Haben Sie sich jemals gefragt, wie Raketen funktionieren oder was es braucht, um Astronauten zum Mond oder Mars zu bringen?
Raketenwissenschaft mag kompliziert sein, aber sie ist leichter zu verstehen, nachdem Sie ein paar Grundlagen gelernt haben. Um eine Rakete zum Abheben zu bringen, ist eine Kombination aus Mathematik, Physik, Chemie und Technik erforderlich.
Antrieb: Das Herzstück der Funktionsweise von Raketen
Der Hauptzweck der Raketenwissenschaft besteht darin, etwas durch Antrieb in die Luft zu bringen. Schub ist Newtons drittes Bewegungsgesetz in Aktion. Es erzeugt im Wesentlichen eine Explosion unter der Rakete.
Wenn sich die Explosion von der Rakete wegbewegt, erzeugt sie eine gleiche Kraft in die entgegengesetzte Richtung, die das Fahrzeug von der Explosion wegdrückt. Daher können Raketen weiterfliegen, nachdem sie den Boden verlassen haben. Es wird beim Start nicht von der Erde weggedrückt – es wird durch kontrollierte Explosionen in seinen Triebwerken nach oben gedrückt.
Um künstlich Schub zu erzeugen, konstruieren Raketenwissenschaftler – auch Luft- und Raumfahrtingenieure genannt – Raketentriebwerke mit chemischen Antriebssystemen. Raketen können festen oder flüssigen Brennstoff oder sogar eine Kombination aus beidem verwenden. Die Idee ist, dass der Kraftstoff von einem Lagertank zu einer Brennkammer gelangt, wo eine chemische Reaktion die Explosion verursacht, die Schub erzeugt. Chemie ist ein großer Teil der Funktionsweise von Raketen!
Unterschiedliche Kraftstoffarten erzeugen unterschiedlich viel Vortrieb. Ein Oxidationsmittel wird auch benötigt, um die Verbrennung einzuleiten, die Schub erzeugt. Unterschiedliche Stufen moderner mehrstufiger Raketen verwenden typischerweise unterschiedliche Treibstoffe. Zum Beispiel die neueste Rakete der NASA – das Space Launch System – verwendet festen Brennstoff aus Aluminiumpulver für seine Booster-Motoren der ersten Stufe mit Ammoniumperchlorat als Oxidationsmittel. Die Hauptmotoren verwenden flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff.
Was ist, wenn die Rakete ins All fliegt? Dieselben Schubregeln gelten immer noch in der Mikrogravitation. Schub kann im Weltraum noch schwieriger sein. Ohne die Schwerkraft der Erde – die alles universell zum Erdmittelpunkt zieht – kann jede Kraft die Bewegung einer Rakete drastisch beeinflussen. In Schwerelosigkeit gibt es auch keinen Luftwiderstand oder Reibung. Der Vortrieb in Null-G muss daher sehr genau eingestellt werden. Die massiven Explosionen, die die Rakete in die Umlaufbahn getrieben haben, werden es nicht mehr schaffen.
Teile einer mehrstufigen Rakete
Die Komponenten einer Rakete müssen an beiden Enden des Spektrums extremen Bedingungen standhalten. Erstens werden sie während des Starts intensiver Hitze, Vibration und G-Kräften ausgesetzt. Sie werden dann in den Weltraum bei Temperaturen nahe Null geschoben, wo die Rakete auch großen Mengen an Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Luft- und Raumfahrtingenieure müssen Verwenden Sie spezielle Testgeräte und unglaublich langlebige Materialien, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug unter diesen Bedingungen überleben kann. Allerdings muss nur ein Teil davon den Weltraum erreichen.
Die modernen Raketen, die seit dem Gemini-Programm der NASA beliebt sind, sind mehrstufige Raketen. Das Startsystem zerbricht in mehrere Teile, die beim Start auseinander geschleudert werden. Nur das oberste Segment der Rakete wird tatsächlich ins All fliegen. Startsysteme im Laufe der Jahrhunderte stark verändertaber die mehrstufige Senkrechtstartrakete hat sich als das effektivste Modell erwiesen.
Wie Raketen mit einer mehrstufigen Konfiguration funktionieren, ist einfach: Gewicht reduzieren, um Treibstoff zu sparen. Einer der Grundprinzipien der Raketenwissenschaft lautet: Je schwerer etwas ist, desto schwieriger ist es, es zu starten. Schwerere Fahrzeuge benötigen mehr Schub und mehr Treibstoff, um vom Boden abzuheben. Mehrstufige Raketen minimieren das Gewicht der Rakete, indem sie leere Treibstofftanks auswerfen.
