Feststoffrakéitendreifwierk

Start vun enger Scout-Feststoffrakéit

E Feststoffrakéitendreifwierk oder och Feststoffrakéitenundriff ass e Rakéitendreifwierk mat engem Undriffsaz aus festem Material. Souwuel reduzéierend wéi och oxidéierend Komponente ginn als fest Stoffer gebonne matgefouert. Am Géigesaz dozou gëtt et d'Flëssegkeetsrakéit, bei där souwuel den Oxidater wéi och den Dreifstoff a flësseger Form matgefouert, gemëscht souwéi verbrannt gëtt. D'Kombinatioun aus béiden Typpen nennt een Hybridrakéit.

Déi eelst Rakéitentyppe sinn feststoffbaséiert. Et goufe laang iwwerhaapt nëmme Feststoffrakéite gebaut.

Geschicht

Fréien Asaz

Test vun der Apollo-Rettungsrakéit

Déi eelste Rakéite waren Feststoffrakéiten. Si goufe warscheinlech vun de Byzantiner am 7. Joerhonnert gebaut, bestoungen aus Bambus als Rakéitekierper an enger Mëschung aus Salpéiter a Schwiefel als Dreifstoff.

Eventuell onofhängeg dovu goufe vun de Chineesen am 13. Joerhonnert Rakéiten entwéckelt, déi mat Schwaarzpolver ugedriwwe goufen. Do goufe s'ënner anerem och fir militäresch Zwecker benotzt. An Europa goufe se méi spéit bekannt, hir Haaptbedeitung hate se do awer am Ufank nëmmen als Feierwierkskierper.

De britteschen Offizéier William Congreve hat Ufank vum 19. Joerhonnert eng Rakéit fir de militäresche Gebrauch entwéckelt. Duerch de Fortschrëtt bei der Artillerie koum d'Rakéit awer éischter an d'Vergiessen. Eréischt um Enn vum 19. Joerhonnert gouf nees verstäerkt op dësem Beräich gefuerscht an entwéckelt.

Als éischten erfollegräiche Start vun enger Feststoffrakéit an Europa gëtt e Rakéitentest (1931) vum Karl Poggensee an Reinhold Tiling genannt.

Modernen Asaz

Feststoffrakéite ginn haut ënnerschiddlch benotzt, souwuel fir militäresch wéi och zivil Zwecker wéi d'Loft- a Raumfaart. Si ginn wéinst hirem klengem Präis besonnesch bei Starthëllef fir Rakéiten ("Booster") a Fliger (RATO) souwéi a klengen Uewerstufenundriffer agesat. Ausserdeem gi si wéinst hirer héijer Maximalacceleratioun als Rettungsrakéit benotzt, fir bemannte Raumschëffer méi séier aus dem Geforeberäich vun enger versoender Drorakéit ze bréngen.

Als Oxidater gëtt zum Beispill bei APCP Ammoniumperchlorat (NH₄ClO₄) agesat, dat beim Zerfall vun zwou Moleküllen z. B. 4 H₂O + N₂ + 2 O₂ + Cl₂ ergëtt (et entsteet an der Praxis och HCl). Sauerstoff a Chlor reagéiere mat Aluminium zu Al₂O₃ an AlCl₃ souwéi engem polymere Bënner Kuelewaasserstoff (Konschtstoff) zu H₂O an CO₂, woubäi nach eng Kéier Energie fräi gëtt. De Massenundeel vum Aluminium ass bis zu 30 Prozent.

Duerch hiren einfachen Opbau kënne Feststoffrakéiten och a ganz klenger Gréisst benotzt ginn, sou zum Beispill als Klengstrakéiten fir Feierwierkskierper, Signalrakéit oder als speziell Rakéitengeschoss fir den Handwaffengebrauch. Hei kommen éischter einfach Dreifmëittel wéi Schwaarzpolver zum Asaz.

Ausbléck

An Zukunft gëtt geplangt, dat héicht Eidelgewiicht vu grousse Feststoffrakéiten erof ze setzen, andeem Stol duerch kuelefaserverstärkt Konschtstoffer ersat gëtt. Doduerch kéint d'Eidelmass vu grousse Feststoffrakéiten drastësch erof gesat ginn. Berechnungen hunn erginn, datt een aleng duerch dës Verbesserung vum Voll- zu Eidelmassenverhältnes d'Notzlaascht vun der Ariane 5 mam Zil Geostationär Transferbunn ëm 2 t hiewe kënnt.

