Rakete

Eine Sojus-FG-Rakete startet von "Gagarin's Start" (Standort 1/5), Kosmodrom Baikonur ⓘ

Eine Rakete (aus dem Italienischen: rocchetto, wörtlich "Spule") ist ein Raumfahrzeug, ein Flugzeug, ein Fahrzeug oder ein Projektil, das von einem Raketenmotor angetrieben wird. Der Auspuff eines Raketentriebwerks wird vollständig aus dem in der Rakete befindlichen Treibstoff gebildet. Raketentriebwerke funktionieren durch Aktion und Reaktion und treiben Raketen vorwärts, indem sie ihre Abgase mit hoher Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung ausstoßen, und können daher im Vakuum des Weltraums arbeiten. ⓘ

In der Tat arbeiten Raketen im Vakuum des Weltraums effizienter als in der Atmosphäre. Mehrstufige Raketen sind in der Lage, die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde zu erreichen und können daher eine unbegrenzte maximale Höhe erreichen. Im Vergleich zu Luftatmungsmotoren sind Raketen leicht und leistungsstark und können große Beschleunigungen erzeugen. Zur Steuerung ihres Flugs nutzen Raketen den Impuls, Tragflächen, Hilfsreaktionstriebwerke, kardanisch aufgehängten Schub, Impulsräder, die Ablenkung des Abgasstrahls, den Treibstofffluss, die Drehung oder die Schwerkraft. ⓘ

Raketen für militärische und Freizeitzwecke gehen mindestens bis ins China des 13. Eine bedeutende wissenschaftliche, interplanetarische und industrielle Nutzung fand erst im 20. Jahrhundert statt, als die Raketentechnik die Grundlage für das Weltraumzeitalter bildete und sogar den Mond betrat. Heute werden Raketen für Feuerwerkskörper, Raketen und andere Waffen, Schleudersitze, Trägerraketen für künstliche Satelliten, die bemannte Raumfahrt und die Erforschung des Weltraums verwendet. ⓘ

Chemische Raketen sind die gängigste Art von Hochleistungsraketen, die in der Regel durch die Verbrennung von Treibstoff mit einem Oxidationsmittel einen Hochgeschwindigkeitsausstoß erzeugen. Bei dem gespeicherten Treibstoff kann es sich um ein einfaches Druckgas oder einen einzelnen flüssigen Treibstoff handeln, der in Gegenwart eines Katalysators zerfällt (Monotreibstoff), um zwei Flüssigkeiten, die bei Kontakt spontan reagieren (hypergole Treibstoffe), um zwei Flüssigkeiten, die gezündet werden müssen, um zu reagieren (wie Kerosin (RP1) und flüssiger Sauerstoff, die in den meisten Flüssigtreibstoffraketen verwendet werden), um eine feste Kombination aus Treibstoff und Oxidationsmittel (Festtreibstoff) oder um festen Treibstoff mit flüssigem oder gasförmigem Oxidationsmittel (Hybridtreibstoffsystem). Chemische Raketen speichern eine große Menge an Energie in einer leicht freisetzbaren Form und können sehr gefährlich sein. Durch sorgfältige Planung, Erprobung, Konstruktion und Nutzung werden die Risiken jedoch minimiert. ⓘ

Eine Rakete (italienisch rocchetta ‚Spindel‘, woraus durch Conrad Haas der Begriff Rackette entstand) ist ein Flugkörper mit Rückstoßantrieb (Raketenantrieb). Der Antrieb kann auch während des Betriebs unabhängig von externer Stoffzufuhr (beispielsweise Oxidator) arbeiten und daher die Rakete auch im luftleeren Raum beschleunigen. Im Gegensatz zu Geschossen haben Raketen (vergleichsweise) lange Beschleunigungsphasen. Die dadurch deutlich geringere Belastung ermöglicht eine entsprechend leichtere Struktur. Raketen gibt es in Größen von handlichen Feuerwerksraketen bis hin zu den riesigen Raketen in der Raumfahrt wie der Energija oder der Saturn V, die im Apollo-Programm, dem bemannten Flug zum Mond, eingesetzt wurde. ⓘ

Raketen werden insbesondere als militärische Waffe, in der Raumfahrt, als Signalrakete oder als Feuerwerkskörper eingesetzt. Hat eine Rakete eine sehr umfassende Eigensteuerung und kann zum Beispiel beweglichen Zielen folgen, dann gehört sie zu den Lenkflugkörpern. ⓘ

Geschichte

Raketenpfeile, die im Huolongjing abgebildet sind: "Feuerpfeil", "drachenförmiger Pfeilrahmen" und ein "vollständiger Feuerpfeil". ⓘ

Die ersten mit Schießpulver betriebenen Raketen entstanden im mittelalterlichen China unter der Song-Dynastie im 13. In dieser Zeit wurde auch eine frühe Form des MLRS entwickelt. Die Mongolen übernahmen die chinesische Raketentechnologie, und die Erfindung verbreitete sich über die mongolischen Invasionen im Nahen Osten und in Europa Mitte des 13. Der Einsatz von Raketen durch die Song-Marine wird auf das Jahr 1245 datiert. Der Antrieb durch Verbrennungsraketen wird in einem Bericht aus dem Jahr 1264 erwähnt, in dem berichtet wird, dass die "Bodenratte", eine Art Feuerwerkskörper, die Kaiserinmutter Gongsheng bei einem Fest erschreckt hatte, das ihr zu Ehren von ihrem Sohn, dem Kaiser Lizong, veranstaltet wurde. Später werden Raketen in der militärischen Abhandlung Huolongjing, auch bekannt als Handbuch der Feuerdrachen, erwähnt, die der chinesische Artillerieoffizier Jiao Yu Mitte des 14. In diesem Text wird die erste bekannte mehrstufige Rakete erwähnt, der "Feuerdrache, der aus dem Wasser steigt" (Huo long chu shui), der vermutlich von der chinesischen Marine eingesetzt wurde. ⓘ

Im Mittelalter und in der frühen Neuzeit wurden Raketen militärisch als Brandwaffen bei Belagerungen eingesetzt. Zwischen 1270 und 1280 schrieb Hasan al-Rammah al-furusiyyah wa al-manasib al-harbiyya (Das Buch der militärischen Reitkunst und der raffinierten Kriegsgeräte), das 107 Schießpulverrezepte enthielt, davon 22 für Raketen. In Europa beschrieb Konrad Kyeser um 1405 in seiner militärischen Abhandlung Bellifortis Raketen. ⓘ

Der Name "Rakete" stammt aus dem Italienischen und bedeutet "Spule" oder "kleine Spindel", was auf die Ähnlichkeit mit der Spule zurückzuführen ist, auf der der Faden eines Spinnrads aufgespult wird. Leonhard Fronsperger und Conrad Haas übernahmen den italienischen Begriff in der Mitte des 16. Jahrhunderts ins Deutsche; "rocket" erscheint im Englischen zu Beginn des 17. Artis Magnae Artilleriae pars prima, ein wichtiges frühneuzeitliches Werk über Raketenartillerie von Casimir Siemienowicz, wurde erstmals 1650 in Amsterdam gedruckt. ⓘ

Mysoreanische Raketen und Raketenartillerie, die in der Schlacht von Guntur ein Bataillon der East India Company besiegten. ⓘ

Die Mysorean-Raketen waren die ersten erfolgreichen Raketen mit Eisenmantel, die im späten 18. Jahrhundert im Königreich Mysore (Teil des heutigen Indien) unter der Herrschaft von Hyder Ali entwickelt wurden. ⓘ

William Congreve bei der Bombardierung von Kopenhagen (1807) während der Napoleonischen Kriege ⓘ

Die Congreve-Rakete war eine britische Waffe, die 1804 von Sir William Congreve entworfen und entwickelt wurde. Diese Rakete basierte direkt auf den Mysorean-Raketen, verwendete komprimiertes Pulver und wurde in den Napoleonischen Kriegen eingesetzt. Es waren die Congreve-Raketen, auf die sich Francis Scott Key bezog, als er 1814 als Gefangener auf einem britischen Schiff, das Fort McHenry belagerte, vom "roten Glanz der Raketen" schrieb. Die mysoreanische und die britische Erfindung vergrößerten zusammen die effektive Reichweite von Militärraketen von 100 auf 2.000 Yards. ⓘ

Die erste mathematische Behandlung der Dynamik des Raketenantriebs geht auf William Moore (1813) zurück. 1814 veröffentlichte Congreve ein Buch, in dem er die Verwendung von Mehrfachraketenabschussvorrichtungen erörterte. 1815 konstruierte Alexander Dmitrijewitsch Zasyadko Raketenabschussplattformen, die es ermöglichten, Raketen in Salven abzufeuern (6 Raketen auf einmal), sowie Geschützabschussvorrichtungen. William Hale verbesserte 1844 die Genauigkeit der Raketenartillerie erheblich. Edward Mounier Boxer verbesserte die Congreve-Rakete im Jahr 1865 weiter. ⓘ

William Leitch schlug 1861 erstmals das Konzept vor, Raketen für die Raumfahrt zu nutzen. Leitchs Beschreibung der Raumfahrt mit Raketen wurde erstmals 1861 in seinem Aufsatz "A Journey Through Space" (Eine Reise durch den Weltraum) gegeben, der später in seinem Buch God's Glory in the Heavens (1862) veröffentlicht wurde. Konstantin Ziolkowski hatte später (1903) ebenfalls diese Idee und entwickelte eine umfangreiche Theorie, die die Grundlage für die weitere Entwicklung der Raumfahrt bildete. ⓘ

Das britische Royal Flying Corps konstruierte während des Ersten Weltkriegs eine gelenkte Rakete. Archibald Low erklärte: "...1917 konstruierten die Experimental Works eine elektrisch gelenkte Rakete... Raketenexperimente wurden unter meinen eigenen Patenten mit der Hilfe von Cdr. Brock durchgeführt" Das Patent "Improvements in Rockets" wurde im Juli 1918 angemeldet, aber aus Sicherheitsgründen erst im Februar 1923 veröffentlicht. Abschuss und Lenkung konnten entweder drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Der Antriebs- und Lenkraketenstrom trat aus der Ablenkungshaube an der Nase aus. ⓘ

Robert Goddard mit einer Flüssigsauerstoff-Benzin-Rakete (1926) ⓘ

1920 veröffentlichte Professor Robert Goddard von der Clark University in A Method of Reaching Extreme Altitudes Verbesserungsvorschläge für die Raketentechnik. Im Jahr 1923 veröffentlichte Hermann Oberth (1894-1989) Die Rakete zu den Planetenräumen. Die modernen Raketen entstanden 1926, als Goddard eine Überschalldüse (de Laval) an eine Hochdruckbrennkammer anbrachte. Diese Düsen verwandeln das heiße Gas aus der Brennkammer in einen kühleren, hypersonischen, stark gerichteten Gasstrahl, wodurch sich der Schub mehr als verdoppelt und der Wirkungsgrad des Triebwerks von 2 % auf 64 % steigt. Durch die Verwendung von Flüssigtreibstoffen anstelle von Schießpulver konnte das Gewicht der Raketen erheblich gesenkt und ihre Wirksamkeit erhöht werden. ⓘ

Eine Batterie sowjetischer Katjuscha-Raketenwerfer feuert auf die deutschen Truppen während der Schlacht um Stalingrad, 6. Oktober 1942 ⓘ

1921 begann das sowjetische Forschungs- und Entwicklungslaboratorium Gasdynamik mit der Entwicklung von Feststoffraketen, die 1928 zum ersten Start mit einer Flugweite von etwa 1.300 Metern führten. Diese Raketen wurden 1931 für den weltweit ersten erfolgreichen Einsatz von Raketen für den düsengestützten Start von Flugzeugen verwendet und dienten als Prototypen für den Katjuscha-Raketenwerfer, der im Zweiten Weltkrieg eingesetzt wurde. ⓘ

