Wie regele ich den Schub für Raketentriebwerke?

Heute mal ein Blog zum Thema Grundlagen. Es geht darum wie ich den Schub einer Rakete regeln kann. Eigentlich kein neues Thema, aber das gilt für einen guten Teil des Blogs, eigentlich steht alles schon in der Website drin (wenn man diese mal durchlesen würde, könnte man sich den Blog sparen). Zuerst einmal: Warum muss ich den Schub regeln? Eine Rakete startet mit einer Anfangsbeschleunigung von, sagen wir mal, 1.5 G. Dann nimmt der Treibstoff ab und die Rakete wird leichter. Die Beschleunigung nimmt bei gleichem Schub zu. Bei einem typischen Verhältnis von Start zu Leermasse von 3 bis 4 (je nach Nutzlast und Oberstufe) wäre die Beschleunigung am Ende bei 4.5 bis 6.0 G.

Diese Beschleunigung muss die Rakete aushalten, aber auch der Satellit. Daher ist man in der Regel bestrebt, die Spitzenbeschleunigung auf 5.0 bis 5.5 G zu beschränken. Die Beschleunigung ist dabei nicht mal das Hauptproblem. Es sind die Vibrationen die durch das Triebwerk auf die Stufe und Nutzlast übertragen werden. Dies ist ein Durschütteln, bei dem der Satellit dauernd beschleunigt und abgebremst wird. Demgegenüber die die dauernde Beschleunigung weniger stressig. Allerdings nehmen die Vibrationen auch zu, wenn die Tanks sich leerem.

Nun zum Thema: Wie senkt man den Schub? Bei Feststofftriebwerken bestimmt vor allem die Geometrie der Füllung den Schub. Es gibt zwei Formen, die häufig verwendet werden: Kreisinnenbrenner (der Treibsatz hat die Form eines Zylindersegments) : Hier nimmt die Fläche über die Zeit zu, und so auch der Schub. Das Gegenteil ist der Sterninnenbrenner, bei dem wird ein Stern in die Hülse gelegt, bevor der Treibstoff eingefüllt wird. Die Oberfläche hat dann Zacken, die eine große Oberfläche haben und die beim Abbrand schneller abbrennen und so die Fläche verkleinern. Dieser Typ hat also einen Schub der absinkt, bis eine Kreisfläche erreicht ist (Minimum) und dann vergrößert er sich wieder wenn die Fläche zunimmt.

Die letzte Möglichkeit die man zur beeinflussen hat, ist der Anteil an Binder. Der Treibstoff besteht aus dem Salz Ammoniumperchlorat als Oxidator, Aluminium als Brennstoff und einem gummiartigen Kunststoff als Binder. Je höher der Anteil dieses Kunststoffs ist, desto langsamer brennt der Satz ab. Was bei Feststofftriebwerken aber nicht möglich ist, ist es dynamisch den Schub zu regeln. Durch die Füllung liegt der Schubverlauf schon Wochen vor dem Start fest. Wenn man regeln will, muss man dies mit flüssigem Treibstoff tun. Benutzt wird dies nur für die Regelung des Schubvektors oder um bei der letzten Oberstufe das letzte Quäntchen Geschwindigkeit aufzubringen.

Bei flüssigen Treibstoffen ist die Schubregelung komplizierter. Der Treibstoff wird durch eine Pumpe gefördert und unter Druck gesetzt. Der Druck muss höher als in der Brennkammer sein, sonst ist es unmöglich ihn in die Brennkammer einzuspritzen. Die Pumpe wird wiederum vom Gasgenerator angetrieben, der einen Teil des Treibstoff abzweigt und ihn verbrennt. Dieses Nebenstromverfahren ist das gängigste Verfahren, aber es ist auch schwer zu steuern. Nehmen wir an, wir wollen den Schub senken, so muss die Menge an Treibstoff für den Gasgenerator gesenkt werden, damit die Pumpe weniger Druckgas bekommt. Diese wird in der Regel so konstruiert sein, dass dann nicht die Förderleistung sondern der Pumpendruck sinkt. Das bewirkt eine Verringerung des Einspritzdrucks, der gegen den Brennkammerdruck ankämpfen muss. Weiterhin muss die Menge an Gas die vom Gasgenerator verbraucht wird variabel justiert werden können. Das ganze erfordert einen recht komplexen Regelkreislauf, so dass dies kaum umgesetzt wird. Das J-2 Triebwerk konnte den Schub regeln, tat dies aber anders. Es veränderte die Umdrehungszahl der Sauerstoffpumpe indem das Mischungsverhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff variiert wurde. Die Wasserstoffmange blieb konstant, die Sauerstoffmenge wurde heruntergefahren. So sank auch der Schub und es veränderte sich der spezifische Impuls.

Einfacher ist es bei druckgeförderten Triebwerken. Hier kann der Förderdruck stufenlos geregelt werden und damit auch die Fördermenge. Das Mondlandertriebwerk war druckgefördert und von 10-100 % Schub regelbar. Ventile können hier einfach die Treibstoffmenge regeln. Es gibt keinen Gasgenerator und keine Turbopumpe.

Einfacher ist es beim Hauptstromverfahren: Ein Teil des Oxidators wird mit dem ganzen Verbrennungsträger wird in einem Vorbrenner verbrannt, treibt die Turbopumpe an und fördert so den restlichen Treibstoff, Wenn die Menge durch Ventile gesenkt wird, fließt weniger Treibstoff durch und sowohl die Menge an Gas im Borbrenner wie auch die Förderleistung sinkt. Der einzige Nachteil ist, dass dabei auch der Brennkammerdruck sinkt. Doch da Hochdrucktriebwerke mit sehr hohem Brennkammerdruck arbeiten sinkt dadurch der spezifische Impuls, also die Treibstoffausbeute kaum ab. sowohl das SSME wie auch das russische RD-170/180 werden so geregelt.

Was gibt e sonst. so neues. Ich denke gerade wenn ich Radio so Musik höre, es wäre für einen Künstler wohl eine gute Idee Weihnachtslieder aufzunehmen. Ich meine so 4 Wochen vor Weihnachten geht es schon damit hoch: "Last Christmas", "Driving Home for Christmas" "Rock around the Christmas Tree" laufen im Radio. Jedes Jahr die gleichen, zig mal um Weihnachten und bei jedem gespielten Lied gibt es Geld. Nicht zu vergessen die vielen Weihnachts-CD’s auf denen auch gerade immer diese Lieder drauf sind. Das spült doch Geld in Kasse. Dabei haben die meisten Lieder nichts mit Weihnachten als Fest zu tun, nur als Zeitangabe. Bei "Last Christmas" könnte man ohne Probleme "Christmas" durch "Summer" ersetzen und es wäre genauso sinnvoll.

Das Bild für heute stammt vom Mars: Die ESA aktualisiert wieder die Bildergallerie von Mars Express und das Bild heute zeigt das Grabenssystem Hebes Chasma in dem sich Tonminerale abeglagert haben.

Hebes Chasma

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