Raketentechnik
Unter Raketentechnik versteht man alle Kenntnisse, Materialien, Verfahren und Vorgänge, die zum erfolgreichen Bau, Start und Betrieb von Raketen beitragen.
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Technische Erfordernisse im Raketenbau
Anders als Flugzeuge sind Raketen auch außerhalb der Erdatmosphäre einsetzbar. Sie benötigen weder den Auftrieb der Luft noch ihren Sauerstoff, sondern führen alle zum Antrieb nötigen Substanzen in fester oder flüssiger Form mit. Wegen der nötigen Tanks, Leitungen und Pumpen sind sie allerdings auch anfälliger für Störungen, was lange Entwicklungszeiten und hohe Kosten bedeutet. Auch die Steuerung ist aufwendiger als in der Luftfahrt.
Raketen arbeiten nach dem Prinzip des Rückstoßes durch Verbrennungsgase, der umso stärker ist, je mehr und schneller die Gase der Düse entströmen und je leichter die Raketenhülle ist. Andererseits braucht diese eine gewisse Festigkeit, weshalb günstige Massenverhältnisse (Start- zu Leermasse) nur mit extremer Leichtbauweise erzielbar sind. Die Ausströmgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur in der Brennkammer - was die effektivsten Antriebe vor weitere technischer Probleme stellt.
Zusammengefasst heißt das: von der Gesamtmasse einer Rakete soll möglichst viel auf den möglichst explosiven Treibstoff entfallen, und nur wenig auf die Raketenstruktur. Letztere muss dennoch stabil, betriebssicher und gut steuerbar bleiben. Diese widersprüchlichen Anforderungen stellen die Raketentechnik vor zahlreiche schwierige Herausforderungen.
Auslegung und Art von Raketen
Die grundsätzliche Wahl der Raketenart(en) richtet sich nach Verwendungszweck und Größe. Dabei unterscheidet man vor allem:
- Feuerwerkskörper, Modellraketen, Leucht-, Signalraketen, Rettungsraketen
- Antrieb von Fahrzeugen oder Flugzeugen - z.B. Raketenauto von Max Valier, Raketenflugzeuge X-15 und X-34
- Militärische Raketen
- Panzer-, Flugabwehr, kleine Raketenwaffen
- Kurz- und Mittelstreckenraketen, Interkontinentalraketen
- Raketen für die Raumfahrt
- nach Zweck: für Erdsatelliten, Raumsonden oder Raumstationen, zu Mond oder Planeten, Forschungsraketen, Höhenraketen
- nach Schub bzw. Gewicht:
- Trägerraketen, Booster, Einzel- oder Stufenraketen, erste/ zweite/ dritte (oberste) Stufe
- Gewichts-Serien von Raketen, z.B. Delta I bis IV von einigen Dutzend bis über 200 Tonnen
- Steuerungs-, Bremsraketen, Apogäumsmotor, Rettungsrakete
- Lageregelung, Gasdüsen usw.
Entwurf von Raketenform und Antrieb
- Form und Struktur: Höhe(n), Durchmesser, Gewicht, Wandstärken, Versteifungen, Gestalt, Luftwiderstand, Stabilisierungsflossen
- Raketenstufen: Anzahl, Massenverhältnis aller Stufen (Start-, Leergewicht), Nutzlast
- Brennkammer und Düse(n): Form, Anzahl und Stellung, Schubkraft, Wiederzündbarkeit
- Antriebsart (Raketenmotor):
- Flüssigkeitsrakete bzw. Feststoffrakete, Ionenantrieb ...
- Brennstoff bzw. Brennsatz, Oxydator/ Sauerstoff, Beschaffbarkeit, Tankgrößen, Brenndauer, Durchfluss, Ausströmgeschwindigkeit, Steighöhe
Material, Haltbarkeit und Betrieb
- Materialien aller Teile (Metallurgie, Keramik-, Verbund- oder Faserstoffe) und deren Beständigkeit (gegen Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Beschleunigungen, Vibration, Gewichtsverteilung, Entladungen und Alterung). Diese Aspekte betreffen besonders:
- Raketenhaut und Struktur, Tanks, Brennkammern, Nahtstellen und Verbindungsteile
- Pumpen, Aggregate, Förderleitungen, Regelung, Hilfsaggregate, Steuerflächen, Sprengladungen usw.
- Steuerung, Computer, Kreisel, Funkanlagen, Antennen, Versorgungs- und Stromkreise
- Zuverlässigkeit, Lebensdauer von Mechanik und Elektrik
- Ausfalls-Wahrscheinlichkeit einzeln/insgesamt, Reservesysteme
- Standby, Stromverbrauch, Heizung/ Kühlung, Telemetrie
- Fehlerbehebung, Funkausfall, "Open End", Sprengung, Verglühen
- Landung, Bremsung, Sink/Gleitflug, Stabilität, evt. Wiederstart
Zuverlässigkeit und Fehlstarts
Die Zuverlässigkeit der Einzelkomponenten muß bei Raketen mit vielen tausend Einzelteilen bei über 99,999 Prozent liegen. Hier ist ein Optimum zwischen vielen widersprüchlichen Aspekten zu suchen, unter anderem
o zwischen Risiko, Kosten und Entwicklungszeit,
o zwischen Innovation, Bewährtem und aufwendigen Testläufen,
o Struktur, Haltbarkeit, Gewicht und Treibstoffverbrauch,
o Reservesysteme, Gewichtsanstieg und Energieverbrauch, und
o zwischen Fehlermeldungen, Steuerung und Autonomie.
Die Ausfallsquote verschiedener Raketentypen liegt meist im Bereich einiger Prozent. Vereinzelt kann sie auf 1-2 Fehlstarts pro 100 Starts gesenkt werden, wie bei der Delta II-Serie. Hier wurden in 40 Jahren zahlreiche Varianten erprobt und schrittweise verbessert - von den ersten Typen (1960) über Delta I, II und III bis zu Delta IV Heavy.
Siehe auch
- Geschichte der Raumfahrt, Liste der Raketentypen
- Unbemannte und bemannte Raumfahrtmissionen
- Hermann Oberth, Raketengrundgleichung, Stufenrakete
- Erdsatellit, Raumsonde, Raumstation, Space Shuttle
- Maschinenbau, Elektronik, Kybernetik, Steuerungstechnik