Start einer V-2-Rakete vom Prüfstand VII, Sommer 1943 ⓘ

1943 begann in Deutschland die Produktion der V-2-Rakete. Sie wurde von der Heeresversuchsanstalt Peenemünde unter der technischen Leitung von Wernher von Braun entwickelt. Mit dem senkrechten Start von MW 18014 am 20. Juni 1944 überquerte die V-2 als erstes künstliches Objekt die Kármán-Linie und flog ins All. Parallel zum deutschen Lenkwaffenprogramm wurden Raketen auch bei Flugzeugen eingesetzt, entweder zur Unterstützung des Horizontalstarts (RATO), des Senkrechtstarts (Bachem Ba 349 "Natter") oder als Antrieb (Me 163, siehe Liste der deutschen Lenkwaffen im Zweiten Weltkrieg). Die Raketenprogramme der Alliierten waren technisch weniger ausgereift und stützten sich hauptsächlich auf ungelenkte Raketen wie die sowjetische Katjuscha-Rakete für die Artillerie und die amerikanische Panzerabwehrrakete Bazooka. Diese verwendeten chemische Festtreibstoffe. ⓘ

Die Amerikaner nahmen 1945 eine große Zahl deutscher Raketenwissenschaftler, darunter Wernher von Braun, gefangen und brachten sie im Rahmen der Operation Paperclip in die Vereinigten Staaten. Nach dem Zweiten Weltkrieg nutzten Wissenschaftler Raketen, um die Bedingungen in großen Höhen zu studieren, indem sie Temperatur und Druck der Atmosphäre per Funk übermittelten, kosmische Strahlung nachwiesen und weitere Techniken anwendeten; zu erwähnen ist auch die Bell X-1, das erste bemannte Fahrzeug, das die Schallmauer durchbrach (1947). Unabhängig davon wurde im Raumfahrtprogramm der Sowjetunion unter der Leitung des Chefkonstrukteurs Sergej Koroljow (1907-1966) weiter geforscht. ⓘ

Während des Kalten Krieges erlangten Raketen mit der Entwicklung moderner ballistischer Interkontinentalraketen (ICBMs) große militärische Bedeutung. In den 1960er Jahren kam es zu einer rasanten Entwicklung der Raketentechnologie, insbesondere in der Sowjetunion (Wostok, Sojus, Proton) und in den Vereinigten Staaten (z. B. die X-15). Raketen wurden für die Erforschung des Weltraums eingesetzt. Die amerikanischen Programme mit Besatzung (Projekt Mercury, Projekt Gemini und später das Apollo-Programm) gipfelten 1969 in der ersten Landung einer Besatzung auf dem Mond - unter Verwendung von Ausrüstung, die von der Saturn-V-Rakete gestartet wurde. ⓘ

Der erste überlieferte Raketenstart fand im Jahr 1232 im Kaiserreich China statt. Im Krieg gegen die Mongolen setzten die Chinesen in der Schlacht von Kaifeng eine Art Rakete ein: Dabei feuerten sie eine Vielzahl simpler, von Schwarzpulver angetriebener Flugkörper auf die Angreifer ab. Die Raketen sollten weniger den Gegner verletzen, als die feindlichen Pferde erschrecken. ⓘ

In Europa fand der erste dokumentierte Start einer Rakete 1555 im siebenbürgischen Hermannstadt statt. Der Flugkörper verfügte bereits über ein Drei-Stufen-Antriebssystem. (siehe: Conrad Haas) ⓘ

Im 17. Jahrhundert soll Lâgari Hasan Çelebi gemäß dem Bericht von Evliya Çelebi an der Küste des Bosporus unterhalb des Topkapı-Palastes (heute: Istanbul) ca. 20 Sekunden mit einer selbstgemachten Rakete geflogen sein, um dann mit Flügeln im Wasser zu landen. Genaue Daten oder unabhängige Drittberichte, die diesen Flug bezeugen, sind allerdings nicht bekannt. ⓘ

In Indien wurden in früher Zeit sogenannte mysorische Raketen in den Mysore-Kriegen (1766–1799) gegen die englischen Truppen eingesetzt. Ihr Erfolg überrumpelte die Briten, vor allem in der Schlacht von Pollilur/Perambani (1780), bei der Raketen einen Pulverwagen zur Explosion brachten und die Schlacht wendeten. ⓘ

Nach genauem Studium der englischen Raketenwaffen führte in der Folge der österreichische Freiherr Vincenz von Augustin diese neue Waffe in der österreichischen Armee ein. Augustin war ab 1814 Chef der Kriegsraketenanstalt und hatte als Kommandant bis 1838 das in der österreichischen Artillerie neuerrichtete Raketenkorps (Feuerwerkskorps) in Wiener Neustadt unter sich. Aus dem Jahr 1865 stammt ein österreichisches Raketengeschütz für achtpfündige Rotationsraketen, das sich im Heeresgeschichtlichen Museum in Wien befindet. In der Weiterentwicklung des Briten William Hale (1797–1870), der Hale'schen Rakete, wurde die Stabilisierung nicht mehr durch einen Stab, sondern durch das Treibmittel selbst erreicht. Die Pulvergase traten nach der Zündung nicht nur durch die hintere Antriebsöffnung, sondern auch durch seitlich angelegte Bohrungen aus und versetzten die Rakete damit in Rotation. In Russland entwickelte Konstantin Iwanowitsch Konstantinow in den Jahren 1847–1871 Raketen mit 5 km Reichweite; ab 1894 führte Nikolai Iwanowitsch Tichomirow Untersuchungen zur Feststoffraketentriebwerken durch, welche zur Entwicklung des Raketenwerfers Katjuscha führten. ⓘ

1903 veröffentlichte Konstantin Ziolkowski die Raketengrundgleichung und stellte damit das Prinzip der Mehrstufenrakete auf eine wissenschaftliche Basis. ⓘ

Der Physiker Hermann Oberth führte Anfang des 20. Jahrhunderts eine Reihe von grundlegenden Raketenversuchen durch. 1923 publizierte er Die Rakete zu den Planetenräumen, eine Version seiner Dissertation, die von der Universität Heidelberg abgelehnt worden war. ⓘ

Bei Opel begann 1927 die Raketenforschung mit einem eigens konstruierten Prüfstand zur Messung der Schubkraft der Raketen. Auch Max Valier und Friedrich Wilhelm Sander nahmen daran teil. Am 11. April 1928 steuerte Kurt C. Volkhart das erste Ergebnis von Opels Forschung auf der Werksrennbahn: das Raketenauto RAK1. Fritz von Opel absolvierte im September 1929 auf dem Frankfurt-Rebstock den vermutlich ersten bemannten Raketenflug der Welt. Er erreichte mit dem Opel-Sander-Flugzeug RAK-1 eine Geschwindigkeit von 150 km/h. ⓘ

1931 gelang Johannes Winkler, Gründer des VfR (Verein für Raumschiffahrt), der erste Start einer Flüssigkeitsrakete in Europa. In der Sowjetunion wurden 1935 die Raketen GIRD-09 und GIRD-X gestartet. Beide Raketen wurden von der GIRD (Gruppe zum Studium der rückstoßgetriebenen Bewegung), einer Unterorganisation der OSSOAWIACHIM, entwickelt. 1942 hob in Peenemünde die vom deutschen Raketenpionier Wernher von Braun entwickelte Aggregat 4 als erste gesteuerte und flugstabilisierte Großrakete ab und leitete damit die Entwicklung ein, die zur Nutzung von Raketen als Transportmittel für Massenvernichtungswaffen führte. Den ersten bemannten Senkrechtstart eines Raketenflugzeugs führte 1945 Lothar Sieber in einer Ba 349 Natter aus. Der Flug endete mit einem tödlichen Absturz. 1957 verließ eine modifizierte sowjetische Interkontinentalrakete vom Typ R-7 die Erdatmosphäre und brachte den Satelliten Sputnik 1 in eine Umlaufbahn um die Erde. ⓘ

Typen

Fahrzeug-Konfigurationen ⓘ

Start der Apollo 15 Saturn V Rakete: T - 30 s bis T + 40 s ⓘ

Raketen werden oft in der archetypischen Form einer großen, dünnen "Rakete" konstruiert, die senkrecht abhebt, aber es gibt tatsächlich viele verschiedene Arten von Raketen, darunter:

• kleine Modelle wie Ballonraketen, Wasserraketen, Himmelsraketen oder kleine Feststoffraketen, die im Bastelladen gekauft werden können
• Raketen
• Weltraumraketen wie die riesige Saturn V, die für das Apollo-Programm verwendet wurde
• Raketenautos
• Raketenfahrrad
• raketengetriebene Flugzeuge (einschließlich des raketengestützten Starts von konventionellen Flugzeugen - RATO)
• Raketenschlitten
• Raketenzüge
• Raketentorpedos
• raketenbetriebene Jetpacks
• Schnellabwurfsysteme wie Schleudersitze und Startabwurfsysteme
• Raumsonden ⓘ

Entwurf

Ein Raketendesign kann so einfach sein wie eine mit Schwarzpulver gefüllte Pappröhre, aber um eine effiziente, präzise Rakete oder einen Flugkörper zu bauen, müssen eine Reihe schwieriger Probleme bewältigt werden. Zu den Hauptschwierigkeiten gehören die Kühlung der Brennkammer, das Pumpen des Treibstoffs (im Falle eines flüssigen Treibstoffs) und die Steuerung und Korrektur der Bewegungsrichtung. ⓘ

Bestandteile

Raketen bestehen aus einem Treibstoff, einem Platz zum Einbringen des Treibstoffs (z. B. einem Treibstofftank) und einer Düse. Sie können auch ein oder mehrere Raketentriebwerke, Richtungsstabilisierungsvorrichtungen (z. B. Flossen, Nonius-Triebwerke oder kardanische Aufhängungen für die Schubvektorsteuerung, Kreisel) und eine Struktur (in der Regel einteilig) haben, die diese Komponenten zusammenhält. Raketen, die für hohe Geschwindigkeiten in der Atmosphäre bestimmt sind, haben auch eine aerodynamische Verkleidung, wie z. B. einen Nasenkonus, in dem normalerweise die Nutzlast untergebracht ist. ⓘ

Neben diesen Bauteilen können Raketen eine Vielzahl weiterer Komponenten haben, wie z. B. Flügel (Raketenflugzeuge), Fallschirme, Räder (Raketenautos) und in gewisser Weise sogar eine Person (Raketengürtel). Fahrzeuge verfügen häufig über Navigations- und Leitsysteme, die in der Regel Satellitennavigation und Trägheitsnavigationssysteme nutzen. ⓘ

Triebwerke

Raketentriebwerk Viking 5C ⓘ

Raketentriebwerke arbeiten nach dem Prinzip des Düsenantriebs. Die Raketentriebwerke, die Raketen antreiben, gibt es in einer großen Vielfalt unterschiedlicher Typen; eine umfassende Liste finden Sie im Hauptartikel Raketentriebwerk. Die meisten aktuellen Raketen sind chemisch angetriebene Raketen (in der Regel Verbrennungsmotoren, aber einige verwenden ein sich zersetzendes Monopropellant), die ein heißes Abgas ausstoßen. Ein Raketentriebwerk kann mit Gas-, Feststoff- oder Flüssigtreibstoff oder mit einer Mischung aus Fest- und Flüssigtreibstoff angetrieben werden. Einige Raketen nutzen Wärme oder Druck, die aus einer anderen Quelle als der chemischen Reaktion des Treibstoffs/der Treibstoffe stammen, wie z. B. Dampfraketen, solarthermische Raketen, nuklearthermische Raketentriebwerke oder einfache Druckraketen wie Wasserraketen oder Kaltgastriebwerke. Bei Verbrennungstreibstoffen wird eine chemische Reaktion zwischen dem Treibstoff und dem Oxidationsmittel in der Brennkammer ausgelöst, und die dabei entstehenden heißen Gase werden aus einer Raketentriebwerksdüse (oder mehreren Düsen) am rückwärtigen Ende der Rakete beschleunigt. Die Beschleunigung dieser Gase durch das Triebwerk übt eine Kraft ("Schub") auf die Brennkammer und die Düse aus und treibt das Fahrzeug an (gemäß dem Dritten Newtonschen Gesetz). Dies geschieht, weil die Kraft (Druck mal Fläche) auf die Brennkammerwand durch die Düsenöffnung unausgeglichen ist; in jeder anderen Richtung ist dies nicht der Fall. Die Form der Düse erzeugt ebenfalls eine Kraft, indem sie das Abgas entlang der Achse der Rakete lenkt. ⓘ

Treibstoff

Gas Kern Glühbirne ⓘ

Raketentreibstoff ist eine Masse, die in der Regel in einer Art Treibstofftank oder -gehäuse gelagert wird, bevor sie als Antriebsmasse verwendet wird, die von einem Raketentriebwerk in Form eines Flüssigkeitsstrahls ausgestoßen wird, um Schub zu erzeugen. Bei chemischen Raketen bestehen die Treibstoffe häufig aus einem Brennstoff wie flüssigem Wasserstoff oder Kerosin, der mit einem Oxidationsmittel wie flüssigem Sauerstoff oder Salpetersäure verbrannt wird, um große Mengen sehr heißer Gase zu erzeugen. Das Oxidationsmittel wird entweder getrennt gehalten und in der Brennkammer gemischt, oder es wird wie bei Feststoffraketen vorgemischt. ⓘ

Manchmal wird der Treibstoff nicht verbrannt, sondern geht eine chemische Reaktion ein. Dabei kann es sich um einen Monotreibstoff" wie Hydrazin, Distickstoffoxid oder Wasserstoffperoxid handeln, der katalytisch zu heißem Gas zersetzt werden kann. ⓘ

Alternativ kann ein inerter Treibstoff verwendet werden, der von außen beheizt werden kann, wie z. B. bei Dampfraketen, solarthermischen Raketen oder nuklearthermischen Raketen. ⓘ

Bei kleineren Raketen mit geringer Leistung, wie z. B. Lageregelungstriebwerken, bei denen eine hohe Leistung weniger notwendig ist, wird eine unter Druck stehende Flüssigkeit als Treibstoff verwendet, die einfach durch eine Treibdüse aus dem Raumfahrzeug entweicht. ⓘ

Irrtum der Pendelrakete

Veranschaulichung des Fehlschlusses einer Pendelrakete. Unabhängig davon, ob der Motor unten (links) oder oben (rechts) an der Rakete angebracht ist, zeigt der Schubvektor (T) entlang einer Achse, die fest mit der Rakete verbunden ist (oben), und nicht vertikal (unten), unabhängig von der Lage der Rakete, was zu einer Drehung der Rakete führen würde. ⓘ

Die erste Rakete mit Flüssigtreibstoff, die von Robert H. Goddard konstruiert wurde, unterschied sich erheblich von modernen Raketen. Das Raketentriebwerk befand sich oben und der Treibstofftank unten in der Rakete, da Goddard davon ausging, dass die Rakete Stabilität erreichen würde, wenn sie im Flug wie ein Pendel am Triebwerk "hängen" würde. Die Rakete kam jedoch vom Kurs ab und stürzte 56 m (184 Fuß) vom Startplatz entfernt ab, was zeigt, dass die Rakete nicht stabiler war als eine Rakete mit dem Raketentriebwerk an der Basis. ⓘ

Verwendungen

Raketen oder ähnliche Reaktionsvorrichtungen, die ihren eigenen Treibstoff mit sich führen, müssen verwendet werden, wenn es keine andere Substanz (Land, Wasser oder Luft) oder Kraft (Schwerkraft, Magnetismus, Licht) gibt, die ein Fahrzeug sinnvollerweise für den Antrieb nutzen kann, wie beispielsweise im Weltraum. Unter diesen Umständen ist es notwendig, den gesamten Treibstoff mitzuführen. ⓘ

Sie sind jedoch auch in anderen Situationen nützlich: ⓘ

Militär

Eine von See aus gestartete Trident-II-Rakete. ⓘ

Einige militärische Waffen verwenden Raketen, um Sprengköpfe zu ihren Zielen zu befördern. Eine Rakete und ihre Nutzlast zusammen werden im Allgemeinen als Rakete bezeichnet, wenn die Waffe über ein Lenksystem verfügt (nicht alle Raketen verwenden Raketentriebwerke, einige nutzen andere Triebwerke wie Düsenflugzeuge), oder als Rakete, wenn sie ungelenkt ist. Panzerabwehr- und Flugabwehrraketen verwenden Raketentriebwerke, um Ziele mit hoher Geschwindigkeit in einer Entfernung von mehreren Kilometern zu bekämpfen, während interkontinentale ballistische Raketen verwendet werden können, um mehrere nukleare Sprengköpfe aus Tausenden von Kilometern zu befördern, und antiballistische Raketen versuchen, diese zu stoppen. Raketen wurden auch zu Aufklärungszwecken getestet, wie z. B. die Ping-Pong-Rakete, die zur Überwachung feindlicher Ziele eingesetzt wurde; Aufklärungsraketen wurden jedoch nie in großem Umfang militärisch eingesetzt. ⓘ

Wissenschaft und Forschung

Eine Bumper-Sondierrakete ⓘ

Höhenforschungsraketen werden in der Regel eingesetzt, um Instrumente zu transportieren, die in einer Höhe von 50 bis 1.500 Kilometern über der Erdoberfläche Messungen vornehmen. Die ersten Bilder der Erde aus dem Weltraum wurden 1946 von einer V-2-Rakete aufgenommen (Flug Nr. 13). ⓘ

Raketentriebwerke werden auch eingesetzt, um Raketenschlitten mit extrem hoher Geschwindigkeit auf einer Schiene voranzutreiben. Der Weltrekord dafür liegt bei Mach 8,5. ⓘ

Raumfahrt

Größere Raketen werden normalerweise von einer Startrampe aus gestartet, die bis einige Sekunden nach der Zündung einen stabilen Halt bietet. Aufgrund ihrer hohen Ausstoßgeschwindigkeit - 2.500 bis 4.500 m/s (9.000 bis 16.200 km/h; 5.600 bis 10.100 mph) - sind Raketen besonders nützlich, wenn sehr hohe Geschwindigkeiten erforderlich sind, wie z. B. die Orbitalgeschwindigkeit von etwa 7.800 m/s (28.000 km/h; 17.000 mph). Raumfahrzeuge, die in eine Erdumlaufbahn gebracht werden, werden zu künstlichen Satelliten, die für viele kommerzielle Zwecke genutzt werden. Raketen sind nach wie vor die einzige Möglichkeit, Raumfahrzeuge in die Erdumlaufbahn und darüber hinaus zu bringen. Sie werden auch eingesetzt, um Raumfahrzeuge schnell zu beschleunigen, wenn sie die Umlaufbahn wechseln oder zur Landung aus der Umlaufbahn aussteigen. Eine Rakete kann auch eingesetzt werden, um eine harte Fallschirmlandung unmittelbar vor dem Aufsetzen abzufedern (siehe Retrorocket). ⓘ

Rettung

Apollo-LES-Test zum Abbruch der Landung mit dem Boilerplate-Besatzungsmodul. ⓘ

Raketen wurden eingesetzt, um eine Leine zu einem havarierten Schiff zu bringen, damit eine Hosenboje zur Rettung der Menschen an Bord eingesetzt werden kann. Raketen werden auch zum Abschuss von Notfallraketen verwendet. ⓘ

Einige bemannte Raketen, vor allem die Saturn V und die Sojus, verfügen über Starthilfesysteme. Dabei handelt es sich um eine kleine, in der Regel feste Rakete, die in der Lage ist, die Raumkapsel mit Besatzung im Handumdrehen von der Hauptträgerrakete in Sicherheit zu bringen. Diese Art von Systemen wurde bereits mehrfach eingesetzt, sowohl bei Tests als auch im Flug, und funktionierte jedes Mal korrekt. ⓘ

Dies war der Fall, als das Safety Assurance System (sowjetische Nomenklatur) die L3-Kapsel bei drei der vier fehlgeschlagenen Starts der sowjetischen Mondrakete, der N1-Fahrzeuge 3L, 5L und 7L, erfolgreich abzog. In allen drei Fällen wurde die Kapsel, wenn auch ohne Besatzung, vor der Zerstörung gerettet. Nur die drei vorgenannten N1-Raketen verfügten über funktionierende Sicherheitssysteme. Die herausragende Rakete, 6L, verfügte über Dummy-Oberstufen und somit über kein Rettungssystem, so dass die N1-Trägerrakete eine Erfolgsquote von 100 % beim Ausstieg aus einem fehlgeschlagenen Start aufwies. ⓘ

Ein erfolgreicher Ausstieg aus einer bemannten Kapsel gelang, als Sojus T-10 auf dem Weg zur Raumstation Saljut 7 auf der Startrampe explodierte. ⓘ

Schleudersitze mit Feststoffraketenantrieb werden in vielen Militärflugzeugen verwendet, um die Besatzung in Sicherheit zu bringen, wenn die Flugkontrolle verloren geht. ⓘ

Hobby, Sport und Unterhaltung

Eine Modellrakete ist eine kleine Rakete, die niedrige Höhen erreichen soll (z. B. 100-500 m für ein 30 g schweres Modell) und mit verschiedenen Mitteln geborgen werden kann. ⓘ

Gemäß dem United States National Association of Rocketry (nar) Safety Code werden Modellraketen aus Papier, Holz, Kunststoff und anderen leichten Materialien gebaut. Der Code enthält außerdem Richtlinien für die Verwendung von Motoren, die Auswahl des Startplatzes, Startmethoden, die Platzierung der Startvorrichtung, die Konstruktion und den Einsatz von Bergungssystemen und vieles mehr. Seit den frühen 1960er Jahren wird den meisten Modellraketenbausätzen und -motoren ein Exemplar des Model Rocket Safety Code beigelegt. Trotz der damit verbundenen Assoziation mit extrem brennbaren Substanzen und Objekten mit einer spitzen Spitze, die sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegen, hat sich der Modellraketenbau in der Vergangenheit als ein sehr sicheres Hobby erwiesen und gilt als wichtige Inspirationsquelle für Kinder, die später Wissenschaftler und Ingenieure werden. ⓘ

Hobbyisten bauen und fliegen eine Vielzahl von Modellraketen. Viele Unternehmen stellen Bausätze und Teile für Modellraketen her, aber aufgrund ihrer Einfachheit sind einige Bastler dafür bekannt, dass sie Raketen aus fast allem bauen. Raketen werden auch in einigen Arten von Feuerwerkskörpern für Verbraucher und Profis verwendet. Eine Wasserrakete ist eine Art von Modellrakete, die Wasser als Reaktionsmasse verwendet. Der Druckbehälter (der Motor der Rakete) ist in der Regel eine gebrauchte Softdrinkflasche aus Kunststoff. Das Wasser wird durch ein unter Druck stehendes Gas, in der Regel Druckluft, herausgepresst. Dies ist ein Beispiel für das dritte Newtonsche Bewegungsgesetz. ⓘ

Die Größenordnung der Amateurraketen reicht von einer kleinen Rakete, die im eigenen Garten gestartet wird, bis hin zu einer Rakete, die den Weltraum erreicht hat. Amateurraketen werden je nach Gesamtimpuls des Motors in drei Kategorien eingeteilt: Raketen mit geringer, mittlerer und hoher Leistung. ⓘ

Wasserstoffperoxid-Raketen werden für den Antrieb von Jetpacks verwendet und haben Autos angetrieben; ein Raketenauto hält den (wenn auch inoffiziellen) Rekord im Drag Racing. ⓘ

Corpulent Stump ist die leistungsstärkste nicht-kommerzielle Rakete, die jemals mit einem Aerotech-Motor im Vereinigten Königreich gestartet wurde. ⓘ

Flug

Video vom Start des Space Shuttle Endeavour auf STS-134 ⓘ

Starts für orbitale Raumflüge oder in den interplanetaren Raum erfolgen in der Regel von einem festen Standort am Boden, sind aber auch von einem Flugzeug oder Schiff aus möglich. ⓘ

Zu den Raketenstarttechnologien gehören alle Systeme, die für einen erfolgreichen Start benötigt werden, also nicht nur die Rakete selbst, sondern auch die Abschusskontrollsysteme, das Missionskontrollzentrum, die Startrampe, die Bodenstationen und die Ortungsstationen, die für einen erfolgreichen Start oder eine erfolgreiche Bergung oder beides benötigt werden. Diese werden häufig als "Bodensegment" bezeichnet. ⓘ

Orbitale Trägerraketen heben in der Regel senkrecht ab und beginnen dann, sich allmählich zu neigen, wobei sie in der Regel einer Schwerkraftkurve folgen. ⓘ

Sobald sich die Rakete über dem größten Teil der Atmosphäre befindet, wird der Raketenstrahl so ausgerichtet, dass er größtenteils horizontal, aber auch etwas nach unten gerichtet ist, wodurch die Rakete an Höhe gewinnt und diese beibehält, während die horizontale Geschwindigkeit zunimmt. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird das Fahrzeug immer horizontaler, bis bei Orbitalgeschwindigkeit das Triebwerk abgestellt wird. ⓘ

Alle gegenwärtigen Raumfahrzeuge machen eine Zwischenlandung, d.h. sie werfen auf dem Weg in die Umlaufbahn Hardware ab. Es wurden zwar Fahrzeuge vorgeschlagen, die die Umlaufbahn ohne Stufen erreichen können, aber keines davon wurde jemals gebaut, und wenn es nur mit Raketen angetrieben würde, würde der exponentiell steigende Treibstoffbedarf eines solchen Fahrzeugs dazu führen, dass seine Nutzlast winzig oder gar nicht vorhanden wäre. Die meisten aktuellen und historischen Trägerraketen "verbrauchen" ihre abgeworfenen Teile, indem sie sie in der Regel ins Meer stürzen lassen, aber einige haben abgeworfene Teile geborgen und wiederverwendet, entweder per Fallschirm oder durch eine Antriebslandung. ⓘ

Flugbahn eines PSLV-Starts zu den Polen unter Umgehung der sri-lankischen Landmasse im Dogleg. ⓘ

Beim Start eines Raumfahrzeugs in die Erdumlaufbahn ist ein "Dogleg" eine geführte, angetriebene Kurve während der Aufstiegsphase, die die Flugbahn einer Rakete von einer "geraden" Bahn abweichen lässt. Ein Dogleg ist notwendig, wenn der gewünschte Startazimut zum Erreichen einer gewünschten Bahnneigung die Bahn über Land führen würde (oder über ein besiedeltes Gebiet, z. B. startet Russland normalerweise über Land, aber über unbesiedelte Gebiete), oder wenn die Rakete versucht, eine Bahnebene zu erreichen, die nicht den Breitengrad des Startplatzes erreicht. Doglegs sind unerwünscht, da sie zusätzlichen Treibstoff an Bord benötigen, eine höhere Last verursachen und die Leistung der Rakete verringern. ⓘ

Lärm

Arbeiter und Medienvertreter beobachten den Test des Schallschutz-Wassersystems auf der Startrampe 39A. ⓘ

Raketenabgase erzeugen eine erhebliche Menge an Schallenergie. Wenn die Überschallabgase mit der Umgebungsluft kollidieren, entstehen Schockwellen. Die Schallintensität dieser Schockwellen hängt von der Größe der Rakete und der Abgasgeschwindigkeit ab. Die Schallintensität großer, leistungsstarker Raketen kann im Nahbereich tödlich sein. ⓘ

Das Space Shuttle erzeugte um seine Basis herum 180 dB Lärm. Um dem entgegenzuwirken, entwickelte die NASA ein Schalldämpfungssystem, das Wasser mit einer Geschwindigkeit von bis zu 900.000 Gallonen pro Minute (57 m³/s) auf die Startrampe leiten kann. Das Wasser reduziert den Geräuschpegel von 180 dB auf 142 dB (die Auslegungsanforderung liegt bei 145 dB). Ohne das Schalldämpfungssystem würden die Schallwellen von der Startrampe zur Rakete reflektiert und die empfindliche Nutzlast und die Besatzung in Schwingungen versetzen. Diese Schallwellen können so stark sein, dass sie die Rakete beschädigen oder zerstören. ⓘ

Der Lärm ist im Allgemeinen am stärksten, wenn sich eine Rakete in Bodennähe befindet, da der Lärm der Triebwerke von der Rakete weg nach oben strahlt und vom Boden reflektiert wird. Dieser Lärm kann durch Flammengräben mit Dächern, durch Wassereinspritzung um die Düse und durch Ablenkung der Düse in einem Winkel etwas reduziert werden. ⓘ

Bei Raketen mit Besatzung werden verschiedene Methoden angewandt, um die Schallintensität für die Passagiere zu verringern, und in der Regel hilft die Platzierung der Astronauten weit weg von den Raketentriebwerken erheblich. Für die Passagiere und die Besatzung bricht der Schall ab, wenn das Fahrzeug in den Überschallbereich geht, da die Schallwellen nicht mehr in der Lage sind, mit dem Fahrzeug Schritt zu halten. ⓘ

Physik

Die Hülle von Raketen muss zugunsten des Treibstoffes und der Nutzlast möglichst leicht sein. Um nach dem Abbrand einer gewissen Treibstoffmenge möglichst wenig Totlast mitzuführen, werden größere Raketen mehrstufig ausgelegt – nach dem Brennschluss einer Stufe wird diese abgetrennt und die nächste Stufe gezündet. Die Trennung erfolgt meist durch Absprengen (Pyrobolzen), kann aber auch durch die Zündung der nachfolgenden Stufe erfolgen. Dadurch wird die nutzbare Energie optimiert und die spezifische Leistung und Nutzlastkapazität erhöht. Es gibt in der Raumfahrt bis zu fünfstufige Raketensysteme. ⓘ

Für Flüge in der Atmosphäre muss die Hülle aerodynamisch geeignet ausgelegt sein, weiterhin kann es zu erheblichen thermischen Belastungen durch Luftreibung kommen. Bei manchen Raketen, wie der US-amerikanischen Atlas-Rakete, wird die Hülle durch einen erhöhten Innendruck gehalten. Die Masse der Hülle beträgt im Vergleich zur Gesamtmasse einer Rakete (Masse der Hülle, der Nutzlast und des Treibstoffes) sehr oft nur einen Bruchteil derer. Bei manchen Trägerraketen macht das Gewicht der Hülle sogar nur 5 % der Gesamtmasse aus. Die Hülle und Strukturen einer Rakete werden meistens aus Aluminium gefertigt, da dieses Metall relativ leicht und stabil ist. Bauteile, die unter hoher Beanspruchung stehen, werden aus Stahl oder Titan gefertigt. ⓘ

Betrieb

Ein Ballon mit einer sich verjüngenden Düse. In diesem Fall schiebt die Düse den Ballon nicht selbst, sondern wird von ihm gezogen. Eine konvergente/divergente Düse wäre besser. ⓘ

Die Verbrennung des Treibstoffs in einem Raketentriebwerk führt zu einer Erhöhung der inneren Energie der entstehenden Gase, wobei die im Treibstoff gespeicherte chemische Energie genutzt wird. Mit zunehmender innerer Energie steigt der Druck, und eine Düse wandelt diese Energie in eine gerichtete kinetische Energie um. Dies erzeugt einen Schub gegen die Umgebung, in die diese Gase freigesetzt werden. Die ideale Bewegungsrichtung der Abgase ist diejenige, die den Schub erzeugt. Am oberen Ende der Brennkammer kann sich die heiße, energiereiche Gasflüssigkeit nicht vorwärts bewegen und drückt daher nach oben gegen den oberen Teil der Brennkammer des Raketentriebwerks. Wenn sich die Verbrennungsgase dem Ausgang der Brennkammer nähern, nehmen sie an Geschwindigkeit zu. Die Wirkung des konvergenten Teils der Raketentriebwerksdüse auf die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit der Verbrennungsgase bewirkt, dass die Gase auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Je höher die Geschwindigkeit der Gase ist, desto geringer ist der Druck des Gases (Bernoulli-Prinzip oder Energieerhaltung), der auf diesen Teil der Brennkammer wirkt. Bei einem ordnungsgemäß ausgelegten Motor erreicht die Strömung am Düsenhals Mach 1. An diesem Punkt nimmt die Geschwindigkeit der Strömung zu. Hinter dem Düsenhals befindet sich ein glockenförmiger Expansionsteil des Triebwerks, der es den expandierenden Gasen ermöglicht, gegen diesen Teil des Raketentriebwerks zu drücken. Der glockenförmige Teil der Düse sorgt also für zusätzlichen Schub. Vereinfacht ausgedrückt, gibt es für jede Aktion eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion, gemäß Newtons drittem Gesetz, mit dem Ergebnis, dass die ausströmenden Gase eine Kraft auf die Rakete ausüben, die die Rakete beschleunigt. ⓘ

Der Raketenschub wird durch den Druck verursacht, der sowohl auf die Brennkammer als auch auf die Düse wirkt ⓘ

In einer geschlossenen Kammer sind die Drücke in jeder Richtung gleich und es tritt keine Beschleunigung auf. Wenn der Boden der Kammer eine Öffnung aufweist, wirkt der Druck nicht mehr auf den fehlenden Teil. Durch diese Öffnung können die Abgase entweichen. Die verbleibenden Drücke führen zu einem resultierenden Schub auf der der Öffnung gegenüberliegenden Seite, und diese Drücke treiben die Rakete an. ⓘ

Die Form der Düse ist wichtig. Betrachten Sie einen Ballon, der von Luft angetrieben wird, die aus einer sich verjüngenden Düse austritt. In einem solchen Fall ist die Kombination aus Luftdruck und viskoser Reibung so, dass die Düse den Ballon nicht schiebt, sondern von ihm gezogen wird. Bei Verwendung einer konvergenten/divergenten Düse ist die Kraft größer, da der Auspuff bei der Ausdehnung nach außen auch auf die Düse drückt, wodurch sich die Gesamtkraft ungefähr verdoppelt. Wenn der Kammer kontinuierlich Treibgas zugeführt wird, können diese Drücke so lange aufrechterhalten werden, wie Treibstoff vorhanden ist. Bei Triebwerken mit Flüssigtreibstoff müssen die Pumpen, die den Treibstoff in die Brennkammer befördern, einen Druck aufrechterhalten, der größer ist als der der Brennkammer - in der Regel in der Größenordnung von 100 Atmosphären. ⓘ

Als Nebeneffekt wirken diese Drücke auf die Rakete auch auf die Abgase in der entgegengesetzten Richtung und beschleunigen diese Abgase auf sehr hohe Geschwindigkeiten (gemäß dem Dritten Newtonschen Gesetz). Nach dem Impulserhaltungssatz bestimmt die Geschwindigkeit des Auspuffs einer Rakete, wie viel Impulszunahme für eine bestimmte Menge an Treibstoff erzeugt wird. Dies wird als der spezifische Impuls der Rakete bezeichnet. Da eine Rakete, der Treibstoff und der Auspuff im Flug ohne äußere Störeinflüsse als ein geschlossenes System betrachtet werden kann, ist der Gesamtimpuls immer konstant. Je höher also die Nettogeschwindigkeit des Auspuffs in einer Richtung ist, desto größer ist die Geschwindigkeit, die die Rakete in der Gegenrichtung erreichen kann. Dies gilt umso mehr, als die Masse des Raketenkörpers in der Regel weit geringer ist als die Gesamtmasse des Auspuffs. ⓘ

Kräfte auf eine Rakete im Flug

Kräfte auf eine Rakete im Flug ⓘ

Die allgemeine Untersuchung der Kräfte, die auf eine Rakete wirken, ist Teil der Ballistik. Raumfahrzeuge werden im Teilgebiet der Astrodynamik weiter untersucht. ⓘ

Auf fliegende Raketen wirken in erster Linie die folgenden Kräfte:

• Schubkraft des Triebwerks/der Triebwerke
• Schwerkraft von Himmelskörpern
• Luftwiderstand bei Bewegung in der Atmosphäre
• Auftrieb; außer bei raketengetriebenen Flugzeugen in der Regel relativ geringe Wirkung ⓘ

Darüber hinaus können die Trägheit und die Pseudo-Zentrifugalkraft aufgrund der Bahn der Rakete um den Mittelpunkt eines Himmelskörpers von Bedeutung sein; wenn genügend hohe Geschwindigkeiten in der richtigen Richtung und Höhe erreicht werden, ergibt sich eine stabile Umlaufbahn oder Fluchtgeschwindigkeit. ⓘ

Diese Kräfte führen bei Vorhandensein eines stabilisierenden Schwanzes (des Leitwerks) dazu, dass das Fahrzeug, sofern keine bewussten Steuerungsmaßnahmen ergriffen werden, auf natürliche Weise einer annähernd parabolischen Flugbahn folgt, die als Schwerkraftkurve bezeichnet wird, und diese Flugbahn wird zumindest in der Anfangsphase eines Starts häufig verwendet. (Dies gilt selbst dann, wenn das Raketentriebwerk am Bug montiert ist.) Die Fahrzeuge können so einen geringen oder sogar keinen Anstellwinkel beibehalten, was die Querbelastung der Trägerrakete minimiert und eine schwächere und damit leichtere Trägerrakete ermöglicht. ⓘ

Luftwiderstand

Der Luftwiderstand ist eine Kraft, die der Bewegungsrichtung der Rakete relativ zur Luft, durch die sie sich bewegt, entgegengesetzt ist. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Rakete verlangsamt und es entstehen strukturelle Belastungen. Die Verzögerungskräfte für sich schnell bewegende Raketen werden mit Hilfe der Widerstandsgleichung berechnet. ⓘ

Der Luftwiderstand kann durch eine aerodynamische Raketenspitze und eine Form mit einem hohen ballistischen Koeffizienten (die "klassische" Raketenform - lang und dünn) sowie durch einen möglichst geringen Anstellwinkel der Rakete minimiert werden. ⓘ

Während des Starts, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zunimmt und die Atmosphäre dünner wird, gibt es einen Punkt mit maximalem Luftwiderstand, genannt max Q. Dieser bestimmt die minimale aerodynamische Festigkeit des Fahrzeugs, da die Rakete unter diesen Kräften nicht einknicken darf. ⓘ

Netto-Schubkraft

Die Form eines Raketenstrahls variiert in Abhängigkeit vom äußeren Luftdruck. Von oben nach unten:

• Unterexpandiert
• Optimal expandiert
• Überexpandiert
• Stark überexpandiert ⓘ

Ein typisches Raketentriebwerk kann pro Sekunde einen beträchtlichen Teil seiner eigenen Masse in Form von Treibstoff befördern, wobei der Treibstoff die Düse mit mehreren Kilometern pro Sekunde verlässt. Das bedeutet, dass das Verhältnis von Schubkraft zu Gewicht eines Raketentriebwerks und oft auch des gesamten Fahrzeugs sehr hoch sein kann, in Extremfällen über 100. Zum Vergleich: Bei anderen Strahltriebwerken kann das Verhältnis bei einigen der besseren Triebwerke über 5 liegen. ⓘ

Es kann gezeigt werden, dass der Netto-Schub einer Rakete gleich ist:

$F_{n}={\dot {m}}\;v_{e}$ ⓘ

wobei:

${\dot {m}}=\,$der Treibstofffluss (kg/s oder lb/s)

$v_{e}=\,$die effektive Ausstoßgeschwindigkeit (m/s oder ft/s) ⓘ

Die effektive Ausstoßgeschwindigkeit $v_{e}$ ist mehr oder weniger die Geschwindigkeit, mit der die Auspuffgase das Fahrzeug verlassen, und im Vakuum des Weltraums ist die effektive Auspuffgeschwindigkeit oft gleich der tatsächlichen durchschnittlichen Auspuffgeschwindigkeit entlang der Schubachse. Bei der effektiven Ausstoßgeschwindigkeit sind jedoch verschiedene Verluste zu berücksichtigen, und sie ist insbesondere beim Betrieb in einer Atmosphäre geringer. ⓘ

Die Geschwindigkeit des Treibstoffflusses durch ein Raketentriebwerk wird während eines Fluges oft absichtlich variiert, um den Schub und damit die Fluggeschwindigkeit des Fahrzeugs zu steuern. Dies ermöglicht beispielsweise die Minimierung der aerodynamischen Verluste und kann den Anstieg der g-Kräfte aufgrund der Verringerung der Treibstoffmenge begrenzen. ⓘ

Gesamtimpuls

Der Impuls ist definiert als eine Kraft, die über die Zeit auf ein Objekt einwirkt und bei Abwesenheit entgegenwirkender Kräfte (Schwerkraft und Luftwiderstand) den Impuls (Integral aus Masse und Geschwindigkeit) des Objekts verändert. Als solcher ist er der beste Indikator für die Leistungsklasse (Nutzlastmasse und Endgeschwindigkeit) einer Rakete und nicht der Startschub, die Masse oder die "Leistung". Der Gesamtimpuls einer Rakete (Stufe), die ihren Treibstoff verbrennt, ist:

$I=\int Fdt$ ⓘ

Wenn es einen festen Schub gibt, ist dies einfach:

$I=Ft\;$ ⓘ

Der Gesamtimpuls einer mehrstufigen Rakete ist die Summe der Impulse der einzelnen Stufen. ⓘ

Spezifischer Impuls

I_sp im Vakuum verschiedener Raketen ⓘ

Rakete	Treibstoffe	Isp, Vakuum (s)
Space Shuttle Flüssigtriebwerke	LOX/LH2	453
Space Shuttle Feststoffmotoren	APCP	268
Space Shuttle OMS	NTO/MMH	313
Saturn V Stufe 1	LOX/RP-1	304

Wie aus der Schubgleichung ersichtlich ist, steuert die effektive Geschwindigkeit des Ausstoßes die Menge an Schub, die aus einer bestimmten Menge an verbranntem Treibstoff pro Sekunde erzeugt wird. ⓘ

Ein entsprechendes Maß, der Nettoimpuls pro Gewichtseinheit des ausgestoßenen Treibstoffs, wird als spezifischer Impuls bezeichnet, $I_{sp}$und ist eine der wichtigsten Kennzahlen, die die Leistung einer Rakete beschreiben. Er ist so definiert, dass er mit der effektiven Ausstoßgeschwindigkeit in Beziehung steht:

$v_{e}=I_{sp}\cdot g_{0}$ ⓘ

wobei:

$I_{sp}$ hat Einheiten von Sekunden

$g_{0}$ ist die Beschleunigung an der Erdoberfläche ⓘ

Je größer der spezifische Impuls ist, desto größer sind also der Netto-Schub und die Leistung des Triebwerks. $I_{sp}$ wird durch Messung bei der Erprobung des Triebwerks ermittelt. In der Praxis variieren die effektiven Ausstoßgeschwindigkeiten von Raketen, können aber extrem hoch sein, ~4500 m/s, etwa das 15-fache der Schallgeschwindigkeit in Luft auf Meereshöhe. ⓘ

Delta-v (Raketengleichung)

Eine Karte der ungefähren Delta-v-Werte im Sonnensystem zwischen Erde und Mars ⓘ

Die Delta-v-Kapazität einer Rakete ist die theoretische Gesamtänderung der Geschwindigkeit, die eine Rakete ohne äußere Einflüsse (ohne Luftwiderstand, Schwerkraft oder andere Kräfte) erreichen kann. ⓘ

Wenn $v_{e}$ konstant ist, kann das Delta-v, das eine Rakete erreichen kann, anhand der Tsiolkowsky-Raketengleichung berechnet werden:

$\Delta v\ =v_{e}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}$ ⓘ

wobei:

$m_{0}$ ist die anfängliche Gesamtmasse, einschließlich des Treibstoffs, in kg (oder lb)

$m_{1}$ die endgültige Gesamtmasse in kg (oder lb)

$v_{e}$ die effektive Abgasgeschwindigkeit in m/s (oder ft/s)

$\Delta v\$ ist das Delta-v in m/s (oder ft/s) ⓘ

Beim Start von der Erde können die praktischen Delta-vs für eine einzelne Rakete mit Nutzlast einige km/s betragen. Einige theoretische Entwürfe haben Raketen mit Delta-vs von über 9 km/s. ⓘ

Das erforderliche Delta-v kann auch für ein bestimmtes Manöver berechnet werden; so beträgt beispielsweise das Delta-v für den Start von der Erdoberfläche in eine niedrige Erdumlaufbahn etwa 9,7 km/s, so dass das Fahrzeug in einer Höhe von etwa 200 km eine Seitwärtsgeschwindigkeit von etwa 7,8 km/s hat. Bei diesem Manöver gehen etwa 1,9 km/s durch Luftwiderstand, Schwerkraftwiderstand und Höhengewinn verloren. ⓘ

Das Verhältnis ${\frac {m_{0}}{m_{1}}}$ wird manchmal auch als Massenverhältnis bezeichnet. ⓘ

Masseverhältnisse

Die Ziolkowsky-Raketengleichung gibt eine Beziehung zwischen dem Massenverhältnis und der Endgeschwindigkeit in Vielfachen der Ausstoßgeschwindigkeit an ⓘ

Fast die gesamte Masse einer Trägerrakete besteht aus dem Treibstoff. Das Massenverhältnis ist für jede "Verbrennung" das Verhältnis zwischen der Anfangsmasse der Rakete und ihrer Endmasse. Bei ansonsten gleichen Bedingungen ist ein hohes Masseverhältnis für eine gute Leistung wünschenswert, da es darauf hindeutet, dass die Rakete leicht ist und daher eine bessere Leistung erbringt, und zwar aus den gleichen Gründen, aus denen ein geringes Gewicht bei Sportwagen wünschenswert ist. ⓘ

Raketen haben das höchste Schub-Gewichts-Verhältnis aller Triebwerkstypen, was dazu beiträgt, dass die Fahrzeuge ein hohes Masseverhältnis erreichen, was die Flugleistung verbessert. Je höher das Verhältnis, desto weniger Triebwerksmasse muss mitgeführt werden. Dies ermöglicht die Mitnahme von noch mehr Treibstoff, was das Delta-v enorm verbessert. Einige Raketen, z. B. für Rettungsszenarien oder Rennen, tragen relativ wenig Treibstoff und Nutzlast und benötigen daher nur eine leichte Struktur und erreichen dafür hohe Beschleunigungen. Das Sojus-Fluchtsystem zum Beispiel kann 20 g erzeugen. ⓘ

Das erreichbare Masseverhältnis hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. der Art des Treibstoffs, der Bauart des verwendeten Triebwerks, den Sicherheitsreserven der Struktur und den Konstruktionstechniken. ⓘ

Die höchsten Massenverhältnisse werden im Allgemeinen mit Flüssigtreibstoffraketen erreicht, und diese Typen werden in der Regel für Trägerraketen im Orbit verwendet, wo ein hohes Delta-v erforderlich ist. Flüssigtreibstoffe haben im Allgemeinen eine ähnliche Dichte wie Wasser (mit den bemerkenswerten Ausnahmen von Flüssigwasserstoff und Flüssigmethan), und diese Typen können leichte Niederdrucktanks verwenden und betreiben in der Regel Hochleistungs-Turbopumpen, um den Treibstoff in die Brennkammer zu drücken. ⓘ

Einige bemerkenswerte Massenanteile sind in der folgenden Tabelle aufgeführt (einige Flugzeuge sind zu Vergleichszwecken enthalten):

Fahrzeug	Startmasse	Endmasse	Massenverhältnis	Massenanteil ⓘ
Ariane 5 (Fahrzeug + Nutzlast)	746.000 kg (~1.645.000 lb)	2.700 kg + 16.000 kg (~6.000 lb + ~35.300 lb)	39.9	0.975
Titan 23G erste Stufe	117.020 kg (258.000 lb)	4.760 kg (10.500 lb)	24.6	0.959
Saturn V	3.038.500 kg (~6.700.000 lb)	13.300 kg + 118.000 kg (~29.320 lb + ~260.150 lb)	23.1	0.957
Space Shuttle (Fahrzeug + Nutzlast)	2.040.000 kg (~4.500.000 lb)	104.000 kg + 28.800 kg (~230.000 lb + ~63.500 lb)	15.4	0.935
Saturn 1B (nur Stufe)	448.648 kg (989.100 lb)	41.594 kg (91.700 lb)	10.7	0.907
Virgin Atlantic GlobalFlyer	10.024,39 kg (22.100 lb)	1.678,3 kg (3.700 lb)	6.0	0.83
V-2	13.000 kg (~28.660 lb) (12,8 Tonnen)		3.85	0.74
X-15	15.420 kg (34.000 lb)	6.620 kg (14.600 lb)	2.3	0.57
Concorde	~181.000 kg (400.000 lb )		2	0.5
Boeing 747	~363.000 kg (800.000 lb)		2	0.5

Staging

Beim Staging von Raumfahrzeugen werden unnötige Teile der Rakete abgeworfen, um die Masse zu verringern. ⓘ

Apollo 6 beim Abwurf des Zwischenstufenrings ⓘ

Bislang konnte die für das Erreichen der Umlaufbahn erforderliche Geschwindigkeit (Delta-v) von keiner einzigen Rakete erreicht werden, da Treibstoff, Tanks, Struktur, Lenkung, Ventile und Triebwerke usw. einen bestimmten Mindestanteil an der Startmasse erfordern, der für den mitgeführten Treibstoff zu groß ist, um diese Delta-v mit angemessenen Nutzlasten zu erreichen. Da eine einzige Stufe bis zum Orbit bisher nicht erreicht werden konnte, haben Orbitalraketen immer mehr als eine Stufe. ⓘ

So konnte beispielsweise die erste Stufe der Saturn V, die das Gewicht der Oberstufen trägt, ein Massenverhältnis von etwa 10 erreichen und einen spezifischen Impuls von 263 Sekunden erzielen. Daraus ergibt sich ein Delta-v von etwa 5,9 km/s, während etwa 9,4 km/s Delta-v erforderlich sind, um die Umlaufbahn unter Berücksichtigung aller Verluste zu erreichen. ⓘ

Dieses Problem wird häufig durch Staging gelöst - die Rakete wirft während des Starts überschüssiges Gewicht ab (in der Regel leere Tanks und zugehörige Triebwerke). Das Staging erfolgt entweder seriell, d. h. die Raketen werden gezündet, nachdem die vorherige Stufe abgefallen ist, oder parallel, d. h. die Raketen brennen zusammen und trennen sich dann, wenn sie ausgebrannt sind. ⓘ

Die Höchstgeschwindigkeiten, die mit Stufen erreicht werden können, sind theoretisch nur durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Die Nutzlast, die befördert werden kann, nimmt jedoch mit jeder zusätzlichen Stufe geometrisch ab, während das zusätzliche Delta-V für jede Stufe einfach additiv ist. ⓘ

Schon früh kam man auf die Idee, unnützes Gewicht von Raketen während des Fluges abzutrennen. ⓘ

Vergleich verschiedener Konfigurationen. Von links nach rechts: Einstufige Rakete, gestapelte Zweistufenrakete, einstufige Rakete mit Boostern, Rakete mit abwerfbaren Außentanks. ⓘ

Fast jede Trägerrakete, die heute im Einsatz ist, verwendet so ein Stufen-System. Das zugrundeliegende Konzept bleibt dabei immer gleich. Durch das Reduzieren der zu beschleunigenden Masse wird die Rakete effizienter. Häufig verwendet und auch kombiniert werden die folgenden Konzepte. ⓘ

• Gestapelte Raketenstufen
• Side-Booster
• Abwerfbare Außentanks ⓘ

Gestapelte Raketenstufen verwenden übereinander gebaute Raketenstufen. Die Stufen tragen dabei jeweils eigene Treibwerke. Es wird zuerst die unterste Stufe gezündet. Nach dem Ausbrennen der Stufe wird sie abgeworfen, und die nächste Stufe gezündet. Das kann beliebig oft kombiniert werden. Prominente Beispiele sind die Saturn (Rakete) und die Falcon 9. ⓘ

Raketen mit Side-Boostern nutzen gleichzeitig brennende Stufen. Es werden an der Seite Treibstofftanks mit eigenen Triebwerken befestigt. Sie liefern zusätzlichen Schub, und werden nach dem Ausbrennen abgeworfen, meist nur wenige Minuten nach dem Start. Beispiele hierfür sind die europäische Ariane 5, die chinesische Langer Marsch (Rakete) und die Falcon Heavy von SpaceX. ⓘ

Aberwerfbare Außentanks werden ähnlich angebracht wie Side-Booster, jedoch sind an ihnen keine Triebwerke angebracht. Sie liefern nicht zusätzlichen Schub, sondern lediglich zusätzlichen Treibstoff, der in den Treiberken der Hauptstufe genutzt wird. Das wohl bekannteste Beispiel dafür ist das Space Shuttle der NASA. ⓘ

Beschleunigung und Verhältnis zwischen Schub und Gewicht

Aus dem zweiten Newtonschen Gesetz ergibt sich die Beschleunigung, $a$eines Fahrzeugs einfach gleich:

$a={\frac {F_{n}}{m}}$

wobei m die momentane Masse des Fahrzeugs ist und $F_{n}$ die Nettokraft ist, die auf die Rakete wirkt (hauptsächlich Schub, aber auch Luftwiderstand und andere Kräfte können eine Rolle spielen). ⓘ

Wenn der verbleibende Treibstoff abnimmt, werden Raketenfahrzeuge leichter und ihre Beschleunigung nimmt tendenziell zu, bis der Treibstoff aufgebraucht ist. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Geschwindigkeitsänderung gegen Ende der Verbrennung erfolgt, wenn das Fahrzeug viel leichter ist. Der Schub kann jedoch gedrosselt werden, um dies bei Bedarf auszugleichen oder zu verändern. Auch beim Ausbrennen der Stufen kommt es zu Diskontinuitäten in der Beschleunigung, die oft mit jeder neuen Stufe mit einer geringeren Beschleunigung beginnt. ⓘ

Die Spitzenbeschleunigung kann durch eine geringere Masse des Fahrzeugs erhöht werden, was in der Regel durch eine Verringerung der Treibstoffmenge, des Tankvolumens und der zugehörigen Strukturen erreicht wird, wodurch sich jedoch Reichweite, Delta-V und Brenndauer verringern. Für einige Anwendungen, für die Raketen eingesetzt werden, ist jedoch eine hohe Spitzenbeschleunigung für eine kurze Zeit sehr wünschenswert. ⓘ

Die minimale Masse des Fahrzeugs besteht aus einem Raketentriebwerk mit minimalem Treibstoff und einer Struktur, die es trägt. In diesem Fall begrenzt das Schub-Gewichts-Verhältnis des Raketentriebwerks die maximale Beschleunigung, die entwickelt werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass Raketentriebwerke im Allgemeinen ein wirklich hervorragendes Verhältnis von Schub zu Gewicht haben (137 für das NK-33-Triebwerk; einige Feststoffraketen haben ein Verhältnis von über 1000), und bei fast allen Fahrzeugen mit hoher Beschleunigung werden oder wurden Raketen eingesetzt. ⓘ

Die hohen Beschleunigungen, die Raketen naturgemäß besitzen, führen dazu, dass Raketenfahrzeuge oft senkrecht starten und in einigen Fällen, bei geeigneter Steuerung und Kontrolle der Triebwerke, auch senkrecht landen können. Für diese Vorgänge müssen die Triebwerke eines Fahrzeugs mehr als die lokale Erdbeschleunigung liefern. ⓘ

Energie

Energie-Effizienz

Space Shuttle Atlantis während der Startphase ⓘ

Die Energiedichte eines typischen Raketentreibstoffs beträgt oft nur etwa ein Drittel derjenigen herkömmlicher Kohlenwasserstofftreibstoffe; der Großteil der Masse besteht aus (oft relativ preiswertem) Oxidationsmittel. Dennoch verfügt die Rakete beim Start über eine große Menge an Energie in Form von Treibstoff und Oxidationsmittel, die in der Rakete gespeichert sind. Es ist natürlich wünschenswert, dass ein möglichst großer Teil der Energie des Treibstoffs als kinetische oder potenzielle Energie in den Raketenkörper gelangt. ⓘ

Die Energie des Treibstoffs geht durch den Luftwiderstand und die Schwerkraft verloren und wird von der Rakete genutzt, um an Höhe und Geschwindigkeit zu gewinnen. Ein Großteil der verlorenen Energie landet jedoch im Auspuff. ⓘ

Bei einem chemischen Antrieb ist der Wirkungsgrad des Motors einfach das Verhältnis zwischen der kinetischen Energie der Abgase und der aus der chemischen Reaktion verfügbaren Energie:

$\eta _{c}={\frac {{\frac {1}{2}}{\dot {m}}v_{e}^{2}}{\eta _{combustion}P_{chem}}}$ ⓘ

Ein Wirkungsgrad von 100 % im Motor (Motorwirkungsgrad $\eta _{c}=100\%$) würde bedeuten, dass die gesamte Wärmeenergie der Verbrennungsprodukte in kinetische Energie des Strahls umgewandelt wird. Dies ist nicht möglich, aber die nahezu adiabatischen Düsen mit hohem Ausdehnungsverhältnis, die bei Raketen verwendet werden können, kommen dem erstaunlich nahe: Wenn die Düse das Gas ausdehnt, wird das Gas gekühlt und beschleunigt, und es kann ein Wirkungsgrad von bis zu 70 % erreicht werden. Der Rest ist Wärmeenergie im Abgas, die nicht zurückgewonnen wird. Der hohe Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tatsache, dass die Verbrennung in der Rakete bei sehr hohen Temperaturen erfolgen kann und das Gas schließlich bei sehr viel niedrigeren Temperaturen freigesetzt wird, so dass sich ein guter Carnot-Wirkungsgrad ergibt. ⓘ

Der Wirkungsgrad des Triebwerks ist jedoch nicht die ganze Geschichte. Wie bei anderen Strahltriebwerken, aber insbesondere bei Raketen aufgrund ihrer hohen und in der Regel festen Auslassgeschwindigkeiten, sind Raketenfahrzeuge unabhängig vom Wirkungsgrad des Triebwerks bei niedrigen Geschwindigkeiten extrem ineffizient. Das Problem besteht darin, dass der Auspuff bei niedrigen Geschwindigkeiten eine große Menge an kinetischer Energie nach hinten abtransportiert. Dieses Phänomen wird als Vortriebseffizienz bezeichnet ($\eta _{p}$). ⓘ

Mit zunehmender Geschwindigkeit sinkt jedoch die resultierende Auspuffgeschwindigkeit, und der energetische Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs nimmt zu, bis er einen Spitzenwert von etwa 100 % des Motorwirkungsgrads erreicht, wenn das Fahrzeug genau mit der gleichen Geschwindigkeit fährt, mit der die Auspuffgase ausgestoßen werden. In diesem Fall würden die Auspuffgase im Idealfall hinter dem fahrenden Fahrzeug zum Stillstand kommen und null Energie mitnehmen, und aufgrund der Energieerhaltung würde die gesamte Energie in das Fahrzeug fließen. Bei noch höheren Geschwindigkeiten nimmt der Wirkungsgrad wieder ab, da die Auspuffgase schließlich vorwärts fahren und hinter dem Fahrzeug zurückbleiben. ⓘ

Darstellung der momentanen Antriebseffizienz (blau) und der Gesamteffizienz einer aus dem Ruhezustand beschleunigenden Rakete (rot) als Prozentsatz der Triebwerkseffizienz

