Mehrstufenrakete

Eine Mehrstufenrakete ist eine aus mehreren Raketenstufen (jeweils bestehend aus Treibstoffzellen und Triebwerk) aufgebaute Rakete, die beim Start nacheinander abgetrennt werden, sobald ihr Treibstoffvorrat verbraucht ist. Dadurch wird vermieden, dass die Rakete gegen Brennschluss ihres Triebwerks fast nur noch nutzlos gewordene Masse (den leeren Behälter für den gesamten Treibstoff) beschleunigt. Auf diese Weise werden höhere Geschwindigkeiten und somit höhere Umlaufbahnen erreicht. Je höher die benötigte Endgeschwindigkeit desto mehr Stufen werden üblicherweise eingesetzt. So sind häufig zwei Stufen für einen niedrigen Erdorbit (LEO, v > 7,9 km/s), drei Stufen für geostationäre Umlaufbahnen und vier Stufen für interplanetare Bahnen (v > 11,2 km/s) üblich. Die letzte Stufe wird manchmal auch als Kickstufe oder Kickmotor bezeichnet, da diese den Satelliten aus der aktuellen Erdumlaufbahn in eine höhere oder interplanetare Bahn kickt.

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

Erste Beschreibungen und Abbildungen von Mehrstufenraketen tauchten im 14. Jahrhundert im Huo Lung Ching, einem chinesischen Handbuch über Feuerwaffen, auf. Der österreichische Militärtechniker Conrad Haas beschrieb zwischen 1529 und 1556 in seinem Kunstbuch (erst 1961 aufgefunden) eine Vielzahl von Raketentypen, darunter die Mehrstufenrakete. Der polnische Artillerieoffizier Casimir Simienowicz beschrieb 1650 dreistufige Raketen. Der russische Lehrer und Autodidakt Konstantin Ziolkowski stellte das Mehrstufenprinzip mit seiner Raketengrundgleichung auf eine wissenschaftliche Grundlage. Diese besagt, dass die Endgeschwindigkeit einer einstufigen Rakete nur von der Ausströmgeschwindigkeit der Triebwerksgase und dem Verhältnis von Startmasse zur Endmasse (Startmasse - Treibstoff) abhängt.

Unter der Bezeichnung A9/A10 wurde von deutschen Ingenieuren während des Zweiten Weltkriegs auf der Basis der Rakete A4 die Entwicklung einer Mehrstufenrakete begonnen aber nicht mehr abgeschlossen. Die Entwicklung mehrstufiger Großraketen wurde insbesondere für die militärische Nutzung in den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion ab den späten vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts vorangetrieben. Dabei wurden verschiedene Konfigurationen untersucht, wovon heute die gestapelten Raketen und die Raketen mit Boostern eingesetzt werden.

Die Saturn V, die Startrakete der Apollo-Mondmissionen, bestand beispielsweise aus drei Raketenstufen. Die indische PSLV besteht aus fünf Stufen (falls man die Booster als eigenständige Stufe mitzählt).