Die von der Rakete ausgestoßene Flamme war über 3000 °C heiß. Wie kam es also, dass sie nicht verbrannte? Es hat eine Möglichkeit zum Abkühlen

Mithilfe der aus dem Heck ausgestoßenen Hochtemperaturflamme kann die Rakete spektakulär in den Himmel aufsteigen. Aber haben Sie schon einmal über diese Frage nachgedacht: Wenn die von der Rakete ausgestoßene Flamme eine extrem hohe Temperatur hat, warum verbrennt dann nicht die Rakete selbst?

Vielleicht denken Sie, dass für die Rakete hochtemperaturbeständige Materialien aus der Luft- und Raumfahrt verwendet worden sein müssen. Tatsächlich handelt es sich hierbei nicht um ein Problem, das sich durch die Wahl der Materialien lösen lässt, da die Temperatur der aus dem Heck der Rakete ausgestoßenen Flamme 3000 °C übersteigt, während Wolfram, das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt in der Natur, einen Schmelzpunkt von lediglich 3380 °C hat und dem Dauerbrennen der Raketenflamme nicht standhalten kann. Natürlich liegt der Schmelzpunkt einer synthetischen Substanz, Hafniumtantalpentacarbid, mit 4215 °C viel höher, aber Raketen können sich auch anders abkühlen.

Die am häufigsten verwendete Methode zur Kühlung von Raketendüsen wird als „regenerative Kühlung“ bezeichnet. Schon beim Hören des Namens spüren wir, wie „wirtschaftlich und erschwinglich“ diese Kühlmethode ist.

Wie funktioniert regenerative Kühlung also wirtschaftlich? Dies beginnt mit Raketentreibstoff. Obwohl alle Raketen mit fossilen Brennstoffen angetrieben werden, ist die spezifische Form des Brennstoffs unterschiedlich. Beispielsweise verwenden Flüssigraketentriebwerke flüssigen Treibstoff, insbesondere flüssiges Methan, flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff. Ob Methan, Sauerstoff oder Wasserstoff, bei Raumtemperatur sind sie alle Gase. Um sie zu verflüssigen, ist eine sehr niedrige Temperatur erforderlich.

Die Temperatur von flüssigem Methan muss minus 82,6 °C betragen, die von flüssigem Sauerstoff beträgt sogar minus 183 °C und am ungeheuerlichsten ist die von flüssigem Wasserstoff, dessen Temperatur minus 252,7 °C erreichen muss.

Die Rakete ist mit so viel kryogener Flüssigkeit beladen. Ist das nicht das Kühlmittel, das leicht verfügbar ist? Zu diesem Zweck werden an der Innen- und Außenwand der Raketendüse dichte Rohre verlegt. Diese Rohre bestehen üblicherweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung, Edelstahl oder Kupfer. Der flüssige Brennstoff mit niedriger Temperatur gelangt nach dem Austritt aus der Brennkammer nicht direkt in die Brennkammer, sondern läuft zunächst in diesen Rohren umher. Auf diese Weise wird der Zweck erreicht, zur Kühlung der Raketendüse beizutragen.

Der flüssige Treibstoff mit niedriger Temperatur führt die Wärme ab, indem er durch die Innen- und Außenwände der Raketendüse fließt, und diese Wärme geht nicht verloren.

Die Niedertemperaturflüssigkeit, die Wärme aufnimmt, wird zunächst vorgewärmt und bringt dann die Wärme in die Brennkammer. Das heißt, die aufgenommene Wärme wird schließlich ohne Verlust wieder abgegeben, weshalb diese Kühlmethode auch als „regenerative Kühlung“ bezeichnet wird. Regenerative Kühlung ist nicht die einzige Möglichkeit, die Raketendüse zu kühlen. Es gibt noch weitere Verfahren, wie zum Beispiel die „Filmkühlung“.

Das wichtigste Kühlmittel bei der Filmkühlung ist immer noch der flüssige Niedertemperaturbrennstoff, doch diesmal wird der Niedertemperaturbrennstoff nicht durch das Rohr fließen gelassen, um Wärme aufzunehmen, sondern direkt auf die Innenwand der Raketendüse gesprüht.

An der Innenwand der Raketendüse befindet sich eine Kühlzone aus einer großen Anzahl kleiner Düsen, die flüssigen Treibstoff mit niedriger Temperatur auf die Innenwand der Raketendüse sprühen. Dadurch bildet sich auf der Innenwand ein Flüssigkeitsfilm oder ein Niedertemperaturdampffilm, der die von der Rakete ausgestoßene Hochtemperaturgasflamme von der Düsenwand isoliert. Auf diese Weise besteht keine Gefahr, dass die Gasflamme die Raketendüse verbrennt. Gibt es eine Möglichkeit zur Kühlung ohne den Einsatz dieser kryogenen Brennstoffe? Ja, das ist Ablationskühlung.

Bei der sogenannten Ablationskühlung wird eine Auskleidung aus ablativem Material in die Innenwand der Düse eingebettet, was dem Hinzufügen einer Wärmeisolationsschicht zur Düse entspricht.

Diese ablativen Materialien bestehen im Allgemeinen aus Materialien wie Kohlefaser. Der Grund für die Bezeichnung ablativer Werkstoffe liegt darin, dass sich die Auskleidung bei der Aufnahme von Wärme zersetzt und verdampft und so die Wärme abführt. Wenn die Rakete schließlich abhebt, werden sie verschwinden. Diese Kühlmethode ist zwar relativ grob, aber sie ist billig und einfach und hat daher auch ihre eigenen Vorteile. Darüber hinaus gibt es für die Kühlung der Raketendüse auch Abschirmkühlung, Transpirationskühlung, Strahlungskühlung usw. Kurz gesagt: Durch diese Kühlmethoden kann die Düse geschützt werden und die Rakete wird nicht durch ihre eigene Hochtemperaturflamme verbrannt.

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