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Kapitel 1 Grundlagen der Raketentechnik1
1. GRUNDLAGEN DER RAKETENTECHNIK
WIE FUNKTIONIERT EINE RAKETE?
Der Antrieb von Raketen beruht auf dem Rückstossprinzip, das in diesem Abschnitt näher erläutert wird. Wenn in einem allseitig verschlossenen Zylinder eine bestimmte Menge Schwarzpulver zur Entzündung gebracht wird, dann bildet sich aus dem verbrennenden Pulver ein heisses Gas, das einen vielfach grösseren Raum einnehmen will als die ursprüngliche Pulvermenge. Allerdings kön- nen sich die Verbrennungsgase nicht beliebig ausdehnen, weil die Wände des Zylinders stark ge- nug sind, um dem Gasdruck standhalten zu können. Aus diesem Grund lastet im Innern auf allen Wänden eine enorme Druckkraft. Da aber die sich gegenüberliegenden Wände unter gleichgros- sen Druckkraftwirkungen stehen und sich daher gegenseitig aufheben, bleibt der Zylinder unbe- weglich auf seiner Unterlage stehen. Mit der Zeit nimmt der Druck im Innern ab, da die Abgase allmählich auf Raumtemperatur abkühlen und daher einen kleineren Raum einnehmen möchten. Wenn man nun das Experiment in einem mit einem Bohrloch versehenen Zylinder wiederholt, dann strömen aus der geschaffenen Öffnung mit grosser Geschwindigkeit die Verbrennungsgase heraus, und gleichzeitig beginnt sich der Zylinder entgegengesetzt zur Ausströmrichtung der Ab- gase fortzubewegen. Auf die gleiche Weise fliegt ein losgelassener Luftballon durch die Gegend, wenn die Druckluft aus seiner Öffnung entweichen kann.
Abb. 1-1. Der geschlossene Zylinder links im Bild bleibt unbeweglich auf seiner Unterlage stehen, während der aufgebohrte Zylinder rechts im Bild sich entgegengesetzt zur Ausströmrichtung bewegt.
Die Ausströmöffnung wird wie bei den Raketen als Düse bezeichnet. Mit der Grösse der engsten Stelle in der Düse lässt sich der Druck in der Brennkammer auf einen bestimmten Wert regulieren, sodass der Druck nicht unkontrolliert ansteigen kann, was zur Explosion des Triebwerks führen könnte. Ein solcher Raketenantrieb kann auch im luftleeren Weltraum als Antriebsmittel eingesetzt werden, weil sich die Rakete nicht mithilfe der ausströmenden Abgase von der umgebenden Luft abstösst, sondern weil die Gasströmung selbst für den Rückstoss sorgt. Genaugenommen drückt das Gas gegen die obere Brennkammerwand, die der Düse gegenüberliegt. Der Raketenantrieb beruht auf dem Naturgesetz „Aktion und Reaktion“, das vom englischen Physiker Isaac Newton (1642 - 1727) im Jahr 1687 veröffentlicht wurde. Es bedeutet vereinfacht ausgedrückt: Wer einen festen Körper, eine Flüssigkeit oder eine Gasmasse mit einer gewissen Geschwindigkeit von sich weggeschleudert, bekommt dadurch selbst einen Rückstoss in die entgegengesetzte Richtung. Dabei sind Wurfkraft und Rückstosskraft immer gleich gross. Wer sich beispielsweise auf ein Roll- brett stellt und einen Medizinball wegstösst, bekommt dadurch selbst einen Rückstoss, der ihn entgegengesetzt zur Wurfrichtung in Bewegung versetzen wird. Die gleiche Kraft kommt auch bei einem Sprung aus einem Boot zur Wirkung. Wenn man vom Heck eines kleinen Ruderbootes ins Wasser springt, dann bewegt sich das Boot ein Stück vorwärts, also entgegengesetzt zur Sprung- richtung. In unserer alltäglichen Umwelt lassen sich zahlreiche weitere Beispiele finden, welche