Rückstoßantrieb
Raumfahrt
Definition
Als Rückstoß bezeichnet man eine Kraft, die auf einen Körper wirkt, wenn von diesem Körper eine Masse weggeschleudert oder abgeschossen wird. Das ist hier für Raketen und andere Raumfahrzeuge erklärt.
Rückstoß über Druckunterschiede
Ein Flugzeug oder eine Rakete hat eine Brennkammer, die zu einer Seite hin zur Außenwelt geöffnet ist. Wird Treibstoff in der Brennkammer gezündet, erzeugt es aufgrund der großen Hitze einen Druck auf allen Innenflächen der Brennkammer. Das heiße Gas drückt sozusagen von innen auf jeder der Flächen. Dort wo das Gas auf zwei genau entgegengesetzte Fläche drückt, gleicht sich die Wirkung aus. Wäre die Brennkammer rundum geschlossen wäre der Effekt wie bei einem geschlossenen Schnellkochtopf: man hat innen einen enorm hohen Druck, aber nach außen findet keine Bewegung statt. Der springende Punkt ist die Öffnung: an der gegenüberliegenden Seite drückt das Gas stark auf die Innenwand, an der Seite der Öffnung aber nicht. Damit ergibt sich ein resultierenden netto-Druck in die Richtung entgegengesetzt zur Öffnung. Dieser resultierende Druck ist dann der Druck, der die Rakete oder Flugzeug nach vorne antreibt. Eine typische Bauweise für Flugzeuge ist das Turbinen-Strahltriebwerk ↗
Rückstoß über Impulsgesetze
Eine zweite Sicht, die aber zu demselben Ergebnis führt, geht über die Physik des Stoßes. Das Triebwerk stößt zu einer Seite hin Masseteilchen von sich weg. Da der Gesamtimpuls erhalten bleiben muss, muss jedem Impulsgewinn eines Gasteilchens in die eine Richtung ein gleich großer aber entgegengesetzt wirkender Impulsgewinn in die andere Richtung gegenüberstehen. Mehr zur Physik dazu unter Stoßgesetze ↗
Wozu ist die Düsenform wichtig?
Die Düse wandelt die im Druck enthaltene Energie im inneren des Triebwerkes in Bewegungsenergie am Ende um. Dabei ist es von Vorteil, wenn alle Gasteilchen das Triebwerk parallel in derselben Richtung zueinander verlassen, und nicht etwa in verschiedene Richtungen. Stellt man sich eine kugelförmige Brennkammer mit einem großen kreisrunden Loch als Austritt vor, so leuchtet es ein, dass die Gasteilchen die Brennkammer in viele verschiedene Richtungen verlassen würden. Dabei würde sich ihr Rückstoß gegenseitig ausgleichen. Der Antrieb wäre kaum effektiv. Um die optimale Düsenform zu finden müssen neben theoretischen Betrachtungen immer auch praktische Versuche durchgeführt werden. Siehe auch Düse ↗
Rechenbeispiel Mondrakete
Ein Triebwerk der Saturn V Rakete (erster bemannter Mondflug) entwickelte eine Schubkraft von 6770 Kilonewton oder rund 6,8 Meganewton. Anhand von Aufnahmen und Skizzen wird der Durchmesser der Brennkammer auf rund einen Meter geschätzt, was einer Querschnittsfläche von rund 0,75 Quadratmetern entspricht (Kreisflächenformel). Wenn dieser Wert auch der Größe des Austrittsloches der Brennkammer entspricht, müsste der Druck in der Brennkammer (Kraft pro Fläche) multipliziert mit dieser Fläche näherungsweise die Schubkraft ergeben. Der Druck in der Brennkammer wurde mit rund 7,0 Megapascal angegeben: 0,75 m² mal 7·10⁶ N/m² gibt rund 5 Meganewton. Das liegt sehr gut in der tatsächlichen Größenordnung, die Abweichung kann über den Fehler in der Abschätzung der Brennkammeröffnung erklärt werden. Siehe auch F-1 Raketentriebwerk ↗