Dës liicht Wierkstoffer kéinten och reng Feststoffrakéiten erméiglechen, déi grouss Satellitte wirtschaftlech an äerdno Ëmlafbunnen transportéieren.

Bewäertung

Virdeeler

Feststoffrakéite kommen – gesäit ee vum Gebrauch mat schwenkbaren Düsen of – ganz ouni beweeglech Deeler oder zousätzlech Virriichtunge fir Brennstoffpompelen oder Leitungen aus, wat eng technesch Mindestmass géif virginn. Och enthale si hiren Dreifstoff zu jiddwer Zäit, sou datt Lager- a Betankungsariichtungen net gebraucht ginn. Dat erliichtert beispillsweis d'Uwendung fir meteorologesch oder buedemgebonne wëssenschaftlech Zwecker; fir militäresche Gebrauch kënne si vereenzelt a grousser Stéckzuel a Magazine reservéiert oder matgefouert ginn a sinn a kuerzer Zäit asazbereet.

Den Dreifstoff selwer ass fest an doduerch méi einfach ze gebrauche wéi flësseg oder gasfërmeg Dreifstoffer: Hie kann an dëser Form weeder entwäichen a sou méiglecherweis gesondheets- resp. ëmweltschiedlech wierken, nach mat Rouer- oder Behälterwänn cheemesch reagéieren. Och Instabilitéiten duerch schwappend Flëssegdreifstoff (Pogoeffet) falen beim Festdreifstoff ewech. Duerch d'Form vum Dreifsaz kann déi sougenannt Ofbrandcharakteristik, also d'Schubentwécklung iwwer d'Brenndauer gesinn an d'Brenndauer selwer ganz einfach beaflosst ginn. Sou sinn och Schubkräften denkbar, déi méi grouss wéi déi vu Flëssegdreifwierker sinn. Niewebäi bréngen déi meescht Dreifsazforme et mat sech, datt sech de Schwéierpunkt vun der Rakéit wärend dem Ofbrand verhältnesméisseg wéineg ännert, wat wichteg fir d'Fluchstabilitéit ass.

Duerch dës Virdeeler sinn Feststoffrakéite verléisslech am Gebrauch, leeschtungsstaark a präiswäert z'entwéckelen, ze bauen, ze flegen an ze gebrauchen.

Nodeeler

Well Feststoffrakéiten hiren explosiven Dreifstoff ëmmer enthalen, geet vun hinnen och permanent eng méi héich Gefor aus. Si sinn och doduerch méi schwéier wéi vergläichbar grouss Flëssegdreifstoffrakéiten, déi eidel transportéiert an eréischt bei Gebrauch betankt kënne ginn.

D'Verbrennungsprodukter vu Feststoffrakéite gi meeschtens mat enger niddreger Vitess ausgestouss wéi d'Verbrennungsprodukter vu Flëssegdreifstoffrakéiten. Well sech de Schub no der Formel

${\text{Schubkraaft}}={\frac {\text{Dreifstoffmass}}{\text{Zäit}}}\cdot {\text{Ausstréimvitess}}$

berechent, muss hire Virdeel vun der héijer Schubkraaft duerchen héije Verbrauch un Dreifstoff erkaf ginn. Dat bedéngt déi géigeniwwer Flëssegkeetsrakéite kuerz Brenndauer. Eng Schubreegelung wärend dem Ofbrand ass net méiglech. Nëmme bei der Hierstellung vum Booster kann, eventuell duerch d'Befëlle verschiddener Segmente mat ënnerschiddlech reaktiven Dreifstoffmëschungen oder duerch d'Formgiewung vum Dreifstoff (kuckt ënnen), d'Schubprofil iwwer d'Brenndauer beaflosst ginn.