Aus diesen Prinzipien lässt sich ableiten, dass der Antriebswirkungsgrad $\eta _{p}$ für eine Rakete, die sich mit einer Geschwindigkeit $u$ mit einer Ausstoßgeschwindigkeit $c$ ist:

$\eta _{p}={\frac {2{\frac {u}{c}}}{1+({\frac {u}{c}})^{2}}}$ ⓘ

Und der gesamte (momentane) Energiewirkungsgrad $\eta$ ist:

$\eta =\eta _{p}\eta _{c}$ ⓘ

Aus der Gleichung ergibt sich zum Beispiel, dass bei einem $\eta _{c}$ von 0,7 hätte eine Rakete, die mit einer Geschwindigkeit von Mach 0,85 (mit der die meisten Flugzeuge fliegen) und einer Abgasgeschwindigkeit von Mach 10 fliegt, einen prognostizierten Gesamtwirkungsgrad von 5,9 %, während ein herkömmliches, modernes, luftatmendes Strahltriebwerk einen Wirkungsgrad von etwa 35 % erreicht. Eine Rakete bräuchte also etwa 6-mal mehr Energie; und wenn man berücksichtigt, dass die spezifische Energie des Raketentreibstoffs etwa ein Drittel derjenigen von herkömmlichem Lufttreibstoff beträgt, müsste für dieselbe Reise etwa 18-mal mehr Treibstoffmasse mitgeführt werden. Aus diesem Grund werden Raketen in der allgemeinen Luftfahrt selten bis nie eingesetzt. ⓘ

Da die Energie letztlich aus dem Treibstoff stammt, sind Raketen aus diesen Gründen vor allem dann nützlich, wenn eine sehr hohe Geschwindigkeit erforderlich ist, wie z. B. bei Interkontinentalraketen oder beim Start in die Erdumlaufbahn. Das Space Shuttle der NASA beispielsweise feuerte seine Triebwerke etwa 8,5 Minuten lang und verbrauchte dabei 1.000 Tonnen Festtreibstoff (mit 16 % Aluminiumanteil) und zusätzlich 2.000.000 Liter Flüssigtreibstoff (106.261 kg flüssiger Wasserstoff), um das 100.000 kg schwere Fahrzeug (einschließlich der 25.000 kg schweren Nutzlast) auf eine Höhe von 111 km und eine Orbitalgeschwindigkeit von 30.000 km/h zu bringen. In dieser Höhe und bei dieser Geschwindigkeit hatte das Fahrzeug eine kinetische Energie von etwa 3 TJ und eine potenzielle Energie von etwa 200 GJ. Angesichts der Anfangsenergie von 20 TJ war das Space Shuttle beim Start des Orbiters etwa 16 % energieeffizient. ⓘ

Daher sind Strahltriebwerke mit einer besseren Übereinstimmung zwischen Geschwindigkeit und Abgasgeschwindigkeit (wie Turbofans - trotz ihrer schlechteren $\eta _{c}$) für den Unter- und Überschallbetrieb in der Atmosphäre dominieren, während Raketen am besten bei Hyperschallgeschwindigkeiten funktionieren. Andererseits werden Raketen für viele militärische Kurzstreckenanwendungen mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten eingesetzt, bei denen ihre Ineffizienz bei niedrigen Geschwindigkeiten durch ihren extrem hohen Schub und die damit verbundenen hohen Beschleunigungen aufgewogen wird. ⓘ

Oberth-Effekt

Ein subtiles Merkmal von Raketen betrifft die Energie. Eine Raketenstufe ist in der Lage, bei einer bestimmten Last ein bestimmtes Delta-v zu erreichen. Dieses Delta-v bedeutet, dass die Geschwindigkeit um einen bestimmten Betrag zunimmt (oder abnimmt), unabhängig von der Ausgangsgeschwindigkeit. Da die kinetische Energie jedoch quadratisch von der Geschwindigkeit abhängt, bedeutet dies, dass die Rakete umso mehr Orbitalenergie gewinnt oder verliert, je schneller sie vor der Zündung unterwegs ist. ⓘ

Diese Tatsache wird bei interplanetaren Reisen genutzt. Das bedeutet, dass der Delta-V-Betrag, der erforderlich ist, um andere Planeten zu erreichen, viel geringer sein kann als derjenige, der erforderlich ist, um die Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen, wenn der Delta-V-Betrag aufgebracht wird, wenn die Rakete mit hoher Geschwindigkeit in der Nähe der Erde oder einer anderen Planetenoberfläche unterwegs ist; wohingegen das Warten, bis die Rakete in der Höhe abgebremst hat, den Aufwand vervielfacht, der erforderlich ist, um die gewünschte Flugbahn zu erreichen. ⓘ

Sicherheit, Zuverlässigkeit und Unfälle

Das Space Shuttle Challenger wurde T+73 Sekunden auseinandergerissen, nachdem heiße Gase aus den SRBs entwichen waren, was zum Auseinanderbrechen des Shuttle-Stapels führte ⓘ

Die Zuverlässigkeit von Raketen hängt, wie bei allen physikalischen Systemen, von der Qualität der technischen Planung und Konstruktion ab. ⓘ

Aufgrund der enormen chemischen Energie der Raketentreibstoffe (im Verhältnis zum Gewicht mehr Energie als Sprengstoff, aber weniger als Benzin) können die Folgen von Unfällen schwerwiegend sein. Bei den meisten Weltraummissionen gibt es Probleme. 1986, nach der Challenger-Katastrophe, schätzte der amerikanische Physiker Richard Feynman, der der Rogers-Kommission angehörte, die Wahrscheinlichkeit eines unsicheren Zustands bei einem Shuttle-Start auf etwa 1 %; in jüngerer Zeit wurde das historische Pro-Person-Flug-Risiko in der orbitalen Raumfahrt auf etwa 2 % oder 4 % geschätzt. ⓘ

Im Mai 2003 hat das Astronautenbüro seinen Standpunkt zur Notwendigkeit und Durchführbarkeit einer Verbesserung der Sicherheit der Besatzung bei künftigen NASA-Missionen mit Besatzung deutlich gemacht und darauf hingewiesen, dass man sich einig ist, dass eine Verringerung des Risikos für Menschenleben während des Aufstiegs im Vergleich zum Space Shuttle mit der derzeitigen Technologie erreichbar ist und im Einklang mit dem Bestreben der NASA steht, die Zuverlässigkeit von Raketen ständig zu verbessern. ⓘ

Kosten und Wirtschaftlichkeit

Die Kosten von Raketen lassen sich grob in die Kosten für den Treibstoff, die Kosten für die Beschaffung und/oder Herstellung der "Trockenmasse" der Rakete und die Kosten für alle erforderlichen Hilfsmittel und Einrichtungen unterteilen. ⓘ

Der größte Teil der Startmasse einer Rakete besteht normalerweise aus Treibstoff. Treibstoff ist jedoch selten mehr als ein paar Mal teurer als Benzin pro Kilogramm (2009 kostete Benzin etwa $1/kg [$0.45/lb] oder weniger), und obwohl erhebliche Mengen benötigt werden, sind die Treibstoffkosten für alle Raketen außer den billigsten vergleichsweise gering, wenn auch nicht völlig vernachlässigbar. Bei einem Flüssigsauerstoffpreis von 0,15 $ pro Kilogramm und einem Flüssigwasserstoffpreis von 2,20 $/kg hatte das Space Shuttle im Jahr 2009 Flüssigtreibstoffkosten von etwa 1,4 Mio. $ pro Start, die sich auf 450 Mio. $ aus anderen Ausgaben beliefen (wobei 40 % der Masse der verwendeten Treibstoffe auf Flüssigkeiten im externen Treibstofftank und 60 % auf Feststoffe in den SRBs entfielen). ⓘ

Auch wenn die trockene Masse einer Rakete, die nicht aus Treibstoff besteht, oft nur 5-20 % der Gesamtmasse ausmacht, sind diese Kosten dennoch dominierend. Für Hardware mit der Leistung, wie sie in orbitalen Trägerraketen verwendet wird, sind Kosten von $2000-$10.000+ pro Kilogramm Trockenmasse üblich, die hauptsächlich aus der Entwicklung, Herstellung und Erprobung stammen; Rohstoffe machen in der Regel etwa 2% der Gesamtkosten aus. Bei den meisten Raketen mit Ausnahme der wiederverwendbaren (Shuttle-Triebwerke) müssen die Triebwerke nicht länger als ein paar Minuten laufen, was die Konstruktion vereinfacht. ⓘ

Die extremen Leistungsanforderungen für Raketen, die eine Umlaufbahn erreichen sollen, sind mit hohen Kosten verbunden, einschließlich intensiver Qualitätskontrollen, um die Zuverlässigkeit trotz der aus Gewichtsgründen zulässigen begrenzten Sicherheitsfaktoren zu gewährleisten. Komponenten, die in kleinen Stückzahlen produziert und nicht einzeln bearbeitet werden, können eine Amortisation der F&E- und Anlagenkosten über die Massenproduktion in dem Maße verhindern, wie es bei der herkömmlichen Fertigung der Fall ist. Bei flüssigkeitsbetriebenen Raketen kann die Komplexität dadurch beeinflusst werden, wie leicht die Hardware sein muss. So können druckgespeiste Triebwerke zwei Größenordnungen weniger Teile haben als pumpengespeiste Triebwerke, führen aber zu mehr Gewicht, da ein höherer Tankdruck erforderlich ist, der meist nur bei kleinen Manövriertriebwerken zum Einsatz kommt. ⓘ

Um die oben genannten Faktoren für orbitale Trägerraketen zu ändern, wurden u. a. folgende Methoden vorgeschlagen: Massenproduktion einfacher Raketen in großen Mengen oder in großem Maßstab, Entwicklung wiederverwendbarer Raketen, die sehr häufig fliegen sollen, damit sich ihre Anschaffungskosten über viele Nutzlasten amortisieren, oder Verringerung der Anforderungen an die Raketenleistung durch den Bau eines raketenlosen Raumtransportsystems für einen Teil der Geschwindigkeit in die Umlaufbahn (oder für den gesamten Weg, wobei die meisten Methoden einen gewissen Raketeneinsatz erfordern). ⓘ

Die Kosten für Unterstützungsausrüstung, Schießplatzkosten und Startrampen steigen im Allgemeinen mit der Größe der Rakete, variieren aber weniger mit der Startrate und können daher als annähernd feste Kosten angesehen werden. ⓘ

Raketen für andere Anwendungen als den Start in die Erdumlaufbahn (z. B. Militärraketen und raketengestützte Starts), für die in der Regel keine vergleichbare Leistung erforderlich ist und die manchmal in Massenproduktion hergestellt werden, sind oft relativ preiswert. ⓘ

Aufkommender privater Wettbewerb in den 2010er Jahren

Seit Anfang der 2010er Jahre sind neue private Optionen für die Erbringung von Raumfahrtdienstleistungen entstanden, die einen erheblichen Preisdruck auf den bestehenden Markt ausüben. ⓘ

Aufbau

Jede Rakete besteht aus den folgenden Baugruppen:

• Triebwerk (Raketentriebwerk bestehend aus Brennkammer, Düsen (z. B. Aerospike-Düse), Pumpensystem und Kühlung bei Flüssigtriebwerken, bzw. Festtreibstoff bei Feststoffraketen)
• Stabilisierungs- und/oder Steuereinheit
• Nutzlast (Sprengkopf, Satellit, Mannschaft, Rückkehrmodul usw.) ⓘ

Die Baugruppen werden durch die Hülle zusammengehalten. Dabei können einzelne Baugruppen auch mehrfach vorkommen (Mehrstufenrakete). ⓘ

Triebwerk

Für eigenstartfähige Flugkörper werden in der Regel chemische Raketentriebwerke verwendet, wobei man zwischen Flüssigkeits- und Feststoff-Triebwerken unterscheidet. ⓘ

