Feststoffraketentriebwerk

Start einer Scout-Feststoffrakete

Ein Feststoffraketentriebwerk (auch Feststoffrakete) ist ein Raketentriebwerk mit einem Antriebssatz aus festem Material. Sowohl reduzierende als auch oxidierende Komponenten werden als feste Stoffe gebunden mitgeführt. Im Gegensatz dazu gibt es die Flüssigkeitsrakete, bei der sowohl der Oxidator als auch der reduzierende Treibstoff in flüssiger Form mitgeführt, gemischt sowie verbrannt werden. Die Kombination aus beiden Typen nennt man Hybridrakete.

Die historisch ältesten Raketentypen sind feststoffbasiert. Es wurden lange Zeit überhaupt nur Feststoffraketen gebaut. Obwohl sie gegenüber moderneren Raketentypen einige Nachteile haben, sind sie aufgrund wichtiger Vorteile bis heute weit verbreitet im Einsatz.

Vorteile

Feststoffraketen kommen – sieht man von Anwendungen mit schwenkbaren Düsen ab – gänzlich ohne bewegliche Teile oder zusätzlichen Vorrichtungen für Brennstoffpumpen oder Leitungen aus, was eine technische Mindestmasse vorgeben würde. Auch enthalten sie ihren Treibstoff zu jeder Zeit, so dass Lager- und Betankungseinrichtungen nicht benötigt werden. Dies erleichtert beispielsweise die Anwendung für meteorologische oder bodengebundene wissenschaftliche Zwecke; zur militärischen Verwendung können sie mitunter in größerer Stückzahl in Magazinen aufbewahrt oder mitgeführt werden.

Der Treibstoff selbst ist – namensgebend für den Antrieb – fest und somit wesentlich einfacher zu handhaben als flüssige oder gasförmige Treibstoffe: Er kann in dieser Form weder entweichen und so möglicherweise gesundheits- bzw. umweltschädlich wirken, noch mit Rohr- oder Behälterwandungen chemisch reagieren. Auch Instabilitäten durch schwappenden Flüssigtreibstoff (Pogoeffekt) fallen beim Festtreibstoff weg. Durch die Formgebung des Treibsatzes kann die sogenannte Abbrandcharakteristik, also die Schubentwicklung über die Brenndauer gesehen, sowie die Brenndauer selbst sehr einfach beeinflusst werden. So sind auch Schubkräfte erzielbar, die größer als die von Flüssigtriebwerken sind. Nebenbei bringen die meisten Treibsatzformen mit sich, dass sich der Schwerpunkt der Rakete während des Abbrands verhältnismäßig wenig ändert, was wichtig für die Flugstabilität ist.

Durch diese Vorteile sind Feststoffraketen zuverlässig im Gebrauch, leistungsstark sowie preiswert zu entwickeln, herzustellen, zu warten und zu verwenden.

Nachteile

Da Feststoffraketen ihren hochexplosiven Treibstoff immer enthalten, geht von ihnen auch permanent eine erhöhte Gefahr aus. Auch sind sie dadurch schwerer als vergleichbar große Flüssigtreibstoffraketen, die leer transportiert und erst bei Bedarf betankt werden können.

Die Verbrennungsprodukte von Feststoffraketen werden meistens mit einer niedrigeren Geschwindigkeit ausgestoßen als die Verbrennungsprodukte von Flüssigtreibstoffraketen. Da sich der Schub nach der Formel Treibstoffmasse pro Zeit x Ausströmgeschwindigkeit = Schubkraft errechnet, muss ihr Vorteil der hohen Schubkraft durch einen hohen Verbrauch an Treibstoff erkauft werden. Dies bedingt die gegenüber Flüssigkeitsraketen kurze Brenndauer. Eine Schubregelung während des Abbrands ist nicht möglich.

Das gesamte Innere einer Feststoffrakete ist gleichzeitig auch ihre Brennkammer. Bei der Verbrennung des Treibstoffes treten sehr hohe Drücke auf. Deswegen müssen die Wände aus relativ schwerem Stahl bestehen. Da mit steigender Größe der Rakete die Belastung der Brennkammerwand bei gleichem Innendruck immer mehr zunimmt, müssen die Wände immer dicker und damit schwerer werden. So steigt die Leermasse einer Feststoffrakete im Vergleich zur Gesamtmasse mit zunehmender Größe immer weiter an, während sie bei Flüssigtreibstoffraketen immer weiter sinkt. Ihre technische Höchstmasse liegt daher unter der anderer Raketentypen.

Feststoffraketen sind oft umweltschädlicher als andere Bautypen. Bei der Verbrennung des Treibstoffes entstehen je nach Befüllung z.B. Chlorgas, Chlorwasserstoff, Schwefelverbindungen oder andere toxische Stoffe.

Geschichte

Test der Rettungsraketen eines Apollo-Raumschiffs

Die ältesten Raketen waren Feststoffraketen. Sie wurden vermutlich von den Byzantinern im siebten nachchristlichen Jahrhundert gebaut, bestanden aus Bambus als Raketenkörper und einer Mischung aus Salpeter und Schwefel als Treibstoff.

Vermutlich unabhängig davon wurden von den Chinesen im 13. Jahrhundert Raketen entwickelt, welche mit Schwarzpulver angetrieben wurden. Dort wurden sie unter anderem auch für militärische Zwecke verwendet. In Europa wurden sie später bekannt, ihre Hauptbedeutung hatten sie hier aber erst nur als Feuerwerkskörper.

Der britische Offizier William Congreve entwickelte Anfang des 19. Jahrhunderts eine Rakete für den militärischen Gebrauch. Durch den Fortschritt bei der Artillerie erlebte die Rakete aber eher ein Schattendasein. Erst zum Ende des 19. Jahrhundert wurde wieder verstärkt in diesem Bereich geforscht und entwickelt.

Als erster erfolgreicher Start einer Feststoffrakete in Europa wird ein Raketentest von Karl Poggensee und Reinhold Tiling genannt.

Heute

Feststoffraketen werden heute unterschiedlich genutzt, sowohl für militärische als auch zivile Zwecke wie die Luft- und Raumfahrt. Sie werden wegen ihres geringen Preises insbesondere zur Starthilfe für Raketen („Booster“) und Flugzeuge (JATO) sowie in kleinen Oberstufenantrieben eingesetzt. Außerdem finden sie wegen ihrer hohen Maximalbeschleunigung als Rettungsraketen Verwendung, um bemannte Raumschiffe schnell aus dem Gefahrenbereich einer versagenden Trägerrakete zu bringen.

Als Oxidator wird zum Beispiel Ammoniumperchlorat (NH₄ClO₄) eingesetzt, das beim Zerfall z.B. 4 H₂O + N₂ + 2 O₂ + Cl₂ ergibt (es entsteht in der Praxis auch HCl). Sauerstoff und Chlor reagieren mit Aluminium zu Al₂O₃ und AlCl₃ sowie einem polymeren Binder Kohlenwasserstoff (Kunststoff) zu  H₂O  und  CO₂, wobei nochmals Energie frei wird. Der Massenanteil des Aluminiums beträgt bis zu 30 Prozent.

Durch ihren einfachen Aufbau können Feststoffraketen auch in sehr geringer Größe Anwendung finden, so zum Beispiel als Kleinstraketen für Feuerwerkskörper, Signalgebung oder als spezielle Raketengeschosse für den Handwaffengebrauch. Hier kommen eher einfache Treibmittel wie Schwarzpulver zum Einsatz.

Ausblick

In Zukunft wird geplant, das hohe Leergewicht großer Feststoffraketen zu senken, indem der Werkstoff Stahl durch kohlefaserverstärkte Kunststoffe ersetzt wird. Dadurch könnte die Leermasse großer Feststoffraketen drastisch gesenkt werden. Berechnungen ergaben, dass allein durch diese Verbesserung des Voll- zu Leermasseverhältnisses die Nutzlast der Ariane 5 mit dem Ziel Geostationäre Transferbahn um 2 t steigern könnte.

Diese leichten Werkstoffe könnten auch reine Feststoffraketen ermöglichen, die große Satelliten wirtschaftlich in erdnahe Umlaufbahnen transportieren.

Siehe auch

• Flüssigkeitsrakete
• Rakete
• Brennkammer
• Raketentriebwerk

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

Weblinks

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