Motor: Das Herz einer Rakete

Wenn die Trägerrakete die Grundlage für die Entwicklung der Raumfahrtindustrie und die „Leiter“ darstellt, die Raumfahrzeuge in den Weltraum befördert, dann ist das Raketentriebwerk das „Herz“ der Trägerrakete, das die gewaltige Kraft erzeugt, um die Trägerrakete in den Weltraum zu befördern. Um Trägerraketen zu verstehen, muss man zunächst Raketentriebwerke verstehen.

Grundlagen der Trägerrakete

Man kann sagen, dass die Grundlage einer Trägerrakete das Raketentriebwerk ist. Der Grund für die Klassifizierung von Raketen als Transportmittel liegt darin, dass sich das Funktionsprinzip eines Raketentriebwerks von dem anderer Triebwerkstypen unterscheidet.

Ein Raketentriebwerk ist ein Strahltriebwerk, das die Energie und das mitgeführte Arbeitsfluid vollständig nutzt, um Hochtemperatur- und Hochdruckgas zu erzeugen, das sich durch die Düse ausdehnt und zu einem Hochgeschwindigkeitsstrahl beschleunigt, um Reaktionsschub zu erzeugen. Sein bemerkenswertestes Merkmal besteht darin, dass es keine Luft in der Atmosphäre verwendet und sowohl in der Atmosphäre als auch im Weltraum außerhalb der Atmosphäre arbeiten kann.

Im Gegensatz dazu müssen Turbostrahltriebwerke Luft als Arbeitsmedium verwenden, ihren eigenen Treibstoff mitführen, um ihn mit der eingeatmeten Luft zu verbrennen, und Hochtemperatur-Verbrennungsgase ausstoßen, um Schub zu erzeugen. Der vom Propellermotor selbst mitgeführte Kraftstoff wird hauptsächlich zur Erzeugung mechanischer Energie und Drehmoments verwendet, wodurch der Propeller angetrieben wird und aerodynamische Kraft in der Luft erzeugt wird, um sich zu bewegen.

Schießpulver und antike Raketentriebwerke

Obwohl die moderne Luft- und Raumfahrt ihren Ursprung im Westen hat, begann mein Land offiziell erst in den 1950er Jahren mit der Gründung einer eigenen Luft- und Raumfahrtindustrie. Betrachtet man jedoch den Generationenhintergrund ernsthaft, kann man davon ausgehen, dass das erste Raketentriebwerk aus China stammt. Dies ist dem „Schießpulver“ zu verdanken, einer der vier großen Erfindungen meines Landes. Das erste Schießpulver wurde auch Schwarzpulver genannt. Das erste Buch in meinem Land, in dem die Formel für Schießpulver festgehalten wurde, wurde etwa im achten oder neunten Jahrhundert geschrieben. Schwefel, Salpeter und Holzkohle vermischt; Dies ist das Rezept für Schießpulver.

Nach der Entzündung durch externe Energie kann Schießpulver schnell und gleichmäßig verbrennen und dabei große Mengen Gas und Wärme erzeugen. Das ursprünglich sehr kleine feste Schießpulver dehnte sich plötzlich um das Tausendfache seines Volumens aus. Wenn das Schießpulver in einem Behälter versiegelt ist und gezündet wird, kommt es zu einer Explosion. Wenn es jedoch gelingt, das bei der Zündung des Schießpulvers entstehende Gas in eine Richtung zu lenken und geordnet abzugeben, entsteht ein Raketentriebwerk.

Laut der „Geschichte der Song-Dynastie: Militärische Aufzeichnungen“ stellte Feng Jisheng, der Historiker des Kriegsministeriums, Song Taizu Zhao Kuangyin im dritten Jahr von Kaibao in der Nördlichen Song-Dynastie, also im Jahr 970 n. Chr., die Methode zur Herstellung von Raketen vor. Bei dieser Methode wird eine Schießpulverpatrone an das vordere Ende des Pfeilschafts gebunden, gezündet und die Reaktionskraft des nach hinten ausgestoßenen Gases des brennenden Schießpulvers genutzt, um den Pfeil abzuschießen. Dies ist die älteste Rakete der Welt.

