtzuerhalten. Was Ihre Hand erlebte, war Luftwiderstand, und die Variable, die Sie geändert haben, war A. Indem Sie Ihre Hand horizontal zum Wind ausrichten, haben Sie die Querschnittsfläche verringert. Im Wesentlichen hat die durchschnittliche Anzahl der Luftmoleküle, die auf Ihre Hand treffen, abgenommen, da die Kollisionsfläche für die Moleküle geringer ist. Daher verringert sich der Luftwiderstand! Deshalb haben Raketen die Form eines spitzen Speers - sie haben ihre Querschnittsfläche so weit wie möglich verringert.

Der nächste Term ist c_d, der Widerstandsbeiwert. Dies stellt die Reibung zwischen den Luftmolekülen und der Oberfläche dar, über die sie sich bewegen. Der Luftwiderstandsbeiwert hängt von der Geometrie der Rakete und den Materialien ab, aus denen sie besteht. Wir möchten, dass die Außenseite unserer Rakete so glatt und stromlinienförmig wie möglich ist. Deshalb sind Autos nicht wie Kisten geformt. Sie sind schlank und stromlinienförmig, sodass der Luftwiderstandsbeiwert gering ist.

Der letzte Ausdruck ist die Geschwindigkeit unserer Rakete. Beachten Sie, dass der Ausdruck quadriert ist, was bedeutet, dass eine Verdoppelung der Geschwindigkeit der Rakete die Widerstandskraft vervierfacht! Interessanterweise feuern Raketentriebwerke zu Beginn des Starts nicht mit voller Leistung. Dies liegt daran, dass die Luftdichte am Startort am höchsten ist. Daher macht es keinen Sinn, zu beschleunigen, wenn der Luftwiderstand so hoch ist. Aus diesem Grund hören Sie beim Raketenstart den Maximalschub, wenn sich die Rakete bereits in zehntausenden Metern Höhe befindet. Die Luftdichte nimmt exponentiell ab, der Luftwiderstand skaliert jedoch mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Ein Exponential schlägt immer ein Quadrat, also können wir es uns leisten, schnell zu beschleunigen, wenn die Luftdichte niedrig ist!

Jetzt wissen wir, dass der größte Teil der Raketengeometrie und -form aus der Notwendigkeit stammt, die Nutzlast und den Treibstoff zu speichern und gleichzeitig den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten. Aber wie nutzen wir den Treibstoff, um unsere Rakete in den Weltraum zu befördern?

Wir verbrennen das verdammte Ding natürlich! Durch die Freisetzung der in den Kraftstoffmolekülen gespeicherten chemischen Energie können wir Millionen Pfund Schub erzeugen. Aber Brennstoff ist nicht genug, wir brauchen ein Oxidationsmittel, um die Verbrennung vor dem Aussterben zu bewahren. In der Atmosphäre gibt es viel Sauerstoff, den wir als Oxidationsmittel verwenden können. So funktionieren Flugzeuge - Düsentriebwerke nehmen Sauerstoff aus der Luft auf, spritzen Kraftstoff ein, entzünden ein Feuer und schicken den tobenden Feuerball nach hinten.

Leider für Raketen verbringen wir nur einen Bruchteil unserer Reise in der sauerstoffreichen Atmosphäre. Sobald wir das Vakuum des Weltraums erreichen, gibt es keinen Sauerstoff mehr. Um dies zu umgehen, haben Raketen eine eigene Sauerstoffquelle. Aber wie viel Kraftstoff und Sauerstoff brauchen wir?

Tsiolkovskys Raketengleichung

Dies wird durch die berühmte Raketengleichung geregelt, die der russische Wissenschaftler Tsiolkovsky erstellt hat. Wenn Sie möchten, dass Ihre Rakete eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht und Sie Kraftstoff mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausstoßen, wird das Verhältnis der Masse Ihrer Rakete zur Masse nach dem Verbrennen des gesamten Kraftstoffs durch diesen Ausdruck angegeben. Das Lösen des Ausdrucks zeigt, dass ungefähr 90% der Raketenmasse nur Treibstoff sein muss! Wenn Sie nicht überzeugt sind und die Raketengleichung selbst ableiten möchten, können Sie dies unter Wahrung des Impulses tun. Es sind einige Videos online mit einer schrittweisen Ableitung.

