Ich habe mich schon eingehend mit Flüssigkeitstriebwerken beschäftigt. Da in Feststofftriebwerken etwas anders läuft, bekommen sie einen eigenen Artikel. Aber zuerst, auch wenn es nicht zur Physik gehört, etwas Geschichte.
Die Entwicklung von Feststofftriebwerken
Feststofftriebwerke waren die ersten Raketen und lange Zeit – bis vor rund 100 Jahren – auch die einzigen. Die Chinesen setzten sie mit Erfolg im Krieg ein, vor allem gegen nomadische Reitervölker, die immer wieder in ihr Land einfielen (deswegen wurden auch etliche Mauern gebaut). Die Raketen ähnelten sehr den Feuerwerksraketen: Schwarzpulver war der Treibstoff in einer Röhre, ein Stopfen mit einer Bohrung die Düse. Ein langer Stab stabilisierte den Flug. Sie wirkten vor allem durch das pfeifende Geräusch und den Knall bei der Explosion und machten die Pferde scheu.
In Europa spielten sie dagegen keine große Rolle im Krieg. Lediglich gegenüber Feinden mit Milizarmeen oder Armeen, die noch keine Feuerwaffen kannten, wurden sie mit Erfolg wegen der demoralisierenden Wirkung eingesetzt – so in Kolonialkriegen der Briten – und so zogen sie auch in die Nationalhymne der USA ein. Sowohl bei den Chinesen wie auch bei den Europäern war aber der Einsatz bei Feuerwerk beliebt.
Mit dem Aufkommen der mit flüssigen Treibstoffen angetriebenen A‑4 schien der Einsatz von Feststofftriebwerken besiegelt. Es gab noch einige militärische Anwendungen, wie als Startunterstützung für Flugzeuge, die überladen waren, oder um einen Hyperschall‑Marschflugkörper schnell auf die benötigte Geschwindigkeit zu bringen. In beiden Fällen nutzte man aus, dass Feststofftriebwerke im Verhältnis zum Gewicht viel Schub erzeugen können. Aber sie waren nicht steuerbar. Die UdSSR setzte Katjuschas im Zweiten Weltkrieg ein, trotz geringer Reichweite mit enormer Streuung. Auch sie wirkten vor allem durch das Geräusch.
Eine Entwicklung ermöglichte aber auch den Einsatz bei Trägerraketen und militärischen Raketen. Es war die Entwicklung der heutigen Treibstoffe auf Basis der drei Komponenten Aluminium (Verbrennungsträger), Ammoniumperchlorat (Oxidator) und einem Binder, heute ein Polybutadienderivat. Aus Polybutadien bestehen z. B. Autoreifen; es hat ähnliche Eigenschaften wie Naturkautschuk.
Vorher mischte man die Treibstoffe. Schwarzpulver besteht z. B. aus Kaliumnitrat, Kohle und Schwefel. Später wurden die Mischungen besser, z. B. wurde Nitrocellulose als Oxidator verwendet und Schwefelpolymere als Verbrennungsträger (die Firma Thiokol trägt dies sogar noch im Namen). Aber es waren immer noch Mischungen: Man konnte nicht genau festlegen, wie schnell sie abbrannten, und es gab unverbrannte Reste.
Selbst reine Flüssigkeitsraketen haben Feststofftriebwerke, wenn sie nicht durch eine Düse expandiert werden – meist nur Feststofftreibsätze genannt:
- Als Stufentrennraketen bringen sie nach Brennschluss die Stufen auf Distanz und verhindern eine Kollision. Bei der Oberstufe sammeln sie auch den Treibstoff und erleichtern so die Zündung.
- Treibsätze können Verbindungen zwischen Stufen oder zu Satelliten durchtrennen – entweder durch die Druckwelle oder bei Satelliten, indem sie ein Messer antreiben, das ein Halteband durchtrennt.
- Treibsätze sind populär beim Start von Triebwerken. Sie liefern das Startgas für die Turbine, und die heißen Gase entzünden auch den eingespritzten Treibstoff im Gasgenerator. Das J‑2‑ und HM‑7‑Triebwerk nutzten diese Startmethode.
Alle drei Anwendungen nutzen aus, dass Feststofftriebwerke sehr kurze Brennzeiten haben können. Der Starttreibsatz für das J‑2 brannte gerade mal eine Sekunde lang. Stufentrennungsraketen haben Brennzeiten von wenigen Sekunden.
Aber schon die ersten US‑Trägerraketen, Jupiter‑C und Vanguard, setzten Feststofftriebwerke als Oberstufe ein. Da der Gesamtimpuls konstant war, mussten die unteren Stufen die letzte, feste Oberstufe auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigen. Die fehlende Steuerbarkeit des Schubvektors glich man aus, indem man sie vor der Abtrennung in eine schnelle Rotation um die Längsachse brachte; dieser Drall stabilisierte sie. Die Thor/Delta setzte über ihre ganze Einsatzgeschichte eine feste Oberstufe als letzte Stufe ein. Das sparte nicht nur Geld – der einfache Aufbau führte zu geringen Kosten –, nein, kleine Feststoffoberstufen haben bis heute bessere Voll‑/Leermasseverhältnisse als kleine Flüssigkeitsstufen, bei denen die Tanks dann überproportional schwer sind.
Schon früh nutzte man leichte glasfaserverstärkte Kunststoffgehäuse dafür, heute den moderneren, aber analog aufgebauten Nachfolger CFK.
Als Nächstes wurden Startbooster eingesetzt. Sie senkten die Gravitationsverluste, und da die erste Stufe parallel brannte, konnte sie die Steuerung übernehmen. Sie hatten feste Düsen und bestanden aus Stahlhülsen – lange Hülsen kann man einfach aus Stahlrohlingen durch Walzen herstellen, und die höhere Masse machte bei den Boostern wenig aus.
Die weitere Fortentwicklung geschah dann durch das Militär. Das wollte Raketen, die noch schneller startbar waren als die Titan und die kompakt waren – die Dichte der Treibstoffe liegt bei 1,5 bis 1,9 g/cm³. Damit konnte man sie von U‑Booten aus starten. Dazu mussten sie aber steuerbar sein. Zuerst geschah dies durch die Injektion von flüssigen Treibstoffen in den Brennkammerhals, die zu einer Schubsteigerung an dieser Stelle führen. Die Booster der Titan 3 arbeiten auch nach dem Prinzip; hier sieht man sogar beim Start den externen Tank neben den Boostern.
Den Brennschluss kann man auslösen, indem man oben im Antrieb Löcher sprengt. Das austretende Gas führt zum Verlöschen des Boosters, denn unterschreitet man einen Mindestdruck, so stoppt der Abbrand. Später kamen kleine Düsen hinzu, die flüssige Treibstoffe nutzen.
Inzwischen kann man bei Feststofftriebwerken die Düse schwenken. Sie ist kardanisch aufgehängt. Früher wurde sie hydraulisch geschwenkt, heute setzt man elektromechanisch betriebene Aktoren ein. Der erste Feststoffantrieb mit dieser Technologie war der Shuttle‑SRB.
Aufbau eines Feststoffboosters
Gegenüber einem Raketentriebwerk mit flüssigen Treibstoffen ist der Aufbau sehr einfach. Der Treibstoff sitzt im Motorgehäuse, das gleichzeitig „Treibstofftank“ und Brennkammer ist. Es muss sehr hohen Drücken standhalten – bis zu 110 Bar werden heute erreicht – und ist deshalb sehr schwer und massiv. Am Pol sitzt der Zünder, ein eigenes Feststofftriebwerk mit extrem kurzer Brennweite, das einen Flammenstrahl bei der Zündung aussendet und so die Oberfläche entzündet. Dann verbrennt der Treibstoff mit einer weitestgehend konstanten Rate, bis er die Hülse erreicht. Diese ist meist mit einem Thermalschutz belegt, typischerweise einem ähnlichen synthetischen Kautschuk, der verkohlt und vorher durch seine Elastizität Kräfte verteilt.
Der Düsenhals ist bei einer festen Düse einfach eine Verengung der Brennkammer, die in einer Düse ausläuft. Anders als die Wand ist er dauernd den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt; daher wird auf ihm eine dicke Thermalschutzschicht aufgebracht. Das können Materialien wie bei Hitzeschutzschilden sein oder Graphit. Im Verhältnis zur Größe ist die Düsensektion daher relativ schwer.
Der Schub eines Feststoffantriebs ist nicht konstant. Er hängt von Brennkammerdruck, Geometrie des Treibsatzes und Zusätzen ab. Besonders durch die Geometrie kann man ihn beeinflussen. Die Abbildung zeigt das Schub‑Zeit‑Diagramm des P120C, der ersten Stufe der Vega und des Boosters der Ariane 6. Der Schub steigt nach dem Start rapide an, so hebt die Rakete schnell ab und wird durch die Geschwindigkeit stabilisiert. Dann sinkt er ab, um beim Durchqueren der Zone mit der maximalen aerodynamischen Belastung die Kräfte zu reduzieren, um danach wieder anzusteigen. Zum Brennende hin sinkt der Schub dann schnell ab; unterhalb eines bestimmten Mindestdrucks verlöscht die Flamme. Wie bei flüssigen Treibstoffen gibt es auch bei Feststoffboostern immer unverbrannte Reste.
Typischerweise wird der Verlauf durch die in der Mitte gelassene Öffnung beeinflusst, durch die die Verbrennungsabgase den Booster verlassen. Eine sternförmige Oberfläche brennt z. B. schneller ab als ein Kreisring. Beschickt man unterschiedliche Segmente des Boosters mit unterschiedlichen Geometrien, so kann man den Schubverlauf festlegen.
Performancevergleich mit flüssigen Treibstoffen
Der spezifische Impuls eines festen Treibstoffs ist kleiner als bei den meisten flüssigen Treibstoffen. Zum einen liefern die Reaktionen weniger Energie, aber der Hauptgrund ist, dass Aluminium verbrannt wird. Dabei entsteht Aluminiumoxid, ein Mineral mit hohem Schmelzpunkt. Zum Schub trägt nur die Gasphase bei; schon kurz nach Passage des Düsenenghalses ist die Temperatur so niedrig, dass Aluminiumoxid als Feststoff ausfällt. Die enthaltene Energie trägt dann nicht mehr zum Schub bei.
Die besten Feststofftriebwerke haben einen spezifischen Impuls von 2.732 m/s auf Meereshöhe und 2.903 m/s im Vakuum, etwa 10 % schlechter als LOX/RP‑1.
Während aber der Strukturfaktor von Stufen mit flüssigen Treibstoffen mit sinkender Masse schlechter wird, war es bei Feststoffboostern gerade andersherum. Schon in den Sechzigern erreichten kleine Oberstufen von unter 1.000 kg Masse einen Strukturfaktor von 10 oder besser. Die großen Erststufenbooster hatten durch die ungünstige Geometrie (lange, schmale Hülsen) und Stahl als Material hatten schlechte Strukturfaktoren von 8 oder schlechter. (Große LOX/RP‑1‑Stufen erreichten 18 und mehr.) Durch den Einsatz von CFK hat sich dies deutlich gebessert. Beim P120C liegt der Strukturfaktor bei 12,2.
Was relativ einfach ist, im Vergleich zu flüssigen Treibstoffen, ist die Schubsteigerung. Man kann bei einer Rakete die Treibstofftanks verlängern, aber das ändert am Schub des Triebwerks nichts; das setzt solchen Verlängerungen eine Grenze, wenn man das Triebwerk nicht in der Leistung steigert. Beim Verlängern von Feststofftriebwerken steigt die Abbrandfläche linear, damit die Abbrandrate und der Schub. Die Brennzeit und der spezifische Impuls bleiben gleich. Ganz besonders einfach geht das bei Boostern, die aus einzelnen Segmenten bestehen. So wurden die Titan‑3‑Booster schrittweise von fünf auf sieben Segmente verlängert, und die Shuttle‑SRB wurden für die SLS von vier auf fünf Segmente verlängert.
Obwohl CFK als Material viel teurer ist als die bei flüssigen Antrieben verwendeten Metalle und auch der Treibstoff für Feststofftriebwerke sehr teuer in der Herstellung ist, macht der einfache Aufbau Feststoffraketen pro Masseneinheit deutlich günstiger als flüssige Stufen. Bei der Ariane 6 wiegen zwei Booster etwa 310 t, die restliche Rakete rund 200 t; von den Kosten machen sie aber nur ein Drittel aus.
Der schlechte spezifische Impuls wird durch geringere Gravitationsverluste ausgeglichen. Die Brennzeiten aller Feststofftriebwerke sind kurz verglichen mit flüssigen Treibstoffen. Der Rekord liegt bei 144 Sekunden. So liegt das Schub/Gewichts‑Verhältnis oft bei 2 zu 1, bei Oberstufen noch höher. Der hohe Schub reduziert die Gravitationsverluste. Allerdings kann bei reinen Feststofftriebwerken die Brennzeit dann schon so klein sein, dass man eine Freiflugphase einschieben muss, sonst würde man keinen Orbit erreichen. Das ist energetisch ungünstig.
Eine reine Feststoffrakete kann Aufstiegsverluste von 1.200 m/s aufweisen. Typisch für mittelenergetische flüssige Treibstoffe sind 1.600 m/s, und bei LOX/LH₂ sind wegen der langen Brennzeit 2.000 m/s und mehr üblich.
Hybride Treibstoffe.
Kombiniert man ein Feststofftriebwerk mit einem Drucktank am Ende, so erhält man hybride Treibstoffe. Der Treibstoff im Feststoffteil ist meist ein Kunststoff, gängig z. B. Polyethylen (daraus bestehen die Tragetaschen im Supermarkt). Der flüssige Oxidator ist meist LOX. Ein Ventil mit Injektor entlässt das LOX; es entzündet das Polyethylen, das dann wie bei einem Feststofftriebwerk verbrennt. Anders als Feststofftriebwerke kann man einen gezielten Brennschluss auslösen (Ventil schließen) oder wiederzünden (Ventil erneut öffnen). Theoretisch sollte man so auch die spezifischen Impulse von LOX/RP‑1 erreichen, Polyethylen ist schließlich auch nur ein Kohlenwasserstoff.
In der Praxis gibt es allerdings deutliche Einschränkungen. Da durch den Abbrand die Oberfläche immer weiter vom Injektor entfernt ist, ist es schwer, den gesamten Treibstoff zu verbrennen, und die Verbrennung ist unregelmäßig. Es gibt starke Schubschwankungen und damit starke Vibrationen. Zudem ergeben Versuche, dass man deutlich weniger der theoretischen Performance (combustion efficency) erreicht. Maximal 80–90 % wurden erreicht, einige Publikationen sprachen sogar von Werten bis hinab zu 50 %. Zum Vergleich: Schon in den Sechzigern wurden über 90 % bei flüssigen Treibstoffen erreicht, heute liegen die Spitzenwerte bei 95–99 %.