Insgesamt waren die Raketentriebwerke der Antike lediglich ein Nebenprodukt der Erfindung des Schießpulvers und spielten nur eine sehr begrenzte Rolle. Der spezifische Impuls antiker Raketen aus Schwarzpulver beträgt im Allgemeinen etwa 50 bis 150 Sekunden, während die in modernen Raketen verwendeten Raketentriebwerke mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff auf Meereshöhe einen spezifischen Impuls von 366 Sekunden erreichen können. Selbst moderne Feststoffraketentriebwerke haben einen spezifischen Impuls von über 250 Sekunden. Durch die Verbesserung der Raketentriebwerksleistung können Raketen bei geringerer Masse eine größere Reichweite erzielen.

Die Entwicklung moderner Raketentriebwerke

Dass Raketentriebwerke der Unwissenheit entkommen und wissenschaftlich-theoretische Grundlagen erlangen konnten, ist dem Vater der Raketen zu verdanken, dem berühmten russischen Wissenschaftler Konstantin Ziolkowski. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts schlug er theoretisch die Raketengleichung vor, die zur Beschleunigung ihr eigenes Arbeitsfluid verbraucht, und legte damit den Grundstein für eine klare Definition des Raketentriebwerks. Durch theoretische Schlussfolgerungen schlug er das Konzept eines Flüssigkeitsraketentriebwerks vor und bewies, dass es sich dabei um das am besten geeignete Antriebsmittel für die Raumfahrt handelt. Dieser wissenschaftliche Gigant schlug sogar wichtige Designkonzepte für Flüssigkeitsraketentriebwerke vor, wie etwa Turbopumpen und regenerative Kühlung der Brennkammer.

Seitdem hat die Entwicklung von Raketentriebwerken eine rasante Entwicklung genommen. Der US-Amerikaner Goddard erfand das erste Flüssigkeitsraketentriebwerk der Welt und führte 1923 erfolgreich den weltweit ersten Bodenzündungstest eines Benzin-/Flüssigsauerstoffraketentriebwerks durch. Im fernen Deutschland entwickelte und fertigte Oberth 1930 ebenfalls Europas erstes Flüssigkeitsraketentriebwerk, dessen Treibstoff allerdings eine Kombination aus flüssigem Sauerstoff und Methan war.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie haben sich auch die Raketentriebwerke in vielen verschiedenen Ausführungen weiterentwickelt. Je nach Energieart können Raketentriebwerke in chemische Raketentriebwerke, elektrische Raketentriebwerke, nukleare Raketentriebwerke, Solarraketentriebwerke, Laserraketentriebwerke und die vorgesehenen Photonenraketentriebwerke unterteilt werden.

Das derzeit am weitesten verbreitete Raketentriebwerk ist das chemische Raketentriebwerk. Die Energie chemischer Raketentriebwerke stammt aus der chemischen Energie, die durch die chemische Reaktion und Verbrennung des verwendeten Treibstoffs freigesetzt wird. Chemische Raketentriebwerke können je nach der physikalischen Form des verwendeten Treibstoffs in Flüssigkeitsraketentriebwerke, Feststoffraketentriebwerke, Hybridraketentriebwerke, Gelraketentriebwerke, Pastenraketentriebwerke und andere Kategorien unterteilt werden. Am häufigsten sind Flüssigkeitsraketentriebwerke und Feststoffraketentriebwerke.

Flüssigraketentriebwerk

Flüssigkeitsraketentriebwerke werden derzeit häufig in den Hauptantriebssystemen verschiedener Typen von Trägerraketen eingesetzt. Zu den von ihnen verwendeten Treibstoffen gehören flüssiger Brennstoff und Oxidationsmittel, die in entsprechenden Tanks gespeichert und während des Betriebs durch ein spezielles Zufuhrsystem in die Schubkammer des Raketentriebwerks transportiert werden. Zu den häufig verwendeten Treibstoffkombinationen für Flüssigkeitsraketentriebwerke gehören flüssiger Wasserstoff/flüssiger Sauerstoff, unsymmetrisches Dimethylhydrazin/Stickstofftetroxid, Kerosin/flüssiger Sauerstoff, Methan/flüssiger Sauerstoff usw.