Sobald wir den Brennstoff verbrannt haben, brauchen wir irgendwo, damit das heiße Zeug herauskommt. Und je schneller das heiße Zeug rauskommt, desto mehr packt es einen Schlag. Um das heiße Zeug so schnell wie möglich aus der Rakete zu werfen, verwenden wir eine sogenannte Düse. Eine Düse variiert die Querschnittsfläche, durch die die Verbrennungsgase strömen, um das Gas zu beschleunigen.

Wie verändert eine Düse die Geschwindigkeit eines Gases? Alles kommt aus der Erhaltung der Masse. Hier ist eine Analogie. Stellen Sie sich ein Rohr mit einem Einlass und einem Auslass vor. Wenn Wasser mit einer Geschwindigkeit von 1 kg / s in das Rohr fließt, wissen wir, dass Wasser mit 1 kg / s aus dem Auslass austreten muss. Wenn wir eine Sekunde Zeit hatten und 1 kg Wasser nicht aus dem Auslass kam, wissen wir, dass etwas schrecklich falsch sein muss! Das Wasser kann nicht einfach in der Leitung bleiben - es fließt verdammt!

Dies ist das Prinzip des Massenschutzes. Masse kann nicht erzeugt oder zerstört, sondern nur übertragen werden. Aus diesem Grund erwarten wir, dass in 1 Sekunde 1 kg Wasser aus dem Rohr austritt. Wenn nicht, muss das Wasser aus einer anderen Quelle stammen. Ähnlich wie ein Rohr hat eine Düse einen Einlass und einen Auslass. Im Gegensatz zu einem Rohr hat eine Düse eine unterschiedliche Querschnittsfläche. Wenn die Fläche kleiner wird, ist weniger Platz für den Wasserdurchfluss. Es muss also beschleunigen, um diese 1 kg / s Durchflussrate aufrechtzuerhalten. Andernfalls würde die Masse nicht erhalten bleiben.

Eine Düse nutzt dieses Prinzip, um die Verbrennungsgase mit lächerlichen Geschwindigkeiten auszustoßen - oft mit der zehnfachen Schallgeschwindigkeit. Das sind 3.430 m / s! Denken Sie darüber nach, in einer Sekunde bewegt sich das Gas 11.000 Fuß. Eine der gebräuchlichsten Düsen, die heutzutage in Raketen verwendet werden, ist die konvergierende-divergierende Düse (siehe unten):

Konvergent-divergente Düse

Sie fragen sich vielleicht, warum die Düse schmaler wird und plötzlich breiter wird, wenn der Kraftstoff ausgestoßen wird. Habe ich nicht gesagt, wir möchten, dass das heiße Zeug so schnell wie möglich rauskommt? Würde eine Vergrößerung der Fläche nicht die Geschwindigkeit der heißen Gase verringern? Du hast absolut recht. Sobald die Strömung in den divergierenden Teil der Düse eintritt, ist sie jedoch Überschall. Es ist schneller als die Schallgeschwindigkeit, und zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Dichte des Gases erheblich. Wenn die Dichte des Gases nicht konstant ist, tritt der gegenteilige Effekt auf - eine Vergrößerung der Fläche bewirkt eine Erhöhung der Geschwindigkeit! Komisch, was?

Wir brauchen eine Möglichkeit, die Rakete zu steuern. Wenn wir die Rakete nicht steuern könnten, würden wir einfach weiter von der Erde weg beschleunigen und schließlich die Fluchtgeschwindigkeit erreichen - die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um der Erdanziehungskraft zu entkommen. Wir möchten jedoch nicht die Daumen drücken und hoffen, dass wir es bis zum Mond oder Mars schaffen, indem wir geradeaus nach vorne zoomen. Wir brauchen einen Weg, um zu navigieren.

Aber wie genau steuern wir? Genau so wie Flugzeuge! Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass Raketen 3 bis 4 Flossen an der Basis haben. Diese Flossen werden betätigt und leiten die Luft um, die an der Rakete vorbeiströmt. Wenn die Flossen die Luft nach rechts drücken, dann sagt Newtons drittes Gesetz, dass die Luft die Rakete gleich stark zurückdrücken muss. So können wir mit etwas geschicktem Rechnen die Flugbahn der Rakete ändern, indem wir die Flossen steuern.

