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Kapitel 4 Raketenflug107
MEHRSTUFIGE RAKETEN - ÜBEREINANDER MONTIERTE EINZELRAKETEN
Die bei Brennschluss einer einstufigen Rakete erzielte Geschwindigkeit reicht bei Weitem nicht aus, die Anziehungskraft der Erde zu überwinden. Selbst für den Transport eines Satelliten in eine Erdumlaufbahn reicht das Antriebsvermögen einer Einstufenrakete nicht aus. Allerdings lassen sich die Ausströmgeschwindigkeit und das Massenverhältnis einer Rakete nicht beliebig steigern, da der Leistungsfähigkeit herkömmlicher Treibstoffe Grenzen gesetzt sind. Folglich ist das An- triebsvermögen einstufiger Raketen durch die erzielbare Ausströmgeschwindigkeit und das erziel- bare Massenverhältnis begrenzt. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit werden mehrere Einzelra- keten übereinander montiert, die als Raketenstufen bezeichnet werden. Zunächst erzeugt nur die unterste Rakete die gesamte Schubkraft und trägt die anderen beiden in die Höhe. Sobald sie ihren Treibstoffvorrat aufgebraucht hat, löst sie sich ab und fällt herunter. Nun übernimmt die zweite Stufe die Aufgabe der ersten. Sobald die zweite Stufe ausgebrannt ist, fällt auch sie ab. Von nun an fliegt die dritte Stufe alleine weiter und transportiert schliesslich den Satelliten auf seine Bahn. Bei Mehrstufenraketen muss also nicht mehr die gesamte Rakete, sondern nur die letzte Stufe zusammen mit der Nutzlast auf die Höchstgeschwindigkeit gebracht werden. Das Stufenprinzip beruht darauf, dass die ausgebrannten Stufen abgeworfen werden und nach erfolgter Stufentren- nung nicht mehr weiter mitgetragen werden müssen. Dadurch steigen das erzielbare Massenver- hältnis und das Antriebsvermögen. Allerdings steigt auch die Startmasse der Rakete. Mit mehrstu- figen Raketen lassen sich wesentlich grössere Höchstgeschwindigkeiten erreichen als mit einstufi- gen, da sich die Brennschlussgeschwindigkeiten, welche die einzelnen Stufen erreichen, summie- ren. Wenn eine einstufige Rakete beispielsweise von einem Flugzeug gestartet wird, dann sum- mieren sich die Geschwindigkeiten beider Flugkörper. Hier stellt das Flugzeug die erste Stufe und die Rakete die zweite Stufe dar.
Nutzlastverhältnis
Das Stufenprinzip muss jedoch System haben, um einen sinnvollen Geschwindigkeitsgewinn zu erzielen. Natürlich kann man nicht beliebig grosse Raketen irgendwie übereinander stellen, da die erste Stufe über ein ausreichendes Antriebsvermögen verfügen muss, um die zweite Stufe auf eine grosse Geschwindigkeit zu bringen. Da jeweils nur die unterste Stufe die gesamte Arbeit ver- richtet, sind die oberen Stufen als Ballast oder Nutzlast der untersten anzusehen. Ein grosser Nachteil des Stufenprinzips ist, dass sich das Nutzlastverhältnis mit jeder zusätzlichen Raketenstu- fe ausserordentlich stark verringert, während der Geschwindigkeitsgewinn immer geringer wird. Das bedeutet konkret: Wenn die Startmasse der Rakete nicht erheblich vergrössert wird, dann verkleinert sich die Nutzlast mit jeder weiteren Stufe. Ausserdem muss die Struktur der unteren Stufen ausreichend stark konstruiert sein, um die oberen Stufen tragen zu können. Es sind also sehr grosse und schwere Trägerraketen erforderlich, um eine schwere Nutzlast auf eine hohe Ge- schwindigkeit zu bringen. Aus diesen Gründen werden keine Raketen mit fünf und mehr Stufen gebaut, obwohl noch höhere Geschwindigkeiten wünschenswert wären. In der Praxis haben sich drei Stufen und bei leistungsschwachen Treibstoffen vier Stufen als optimal erwiesen. Will man die Geschwindigkeit einer Rakete trotzdem weiter steigern, so ist es am sinnvollsten, einen Hochleis- tungstreibstoff zu verwenden. Das Nutzlastverhältnis ist der Anteil der Nutzlastmasse an der Startmasse. Sein Wert sollte zwischen 1 zu 10 und 1 zu 3 liegen. Es dient dazu, die Massen der einzelnen Stufen optimal aufeinander abzustimmen.
Wenn man die Nutzlastverhältnisse der einzelnen Stufen miteinander multipliziert, dann erhält man das Nutzlastverhältnis einer Mehrstufenrakete. Aus der folgenden Gleichung geht hervor, dass sich das Nutzlastverhältnis mit jeder zusätzlichen Raketenstufe ausserordentlich stark verringert, da die Nutzlastverhältnisse der einzelnen Stufen miteinander multipliziert werden: