An Antriebe für Raumfahrtsysteme werden große Anforderungen gestellt. Nicht nur, daß die Erdanziehung überwunden werden muß, diese Antriebe müssen auch noch unter verschiedensten Bedingungen zuverlässig und mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. So gibt es neben den universellen Raketenantrieben auch Speziallösungen für den Antrieb innerhalb und außerhalb der Erdatmosphäre. Existierende Antriebsverfahren und experimentelle Verfahren soll dieser Abschnitt behandeln.
Allen angewendeten Antrieben ist gemeinsam, daß sie durch den gerichteten Impuls eines ausgestoßenen Mediums das Raumfahrzeug antreiben (Rückstoßprinzip). Ein Hauptproblem dabei ist der Widerspruch zwischen Schubkraft und Treibstoffverbrauch. Systeme die schnell beschleunigen verbrauchen enorm viel Treibstoff, sparsame Systeme beschleunigen auch sehr langsam.
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| Spaceshuttle Atlantis beim Start (Quelle: Pro7, Nasa) |
Die zur Zeit hauptsächlich eingesetzten Motoren sind chemische Antriebe. Grundsätzlich werden zwei Arten unterschieden: Raketenantriebe die alle benötigten Treibstoffe inklusive eines Oxydationsmittels mitführen und luftatmende Antriebe. Von Letzteren gibt es zur Zeit nur experimetelle Versionen auch sind sie nur in der Atmosphäre einsetzbar. Herkömmliche Raketenantriebe werden nach der Art ihres Treibstoffs unterschieden. Feststoffraketen, bei denen alle Bestandteile in festem Zustand vorliegen, und Flüssigkeitsantriebe.
Die am Häufigsten anzutreffenden Raketenmotoren werden mit flüssigen Treibstoffen betrieben. Ein Beispiel dafür sind die Motoren des Space-Shuttles oder der Ariane-Raketen. Hier wird in einer Brennkammer Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Beide Komponenten werden in isolierten Tanks bei kryogenen Temperaturen in flüssiger Form gelagert. Das Reaktionsprodukt -- Wasser -- wird durch eine Überschalldüse entspannt. H2-O2-Antriebe werden auch als "green propellants" bezeichnet da sie keine giftigen oder die Atmosphäre schädigende Stoffe freisetzen.
Diese Antriebe sind aber problematisch zu zünden. Die Lagerung der Treibstoffe über lange Zeiträume ist ebenfalls nicht unproblematisch. Sie entwickeln aber einen hohen Schub und sind damit hervorragend als untere Stufen einsetzbar. Durch eine gesteuerte Entspannung können gleichzeitig aber auch hohe Endgeschwindigkeiten erreicht werden.
Eine weitere Art der Flüssigkeitsantriebe sind sogenannte "hypergole" Antriebe. Die Treibstoffe dieser Antriebe zeichnen sich durch gute Lagerbarkeit aus. Außerdem zünden diese Treibstoffe bereits beim Kontakt. Raketenmotoren mit diesen Treibstoffen eignen sich deshalb besonders für Antriebe die oft gezündet werden müssen und nicht betankt werden können. So sind sie häufig in größeren Steuerdüsen von Satelliten und als Antriebe von Raketenoberstufen zu finden.
Eine häufig verwendete Treibstoffkombination sind Kohlenwasserstoffe wie Hydrazin und Salpetersäure aber auch andere Kombinationen werden benutzt.
Feststoffantriebe benutzen massereichere Reagenzien als Flüssigkeitsantriebe. Da die Entspannung der Gasgemische nicht so leicht zu kontrollieren sind wie bei Flüssigkeitsantrieben können nur relativ niedrige Geschwindigkeiten erreicht werden, es werden aber höhere Kräfte erreicht.
Diese Antriebe sind nach erfolgter Zündung nur eingeschränkt steuerbar und nicht mehr abschaltbar. Sie kommen als kraftvolle Zusatzantriebe (Booster) beim Start bei verschiedenen Transportsystemen zum Einsatz.
Feststofftriebwerke bestehen i.A. aus einer zylindrischen Brennkammer, die zugleich als Vorratsbehälter für den festen Treibstoff dient, einer anschließenden ablations- bzw. strahlungsgekühlten Entspannungsdüse und dem Zündsystem, das entweder im Brennkammerkopf oder in der Nähe des Düsenhalses untergebracht ist. Zur Verminderung der Triebswerksleermasse werden Feststofftriebwerke nur noch als Innenbrenner ausgelegt. Dabei dient der Treibstoff bis kurz vor Brennschluß auch noch als VErstärkung der Brennkammerwand.
Diese Art der Triebwerke zeichnet sich dadurch aus, daß der eine Treibstoff in flüssiger (meist der Oxydator), der andere hingegen in fester Form vorliegt. Derartige Treibstoffsysteme werden auch als Lithergole bezeichnet. Sie bestehen aus einem zylindrischen Behälter, der als Vorratsbehälter für den festen Treibstoffteil und gleichzeitig als Brennkammer dient. Die Zuführung der flüssigen Treibstoffkomponente geschieht meist über ein Einspritzsystem im Brennkammerkopf. Es wird ausschließlich Druckgas als Fördermittel verwendet.
Von Vorteil ist ihre weitgehende Sicherheit gegenüber explosiven Verbrennungsvorgängen, da der Abbrand des Feststoffs nur in dem Ausmaß geschehen kann, wie die flüssige Komponente zugefürt wird und gleichzeitig brennbare Oberfläche des Feststoffs zur Verfügung steht.
Diese arbeiten mit Treibstoffen, die aus 3 Komponenten zusammengesetzt sind (Triergolen). In ihrem Aufbau und ihrer Betriebstechnik sind sie entweder konventionellen Flüssigkeitstriebwerken oder, wenn einer der beiden Brennstoffe in fester Form vorliegen, den Hybridtriebwerken ähnlich. HBei extrem hochenergetischen Triergolkombinationen (Flour-Lithium-Wasserstoff) ergeben sich Verbrennungstemperaturen um ca. 4800 K.
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| Farbschlierenbild der Strömung in einem Scramjet-Modell (Quelle: Pro7) |
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| Künstlerische Darstellung der Sonde Deep Space 1 (Quelle: NASA, DGLR) |
Diese Antriebsart arbeitet mit (elektrisch) beschleunigten Ionen. Hierbei werden aus einem Vorratstank Atome oder Moleküle ionisiert und anschließend in einem Linearbeschleuniger beschleunigt. Hierbei können nahezu beliebige Geschwindigkeiten (unterhalb der Lichtgeschwindigkeit) erreicht werden. Die Ionen haben eine relativ geringe Masse, auf Grund der hohen Geschwindigkeit aber einen beträchtlichen Impuls.
Im Oktober 1998 startete die erste amerikanische Raumsonde mit Ionenantrieb, Deep Space 1. Entwickelt wurde die Technik bereits in den 30ger Jahren vom deutschen Physiker H. Oberth.
Ein Hauptproblem bei Ionenantrieben, deren Impuls von elektrisch positiv geladenen Ionen herrührt, liegt darin, daß durch den Verlust von Ladung das Raumschiff sich seinerseits (negativ) aufläd und damit insbesondere von seinem eigenen Treibstoff angezogen wird. Eine Möglichkeit dies zu verhindern besteht darin, Elektronen in die ausgestoßene Ionenwolke zu schießen und somit Gas und Raumschiff elektrisch zu neutralisieren. Die Raumsonde "Deep Space 1" benutzt als Treibstoff das Edelgas Xenon. Aus einer Kathode wird das Gas zunächst mit Elektronen beschossen und ionisiert. Die Xe+-Ionen werden in einem elektrischen Feld durch ein Metallgitter beschleunigt und ausgestoßen.
Diese Antriebsart kann über lange Zeiträume betrieben werden. Sie eignen sich daher für leichte interplanetare und interstellare Raumfahrzeuge z.B. unbemannten Sonden.
Die in der Sonde Deep Space 1 eingesetzte Art der Ionenantriebe beschleunigt die Ionen durch angebrachte Gitter. Es ließen sich so Leistungen bis 2.5 kW und ein Schub von 0.1 N erreichen. Bei größeren Leistungen wären die Gitter allerdings so stark belastet, daß sie nach relativ kurzen Zeiten ausfallen würden.
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| Funktionsschema eines elektrostatischen Triebwerks mit Gasentladunsgionenquelle |
Der Antriebsstrahl wird dadurch erzeugt, daß Moleküle oder Atome des Arbeitsgases nach der Methode der Kontaktionisation oder durch eine Gasentladung (Stoßionisation) weitgehend in Ionen umgewandelt und anschließend in einem starken elektrostatischen Feld beschleunigt werden. Zur Triebwerksanlage gehören eine Ionenquelle, eine oder mehrere Beschleunigungselektroden sowie eine Einrichtung, die durch Abgabe oder Zumischung von Elektronen die Ladung des austretenden Ionenstrahls neutralisiert. Mit elektrostatischen Antrieben läßt sich beispielsweise bei einem Potential des beschleunigenden elektrostatischen Feldes von etwa 20000 V eine Austrittsgeschwindigkeit bzw. ein spezifischer Impuls bis zur Größenordnung von 1000000 Ns/kg erreichen.
Als Arbeitsmedien sind die Alkalimetalle Cäsium, Rubidium und Kalium geeignet. Für den Betrieb mit Stoßionisation kommt Quecksilber in Betracht.
In Triebweken mit thermischer Anregung wird meist Cäsium als Arbeitsmedium und als Kontaktmaterial ein elektrisch beheiztes Platin- oder Wolframgitter verwendet. Zur Vorbereitung des Ionisationsvorganges wird das Arbeitsmedium verdampft. Nach dem Durchtritt der Alkaliatome durch das glühende Gitter gelangen die Ionen in den Linearbeschleuniger.
Das für elektrostatische Antriebe mit Gasentladungsionenquelle übliche Verfahren besteht in der Ionenaussonderung aus einem Plasma. Anschließend werden die Ionen wieder in einemLinearbeschleuniger beschleunigt.
Eine Weiterentwicklung der Ionenantriebe ist der reine Plasmaantrieb. Testflüge mit Ionenantrieben fanden bereits 1964 (Woßchod 1) statt.
Plasmaantriebe sind eine Untergruppe der elektrischen Antriebe. Das Plasma wird entweder durch eine chemische Reaktion (elktrothermische Antriebe) oder durch starke Magnetfelder erzeugt. Diese Antriebe nennt man meist elektromagnetische oder magnetogasdynamische Plasmaantriebe. Triebwerke, bei denen die chemische Verbrennungsreaktion durch eine elektrische Aufheizung ersetzt wird, bezeichnet man als elektrothermische Plasmaantriebe.Die Umsetzung der thermischen Energie des Antriebsstrahls geschieht auch hier durch Entspannung in einer Ausströmdüse. Für die mit der Lorentz-Kraft als Beschleuniger arbeitenden Antriebe ist eine spezielle Entspannungsdüse prinzipiell nicht erforderlich.
Allen Plasmaantrieben gemeinsam ist, daß sie im Unterschied zu Ionenantrieben keine Probleme hinsichtlich der Ladungsneutralisierung haben, da das Plasma in seiner Gesamtheit stets elektrisch neutral ist.
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| Aufbauschema eines elektrothermischen Plasmatriebwerks mit Strahlungskühlung: 1 Aufhängugn, 2 Kathode, 3 Anoden-Düsenteil, 4 Kathodenanschluß, 5 Anodenanschluß, 6 Isolierkörper |
In elektrothermischen Antrieben erfolgt die Aufheizung im einfachsten Fall mit Hilfe eines Lichtbogens oder einer Funkenentladung. Der Lichtbogen wird bevorzugt, da er eine kontinuierliche heiße Gasströmung erzeugt. Die nach diesem Prinzip arbeitenden Triebwerke werden daher auch als Lichtbogentriebwerke bezeichnet (arc jets). Da sich chemische und elektrothermische Antriebe sehr ähneln, ergeben auch hier Arbeitsmedien mit möglichst niedriger Molekularmasse den höchsten spezifischen Impuls. Das heißt, reiner Wasserstoff steht an erster Stelle. Mit diesem Arbeitsmittel und einer Aufheiztemperatur von 10000K kann bei einer Entspannung ins Vakuum theoretisch eine Ausströmgeschwindigkeit von 30 km/s erreicht werden. Als primäre Energiequelle für diese Art Antriebe wird ein Hochleistungskernreaktor mir Kaliumkreislauf oder thermoionischen Wandlern eingesetzt. Der Antrieb kann auch über mehrere Monate eingesetzt werden.
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| Ringstoßrohr (schematisch) |
Für den intermittierenden Betrieb mit Elektroden wurden verschiedene Typen von Plasmabeschleunigern entwickelt. Einfachstes Modell ist die Entladung einer Kondensatorkette über zwei Metallschienen. Das erzeugte Plasma wird von dem durch den Entladungsstrom aufgebaute Magnetfeld beschleunigt und ausgestoßen. Nach diesem Prinzip arbeiten hydromagnetische Stoßrohre. Beim Ringstoßrohr strömt das Arbeitsmedium in eine ringförmige Kammer, deren Wände als Elektroden dienen. Während der anschließenden Hochspannungsentladung wird in einer äußeren axialmagtnetischen Feldspule ein Magnetfeld erzeugt, das die Elektronen auf Kreisbahnen zwingt. Durch den Stoß ionisieren diese Elektronen das Arbeitsmedium dann gleichmäßig. Außerdem erzeugt das Magnetfeld eine Stoßfront, die dem Plasma eine sehr hohe Beschleunigung erteilt. Die gemessene Austrittsgeschwindigkeit liegt zwischen 100 und 200 km/s. Plasmaantriebe mit Elektroden haben den Nachteil, daß die Elektrodenerosion das Plasma verunreinigt und die Lebensdauer beschränkt.
Dieser Nachteil konnte mit der Entwicklung elektrodenloser Stoßrohre konnte der Effekt ausgeschaltet werden. Um den konischen Anfangsteil des Stoßrohres liegt ein System von Feldspulen, deren magnetische Induktion auf das Arbeitsgas übertragen wird. Ganz allgemein ergibt sich eine sehr günstige Ausströmgeschwindigkeit, doch der erzielte Wirkungsgrad liegt bislang in keinem Fall über 10%.
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| kombiniertes elektrotzhermisch-elektromagnetisches Triebwerk: 1 Plasmagenerator, 2 Treibstoffeintritt, 3 Plasmaströmung, 4 Elektroden, 5 Magnetfeld, 6 Plasmaaustritt |
Als besonders aussichtsreich sind kontinuierlich arbeitende Plasmaantriebe anzusehen. Es handelt sich dabei um die kontinuierliche Nachbeschleunigung in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern. Dieses Verfahren stellt praktisch die Umkehrung des Prinzips magnetogasdynamischer Generatoren dar. Als wirkungsvoller Plasmaerzeuger kann ein elektrothermisches Triebwerk dienen, dessen magnetisch in Rotation versetzter Plasmastrahl mit einer Geschwindigkeit bis zu 15 km/s in den elektromagnetischen Nachbeschleuniger eintritt. In diesem wird die elktrische Leitfähigkeit des Plasmas dazu ausgenutzt, in Strömungsrichtung, unter Einfluß des senkrecht zum elektrischen Feld verlaufenden Magnetfelds, eine Lorentz-Kraft zu erzeugen, die das Plasma schließlich bis auf etwa 40 km/s beschleunigen soll. Der magnetogasdynamische Beschleuniger übernimmt damit sozusagen, analog den Verhältnissen bei Luftstrahltriebwerken, die Funktion eines "Nachbrenners".
Eigentlich müßte diese Antriebsart im Abschnitt Science-Fiction zu finden sein. Da dies aber eher aus politischen als aus technischen Gründen der Fall ist, habe ich sie ebenfalls hier angeordnet. Von den Grundlagen her ist der Nuklearantrieb auch ein physikalischer Antrieb, da keine chemische Reaktion erforderlich ist.
Die oben vorgestellten chemischen und physikalischen Antriebe haben ihre Stärken und ihre Schwächen. Die chemischen Raketen erzeugen mit relativ viel Treibstoff einen verhältnismäßig geringen Schub. Sie haben aber dafür Leistungen, die es erlauben, schwere Körper in eine Umlaufbahn zu bringen. Für die Überwindung großer Entfernungen sind sie aber nicht geeignet. Mit vertretbarem Treibstoffeinsatz sind nur relativ geringe Geschwindigkeiten erreichbar, was zu langen Flugzeiten und zur Notwendigkeit von "Tricks" wie der Nutzung anderer Planeten als "Gravitationsschleuder". Ionenantriebe hingegen haben einen großen spezifischen Impuls, erlauben also hohe Endgeschwindigkeiten, dies aber mit einem geringen Schub verbunden. So werden diese Triebwerke nur für leichte Sonden zum Einsatz kommen.
In diese Lücke könnten nuklear getriebene Antriebe einbrechen. Bei diesen Antrieben heizt ein Kernreaktor ein Rückstoßgas, zum Beispiel Wasserstoff. Das Gas expandiert sehr stark, besonders, wenn das Gas in flüssigen Zustand in den Reaktor gebracht wird. Anschließend wird es druch eine Überschalldüse entspannt. Theoretisch ließen sich so Endgeschwindigkeiten von über 20 km/s erreichen.
Im Moment gibt es keine ernsthaften Anstrengungen zum Einsatz eines solchen Antriebes, die theoretischen Vorraussetzung sind aber gegeben. Es gab bislang nur Arbeiten an stationären Prototypanlagen.
Chemische Antriebe liefern den meisten Schub (ca. 100kN) von allen bekannten Antriebsformen. Sie haben aber auch das ungünstigste Verhältnis von Treibstoffmasse zur Masse der eigentlichen Rakete (über 50%). Günstiger in diesem Bereich wären nuklear-thermische Antriebe die einen ähnlichen Schub bei weitaus geringeren Treibstoffmassen (ca. 30%) erreichen. Andere physikalische Antriebe zeichnen sich durch einen sehr geringen Schub aus, können aber über längere Zeiten betrieben werden. Da der spezifische Impuls dieser Antriebe höher ist, können auch wesentliche größere Endgeschwindigkeiten erreicht werden. Aufgrund der geringen Beschleunigung werden sie allerdings auf längere Zeit eher den unbemannten Raumflugkörpern zur Verfügung stehen.