Der Begriff Rakete ist allerdings nicht auf Funktionsprinzipien beschränkt, die auf der Verbrennung von Treibstoffen beruhen. Im Bereich sehr kleiner Raketen kann die Stützmasse auch aus einfachem Wasser bestehen, das mit Hilfe komprimierter Luft nach hinten ausgestoßen wird. Man spricht dann von einer Wasserrakete. ⓘ

Bereits erprobte Nukleartriebwerke wurden bisher aus Sicherheits- und Umweltschutzgründen nicht eingesetzt. Elektrische Raketentriebwerke werden nur für bereits gestartete Raumsonden und Satelliten verwendet, da ihre geringen Schubkräfte zur Überwindung der irdischen Schwerkraft unzureichend und nur im Weltraum effektiv sind (Ionenantrieb). ⓘ

Steuer- und Lenkeinrichtungen

Wie alle Flugkörper braucht die Rakete Steuerelemente, welche die Rakete auf Kurs bringen und halten. Auch müssen diese Einheiten die Fluglage stabil halten. Für den Flug in der Erdatmosphäre besitzen Raketen sogenannte „Finnen“ oder „Flossen“. Sie nutzen den auftretenden Luftstrom während des Fluges, vergleichbar mit der Funktion eines Leitwerks bei einem Flugzeug, und halten die Rakete gerade zur Flugrichtung, um ein Abdriften zu verhindern. Die Rakete kann auch mit den Finnen gesteuert werden; diese Art der Steuerung ist nur innerhalb der Erdatmosphäre möglich. ⓘ

Der größte Teil aller Raketen wird durch direktes Schwenken des Triebwerks oder eingebaute Strahlruder gesteuert. Hierbei wird der Gasstrom des Triebwerkes so gelenkt, dass sich die Rakete in die gewünschte Richtung schiebt; dieses Steuersystem arbeitet unabhängig von der Umgebung. ⓘ

Für eine präzise Steuerung im Weltraum sind Steuerdüsen (Reaction Control System, RCS) nötig. Diese sind oft sehr klein und erzeugen nur geringe Schübe. Mit ihnen kann die Rakete in jede Richtung gesteuert werden. ⓘ

Ungelenkte Raketen

Ungelenkte Raketen werden durch den Startwinkel ausgerichtet und während des Fluges lediglich aerodynamisch oder durch Eigenrotation stabilisiert. Beispiele hierfür sind Feuerwerksraketen, Modellraketen, Schiffsrettungsraketen, kleinere Höhenforschungsraketen (beispielsweise MMR06-M), zahlreiche militärische Raketen kürzerer Reichweite (zum Beispiel Katjuscha), einfache Boden-Boden-/Boden-Luft-Raketen oder Geschosse von Raketenpistolen und Raketengeschützen. ⓘ

Die Stabilisierung kann erfolgen durch:

• Drallstabilisation. Dabei wird die Rakete in Drehung um die Längsachse versetzt. Das Prinzip ist wie beim Kreisel, der sich durch die Drehbewegung in seiner Lage stabilisiert.
• Leitwerke, welche ggf. auch Drall erzeugen können. Die Leitwerke befinden sich meist am hinteren Ende der Rakete, jedoch immer hinter ihrem Schwerpunkt. Sie bewirken eine aerodynamische Stabilisierung. Bei einer eventuellen Abweichung von der vorgesehenen Flugbahn entsteht an den Leitwerken ein Staudruck, der die Rakete wieder ausrichtet.
• Einen Stabilisierungsstab, wie z. B. bei Feuerwerksraketen. Durch die Länge des Stabes besitzt er ein großes Trägheitsmoment, wodurch ein Herausdrehen aus der vorgesehenen Flugbahn erschwert wird. Bei großen Geschwindigkeiten wirkt der Stab außerdem wie ein Leitwerk. Das Absenken des Schwerpunktes ist hier nicht entscheidend, da – im Unterschied zu einem aufgehängten Pendel – die Schwerkraft bei einer Rakete kein Drehmoment erzeugt. ⓘ

Gelenkte Raketen

Gelenkte Raketen unterliegen während des Fluges einer Kursüberwachung und haben die Möglichkeit, den Kurs zu korrigieren. Dabei kann die Kurskorrektur autonom oder durch eine Leitstation erfolgen. ⓘ

Die Kurskorrektur wird meist durch ein die Raumlage überwachendes Kreiselsystem eingeleitet, auch inertiales Navigationssystem genannt. Es wird heute zum Beispiel durch GPS-Steuerung ergänzt. Dies kann durch folgende Steuerglieder erfolgen:

• Leitwerke wirken auf die umgebende Luft und können damit bei Flügen in der Atmosphäre auch nach Brennschluss genutzt werden.
• Strahlruder wirken direkt im ausgestoßenen Gasstrom.
• Schwenkbare Expansionsdüsen, oder gas-dynamic-steering.
• Steuertriebwerke, die seitlich der Längsachse wirken. ⓘ

Im militärischen Bereich werden gelenkte Raketen als Flugkörper bezeichnet. ⓘ

Beispiele hierfür sind militärische Raketen größerer Reichweite (die erste in Serie gebaute ballistische und gesteuerte Rakete war die A4 von 1944), außerdem Flugabwehrraketen und Panzerabwehrraketen, größere Höhenforschungsraketen und Trägerraketen für Satellitenstarts. ⓘ

Träger- und Höhenforschungsraketen

• USA: Aerobee, Vanguard, Thor, Atlas, Redstone, Saturn, Scout, Titan, Delta, Pegasus, Space Shuttle, Falcon 1, Falcon 9, Falcon Heavy, Booster von Trägerraketen, Ares I, Ares V
• Russland/Sowjetunion/GUS: MMR06, R-7, Sojus, N1, Zyklon, Zenit, Kosmos, Proton, Energija, Angara, Wolna
• Europa: Ariane 1–3, Ariane 4, Ariane 5, Cirrus, Meteor, Europa, Vega, Monica, Zenit (Schweizer Höhenforschungsrakete)
• Frankreich: Diamant
• Großbritannien: Blue Streak, Black Knight, Black Arrow, Skylark
• Volksrepublik China: Chang Zheng (Langer Marsch), Feng Bao
• Nordkorea: Taepodong-1, Taepodong-2
• Japan: Mu-Serie, N-Serie, Kappa- oder J-Serie, H-I, H-II
• Indien: SLV, ASLV, PSLV, GSLV
• Pakistan: Hatf V (Ghauri), Shaheen I und II
• Israel: Shavit
• Brasilien: VLS-1
• Ukraine: Dnepr
• Private Raumfahrt (Private Unternehmen): Falcon 1, Falcon 9, Falcon Heavy, Electron (Rakete) ⓘ

Raketenunfälle

Obwohl sich bei der Entwicklung und Erprobung von Raketen viele Explosionen ereigneten, gab es nur wenige Raketenunfälle mit Personenschaden, da im Regelfall sehr strenge Sicherheitsmaßnahmen angewandt wurden. ⓘ

Tödliche Raketenunfälle mit Opfern am Boden

Datum	Unglücksort	Anzahl der Todesopfer	Art des Unglücks ⓘ
17. Mai 1930	Berlin, Deutsches Reich	1	Max Valier stirbt bei Brennkammerexplosion
10. Oktober 1933	Bohmte, Deutsches Reich	3	Explosion in der Werkstatt von Reinhold Tiling
16. Juli 1934	Kummersdorf, Deutsches Reich	3	Triebwerksexplosion bei Bodentest
1944?	Tucheler Heide, Deutsches Reich	?	Bei einem Versuchsstart stürzt eine A4-Rakete in einen Schützengraben, in dem sich mehrere Personen befinden – mehrere Tote.
28. August 1944	KZ-Nebenlager Redl-Zipf, Deutsches Reich	24	Explosion eines A4-Versuchstriebwerks auf dem Raketenprüfstand „Schlier“. Unter den Toten ist die Raketentechnikerin Ilse Oberth, Tochter Hermann Oberths.
24. Oktober 1960	Baikonur, Kasachische SSR	über 126	Explosion einer R-16 auf der Startrampe (siehe Nedelin-Katastrophe)
14. April 1964	Cape Canaveral, USA	3	Rakete zündet im Montageraum.
7. Mai 1964	Braunlage, Deutschland	3	Bei der Vorführung von Postraketen von Gerhard Zucker explodiert eine Rakete kurz nach dem Start, Trümmer treffen Menschen in der Zuschauermenge.
14. Dezember 1966	Baikonur, Kasachische SSR	1 (?)	Fehlstart eines unbemannten Sojus-Raumschiffes. Der Rettungsturm setzt die Rakete in Brand, die daraufhin explodiert. Siehe Kosmos 133.
27. Januar 1967	Cape Canaveral, USA	3	In der-Kommandokapsel Apollo 1 bricht während einer Startsimulation Feuer aus. Die drei Astronauten Virgil Grissom, Edward H. White und Roger B. Chaffee sterben.
29. Juli 1967	Golf von Tonkin	134	Von einem auf dem Flugdeck des US-Flugzeugträgers USS Forrestal abgestellten Flugzeug wird versehentlich eine Rakete gestartet, trifft eine andere Maschine und führt zu einer Kettenreaktion aus auslaufendem Treibstoff und explodierender Munition. Siehe Forrestal-Katastrophe.
14. Juli 1968	Baikonur, Kasachische SSR	1	Bei den Startvorbereitungen einer Zond-Mondsonde platzt auf der Rampe einer der Raketentanks, wodurch Rakete und Startturm beschädigt werden. Es dauerte zwei Wochen, bis die explosionsgefährdeten Trümmer aus dem Startturm geborgen werden konnte.
26. Juni 1973	Plessezk, RSFSR	9	Explosion einer Kosmos-3M auf der Startrampe
18. März 1980	Plessezk, RSFSR	48	Explosion einer Wostok-2M auf der Startrampe
14. Februar 1996	Xichang, Volksrepublik China	6	Absturz einer CZ-3B-Rakete kurz nach dem Start in ein nahegelegenes Dorf.
15. Oktober 2002	Plessezk, Russland	1	Explosion beim Start einer Sojus-Rakete
22. August 2003	Alcântara, Brasilien	21	Explosion einer VLS-1-Rakete auf der Startrampe

Tödliche Raketenunfälle bei bemannten Flügen und der Raumfahrt

Datum	Fluggerät	Anzahl der Todesopfer	Art des Unglücks ⓘ
1. März 1945	Bachem Ba 349 Natter	1	Absturz nach Start. Erster bemannter Raketenflug überhaupt. Pilot: OLT Lothar Sieber. Eine Starthilfsrakete konnte nicht abgeworfen werden, was bei dem anschließenden Manöver das Auslösen des Bremsschirms verhinderte.
24. April 1967	Sojus 1	1	Bei der Landung versagen sowohl der Haupt- als auch der Reserveschirm des schon vorher mit Problemen kämpfenden Raumschiffs. Der Kosmonaut Wladimir Komarow stirbt beim Aufprall.
29. Juni 1971	Sojus 11	3	Ersticken der Kosmonauten. Vor der Landung öffnet sich im All ein Ventil, so dass die Luft aus der Kapsel entweicht.
28. Januar 1986	STS-51-L (Challenger)	7	Explosion kurz nach dem Start. Aus einer undichten Starthilfsrakete austretende Abgase verursachen die Explosion des Haupttreibstofftanks.
1. Februar 2003	STS-107 (Columbia)	7	Beim Eintritt in die Erdatmosphäre bricht der Shuttle auseinander. Ursache war ein beim Start durch abfallende Isolationsteile des Außentanks verursachter Defekt im Hitzeschutzmantel des Shuttles.

Physikalische Grundlagen

Obgleich es sehr unterschiedliche technische Realisierungen von Raketen gibt, beruhen alle auf der Übertragung von Impuls von entgegen der gewünschten Richtung der Beschleunigung der Rakete ausgeworfener Masse. ⓘ

Den Zusammenhang zwischen der Masse der Rakete und der des Antriebsstoffs beschreibt die Raketengrundgleichung. Sie folgt aus der Newtonschen Mechanik und wurde 1903 von dem russischen Physiker Konstantin Ziolkowski erstmals aufgestellt. ⓘ