Gitterflossen auf der SpaceX-Rakete Falcon 9

Aber was machen wir, wenn wir die obere Atmosphäre oder den oberen Raum erreicht haben? Es gibt nicht genug Luft, damit die Flossen drücken können, und sie werden unbrauchbar. An diesem Punkt verwenden wir die sogenannte Motoraufhängung. Das hört sich ausgefallen an, bedeutet aber nur, dass wir die Ausrichtung unserer Motoren und damit die Schubrichtung ändern können. Hier ist eine Animation:

Kardanische Steuerung der Schubrichtung

Der letzte Punkt, den ich erwähnen möchte, ist die Optimierung der Weltraumforschung. Wir möchten zu jedem Zeitpunkt so wenig Energie wie möglich verbrauchen, um so schnell wie möglich von A nach B zu gelangen. Dies hat zur Entwicklung von Raketenstufen geführt. Die Idee hinter Raketenstufen ist, dass der Teil der Rakete, der den Treibstoff enthielt, unbrauchbare Masse ist, sobald Sie eine bestimmte Menge Treibstoff verbrannt haben. Es ist nicht erforderlich, ihn an der Atmosphäre und gegen die Schwerkraft der Erde zu ziehen.

Deshalb haben wir unsere Raketen modular aufgebaut. Jede "Stufe" der Rakete enthält den notwendigen Treibstoff, um die Rakete auf eine bestimmte Höhe zu treiben. Sobald wir diesen Punkt erreicht haben, werfen wir diese Stufe aus und lassen sie auf die Erde zurückfallen. Jetzt, da unsere Rakete leichter ist, können wir auf der nächsten Stufe weniger Treibstoff mitnehmen. Das Ergebnis ist ein äußerst optimiertes Raketendesign, das nur die Menge an Treibstoff enthält, die für den Weltraumzugang unbedingt erforderlich ist. Erinnern Sie sich noch daran, dass wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, dass die Lösung der Raketengleichung ergab, dass 90% der Masse Ihrer Rakete Treibstoff sein muss? Nun, das war für eine einstufige Rakete. Sobald Sie mehrstufige Raketen haben, müssen nur 60–70% Ihrer Rakete Treibstoff sein! Mehr Platz für Astronauten-Snacks :)

Die Saturn V-Rakete, mit der wir Männer auf dem Mond landeten, bestand aus drei Stufen.

Wir haben jedoch noch eine weitere Optimierung vorgenommen. Wir beschließen, unsere Raketen in der Nähe des Äquators abzufeuern. Warum startet Ihrer Meinung nach die NASA oder SpaceX von Cape Canaveral in Florida aus? Es liegt nicht am warmen Klima!

Wir wollen, dass unsere Rakete bei geringstmöglicher Arbeit in den Weltraum gelangt. Denken Sie daran, dass sich die Erde ständig um ihre eigene Achse dreht - deshalb haben wir Tag und Nacht Zeit. Am Äquator dreht sich die Erde mit 1000 Meilen pro Stunde am schnellsten. Durch den Start in der Nähe des Äquators und in Richtung der Erdrotation erhalten wir einen zusätzlichen Schub durch die Erdrotation!

Lange Zeit landeten die verschiedenen Stufen der Rakete in den Ozeanen oder verbrannten in der Atmosphäre, sobald sie sich von der Hauptrakete trennten. Im Nachhinein war das unglaublich dumm, weil wir jahrelange Forschung und Milliarden von Dollar damit verbracht haben, diese Raketenstufen zu bauen, aber dann ließen wir sie in die Ozeane fallen, als wären sie nichts wert.

Natürlich konnten wir die Raketenstufen wieder benutzen, aber sie waren normalerweise beschädigt und bedürfen der Reparatur und Wartung. All dies änderte sich, als SpaceX kam und beschloss, dass wir die Raketenstufen wieder auf der Erde landen sollten, damit sie nicht beschädigt werden und so schnell wie möglich für den nächsten Raketenstart verwendet werden können.

Es dauerte Jahre der Forschung und die Anstrengung vieler unglaublicher Menschen, aber das ist das Ergebnis:

SpaceX landet beide Falcon Heavy Booster sicher auf der Erde

Ich hoffe, Ihnen hat dieser Artikel gefallen und Sie haben etwas über Raketen gelernt. Ich freue mich darauf, eine Fortsetzung darüber zu schreiben, was Raketen tun, wenn sie sich im Weltraum befinden und wie wir zum Mars gelangen können. Wenn Begriffe wie „Schwerkraftschleuder“ oder „Orbitalübertragung“ für Sie cool klingen, halten Sie Ausschau!