De ganzen Interieur vun enger Feststoffrakéit ass zugläich hir Brennkummer. Bei der Verbrennung vum Dreifstoff trieden héich Dréck an Temperaturen op. Dofir mussen d'Wänn aus relativ massivem Material bestoen. Well mat klammender Gréisst vun der Rakéit d'Belaaschtung vun der Brennkummermauer bei gläichem bannenzegem Drock ëmmer méi zouhëlt, mussen d'Wänn ëmmer méi déck an domat méi schwéier ginn. Sou klëmmt d'Eidelrmass vun enger Feststoffrakéit am Verglach zu der Gesamtmass mat zouhuelender Gréisst ëmmer weider un, wärend si bei Flëssegdreifstoffrakéiten ëmmer weider fält. Hir technesch Héichstmass läit dofir ënner den anere Rakéitentyppen.

Feststoffrakéite sinn dacks méi ëmweltschiedlech wéi aner Bautyppen. Bei der Verbrennung vum Dreifstoff entstinn jee no Befëllung z. B. Chlor, Chlorwaasserstoff, Schwiefelverbindungen oder aner toxesch Stoffer. Am Fall vun enegem Ariane 5-Start mat EAP P238-Festdreifstoffmotoren ergëtt sech eng Festdreifstofftotalmass vu 476 Tonnen. Bei engem Feststoffundeel vun 86 Gew.-% resp. 68 Gew.-% Ammoniumperchlorat (kuckt Ariane 5 Technik) am Festdreifstoff ergëtt sech eng Totalmass vun 324 Tonnen an Ammoniumperchlorat. Beim Start vun enger Ariane 5 entstinn esou 100 Tonnen Chlorwaasserstoff. Chlorwaasserstoff reagéiert nofollgend mat Waasser zu Salzsaier (270 Tonne bei 37-prozenteger Saier).

Brennstoffgeometrie a Schubkraaftverlaf

Am einfachste Fall, wéi z. B. bei Feierwierksrakéiten, ass dat ganzt Bannenzegt vun der Feststoffrakéit mat deem Dreifstoff befëllt. Dëse brennt vun hannen no vir gläichméisseg of. Bei nëmme kuerzer Brenndauer ass dat onproblematesch; bei méi laanger Brenndauer féiert et awer zu enger ganz héijer thermescher Belaaschtung vum hënneschten, "schonn eidelen" Deel vun der Rakéit, duerch deen déi gliddeg Verbrennungsgase stréimen.

Fir dat ze verhënneren, gëtt de Brennstoff zu engem huele Rouer geformt, dee vu bannen no baussen ofbrennt. Dobäi wierkt dee nach disponibele Rakéitendreifstoff als Wiermisolater a séchert sou d'Rakéitenhüll virun Iwwerhëtzung. Mat zouhuelender Vergréisserung vum Huelraum klëmmt allerdéngs och de Schub vum Dreifwierk, well dëse bal proportional zu der Uewerfläch vum ofbrennenden Dreifstoff ass. Bei Rakéiten ass dogéint meeschtens schonn an der Startphas de Schubgebrauch am héchsten, well de Fluchkierper do am schwéiersten ass an eréischt nach acceleréiert muss ginn.

Duerch eng gëeegent Form vum Querschnëtt vum Brennstoffrouer kann de Schubverlaf awer sou beaflosst ginn, datt hien den Erfuerdernesser entsprécht. Sou kann den Huelraum ongeféier stärefërmeg ausgebilt ginn. Bei der Zündung ass d'Uewerfläch vum brennenden Dreifstoff dann am gréissten. Nom Ewechbrenne vun de Brennstoffzacken ass de Querschnëtt bal kreesfërmeg an d'Brennstoffuewerfläch souwéi de Schub sinn domat manner.

Kuckt och

Portal Astronomie

• Flëssegkeetsrakéitendreifwierk

Literatur

• George Paul Sutton: Rocket Propulsion Elements. Wiley-Interscience, New York 2000. ISBN 0-471-32642-9
• Willfried Ley, Klaus Wittmann, Willi Hallmann (Hrsg.): Handbuch der Raumfahrttechnik. Carl Hanser, München 2008. ISBN 3-446-41185-2

Um Spaweck

• Bernd Leitenberger: Feststoffdreifwierker
• Robert A. Braeunig: Rocket Propulsion