Flüssigkeitsraketentriebwerke bestehen im Allgemeinen aus einer Schubkammer, einem Treibstoffversorgungssystem und einem Triebwerkssteuerungssystem.

Die Schubkammer besteht aus Injektoren, Brennkammern, Düsenanordnungen usw. Der Treibstoff wird durch den Injektor in die Brennkammer eingespritzt und durchläuft eine Reihe von Prozessen wie Zerstäubung, Verdampfung, Mischung und Verbrennung, um Verbrennungsprodukte zu erzeugen und eine große Menge Wärme freizusetzen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Temperatur in der Brennkammer 2500–4100 °C erreichen und der Druck kann sogar 30 MPa erreichen. Diese Hochtemperatur- und Hochdruckgase dehnen sich dann durch die Düse aus, beschleunigen auf eine hohe Geschwindigkeit von 1.800 bis 4.300 Metern pro Sekunde und verlassen das Triebwerk. Da der Schmelzpunkt dieser Gase etwa doppelt so hoch ist wie der von Stahl, müssen alle Oberflächen eines Flüssigkeitsraketentriebwerks, die mit den heißen Gasen in Kontakt kommen, gekühlt oder isoliert werden.

Die Funktion des Treibstoffversorgungssystems besteht darin, den Treibstoff mit der vorgesehenen Durchflussrate und dem vorgesehenen Druck in die Brennkammer zu leiten. Entsprechend den unterschiedlichen Abgabemethoden gibt es zwei Typen: Extrusionstyp und Pumpendrucktyp. Extrusionsversorgungssysteme werden im Allgemeinen für kleine Schubtriebwerke verwendet. Bei Hochschubtriebwerken kommt im Allgemeinen ein Pumpendruckversorgungssystem zum Einsatz, bei dem der Treibstoffdruck mithilfe einer Gasturbinenpumpe erhöht wird.

Die Funktion des Triebwerkssteuerungssystems besteht darin, Betriebsparameter wie Schubgröße und Treibstoffmischungsverhältnis während der drei Phasen des Triebwerksstarts, des Betriebs und der Abschaltung anzupassen und zu steuern, um sicherzustellen, dass es gemäß dem vorgegebenen Programm arbeitet.

Feststoffraketenmotor

Feststoffraketentriebwerke werden hauptsächlich als Antriebe für Raketen, Flugkörper und Höhenforschungsraketen sowie als Booster-Triebwerke für Raumfahrzeugstarts und Flugzeugabheben eingesetzt. Ihre Vorteile liegen in der einfachen Struktur, der hohen Treibstoffdichte sowie in der Bequemlichkeit und Zuverlässigkeit im täglichen Gebrauch. Das auffälligste Merkmal von Feststoffraketentriebwerken besteht darin, dass ihr gesamter Treibstoff in Form von Körnern in der Brennkammer des Triebwerks gespeichert ist. Das Getreide enthält alle chemischen Bestandteile, die für eine vollständige Verbrennung erforderlich sind. Nach der Zündung brennt das Korn normalerweise gleichmäßig mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit auf allen den heißen Gasen ausgesetzten Oberflächen, bis der Treibstoff vollständig verbraucht ist. Durch die Gestaltung der Kornform kann die Geschwindigkeit der Verbrennungsprodukte gesteuert werden und somit der Schub des Feststoffraketenmotors geregelt werden.

Zu einem Feststoffraketentriebwerk gehören neben Treibstoff und Brennkammer auch eine Düsenanordnung und eine Zündvorrichtung. Die Zündvorrichtung besteht üblicherweise aus einem elektrischen Zündrohr und einer Pulverdose. Beim Einschalten wird das Schwarzpulver durch den Heizdraht entzündet und entzündet anschließend die Pulversäule. Zusätzlich zur Beschleunigung der Expansion der Verbrennungsgase zur Erzeugung von Schub sind die Düsen von Feststoffraketenmotoren häufig mit flexiblen Komponenten ausgestattet, die mit dem Servosteuerungssystem zusammenarbeiten, um den Winkel der Gaseinspritzung zu steuern und so die Kontrolle über die Schubrichtung zu erreichen.