Während sich mehrstufige Raketen im Laufe der Jahrzehnte stark verändert haben, gibt es immer ein paar gemeinsame Teile. Ganz oben auf der Rakete befindet sich das Besatzungsmodul oder die Nutzlast – das Teil, das in den Weltraum fliegen muss, sei es in der erdnahen Umlaufbahn oder weiter zum Mond oder Mars. Ein Startabbruchsystem ist immer mit dem Besatzungsmodul oder der Nutzlast verbunden, normalerweise direkt darüber. Hoffentlich wird dieser Teil der Rakete nicht benötigt, aber er könnte das Leben der Besatzung bei einem Startnotfall retten.
Unter dem Besatzungsmodul oder der Nutzlast befindet sich typischerweise ein Servicemodul, einschließlich eines Triebwerks für die Nutzlast oder die Besatzungsmodule. Diese Stufe geht mit dem Besatzungs- oder Nutzlastmodul in den Weltraum.
Die größten Komponenten einer mehrstufigen Rakete sind die Treibstofftanks, die das Raumfahrzeug in die Umlaufbahn befördern. Die Anzahl der erforderlichen Treibstofftanks hängt von der Größe der Nutzlast oder des Starts des Raumfahrzeugs ab. Zum Beispiel, Saturn-V-Rakete der NASA – der es für die Apollo-Mond-Missionen benutzte – hatte drei Treibstofftanks auf der Hauptbühne. Das Space Shuttle hatte einen eingebauten Hauptmotor, einen externen Kraftstofftank und zwei Festbrennstoff-Booster-Motoren.
Wenn jeder Treibstofftank während des Starts leer wird, werden sie aus dem Rest der Rakete ausgeworfen, um das Gewicht und den Treibstoff zu reduzieren, die erforderlich sind, um die Rakete in Bewegung zu halten. Die für die Apollo-Missionen verwendeten Treibstofftanks würden in der Atmosphäre verglühen oder ins Meer spritzen. Die heutigen Raketen haben wiederverwendbare Booster, die die Teams nach dem Start zurückholen.
Fluchtgeschwindigkeit: Das Problem der Schwerkraft
Drei Stufen von Treibstofftanks klingen nach viel für eine kleine Mannschaftskapsel oder einen Satelliten. Die Schwerkraft ist der Grund, warum all dieser Antrieb benötigt wird – die Schwerkraft der Erde arbeitet sehr hart daran, Dinge in Richtung Zentrum zu ziehen. Eine Rakete aus dieser Schwerkraft zu befreien, erfordert eine enorme Kraft. Raketen kämpfen buchstäblich gegen die Schwerkraft!
Um frei in die Umlaufbahn zu gelangen, müssen Raketen eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen, die als Fluchtgeschwindigkeit bekannt ist – die erforderliche Mindestgeschwindigkeit um die Schwerkraft der Erde zu überwinden. Jeder Planetenkörper hat eine Fluchtgeschwindigkeit. Die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde beträgt etwa 11,2 Kilometer pro Sekunde oder 25.000 Meilen pro Stunde.
Auch der Luftwiderstand spielt eine entscheidende Rolle, um eine Rakete zum Abheben zu bringen. Ein Fahrzeug durch die Atmosphäre zu bewegen, ist ein bisschen wie Schwimmen: Das Wasser drängt Sie zurück, während Sie versuchen, sich vorwärts zu bewegen. Tatsächlich benötigen Raketen spezielle Hitzeschilde, um sie vor der durch den Luftwiderstand erzeugten Hitze zu schützen. Je dicker die Atmosphäre, desto mehr Schub wird benötigt.
Aufgrund der Schwerkraft des Mondes ist es im Vergleich zur Erde viel einfacher, eine Rakete auf den Mond zu starten macht nur etwa 17 % der Erde aus, wodurch eine niedrige Fluchtgeschwindigkeit ohne Atmosphäre entsteht. Der Start einer Rakete zur Venus wäre jedoch viel komplizierter. Die Schwerkraft der Venus ähnelt der der Erde, daher wäre ihre Fluchtgeschwindigkeit nahe. Die Atmosphäre der Venus ist jedoch unglaublich dick – atmosphärischer Druck zerquetschte die wenigen Lander die die Venus innerhalb von Stunden erreichte.
Starten Sie zu den Sternen
Raketenwissenschaft ist eine Kombination aus Ingenieurwissenschaften, Physik, Chemie und Mathematik. Es braucht ein ganzes Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren, um zusammenzuarbeiten, um eine Rakete in die Luft zu bringen. Zu lernen, wie Raketen funktionieren, macht nicht nur Spaß, sondern ist auch eine großartige Möglichkeit, die Rolle der Wissenschaft im Alltag zu verstehen. Dieselbe Physik, die Raketen in den Weltraum treibt, treibt auch Dinge wie Achterbahnen, Autos und sogar Papierflieger an.
