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Wie funktioniert ein Feststoffantrieb?

FLUG REVUE erklärt Wie funktioniert ein Feststoffantrieb?

Feststofftriebwerke sind die älteste Art von Raketenantrieben, aber keineswegs veraltet. Wie arbeiten sie – und welche Unterschiede gibt es?

Bis heute dienen Feststoffbooster zur Unterstützung der Start- und Aufstiegsphase von Trägerraketen, beispielsweise an der Ariane 5, wo sie beim Start rund 90 Prozent des Gesamtschubs liefern. Leichte Trägerraketen (z.B. Vega) oder militärische Interkontinentalraketen (z.B. Minuteman) nutzen Feststofftriebwerke als Hauptantriebsstufe. An kleinen Oberstufen kommen Feststoffantriebe ebenfalls zum Einsatz.

Einstoffsysteme

Wie der Name sagt, wird in Feststoffmotoren fester Treibstoff und Oxidator verwendet. Es handelt sich um Einstoffsysteme, das heißt, beide Komponenten sind schon gemischt – heutzutage meist in einer gummiartigen Masse, früher auch in Pulverform. Die EAP- P241-Booster der Ariane 5 beispielsweise nutzen Kunstharz (Polybutadien) als Treibstoff, den Oxidator Ammoniumperchlorat und Aluminium zur Erhöhung der Gastemperaturen.

ESA
Die EAP-P241-Booster der Ariane 5 nutzen Kunstharz (Polybutadien) als Treibstoff.

Hohe Leermasse

Ein Vorteil von Feststoffantrieben liegt in ihrem einfachen Aufbau ohne bewegliche Teile, Pumpen oder Leitungen. Sie bestehen nur aus einem Motorgehäuse, Hitzeschutz, Treibstoff, Düse und Zündsystem. Zudem sind sie gut lagerbar und schnell einsatzfähig. Im Vergleich zu Flüssigkeitsraketentriebwerken liefern Feststoffmotoren starken Schub bei kompakten Abmessungen. Allerdings liegt der spezifische Impuls – ein wichtiger Kennwert für die Effizienz – rund 40 Prozent unter dem von Flüssigkeitstriebwerken mit kryogenen Treibstoffen. Zudem haben Feststoffantriebe eine hohe Leermasse. Denn die Hülle bestand lange aus Stahl, da sie zugleich Tank und Brennkammer ist und hohe Drücke aushalten muss (heute Kohlefaser). Weiterer Nachteil: Die genutzten Treibstoffe sind häufig umweltschädlich.

Hoher Anfangsschub

Einmal gezündet, lässt sich eine Feststoffrakete nicht mehr abschalten. Der Schubverlauf kann jedoch durch die Form des Brennstoffquerschnitts geregelt werden. Denn je größer die Abbrandfläche, desto höher der Schub. Eine häufig genutzte Geometrie ist der Sterninnenbrenner. Der Treibstoff brennt von einem sternförmigen Hohlraum in der Mitte zur Seitenwand hin ab. So ergibt sich ein Profil mit hohem Anfangsschub, der schnell abnimmt und dann noch einmal ansteigt.

Northrop Grumman FSB-1 Booster Test for NASA’s SLS
NASA
Space Shuttle STS-45 Booster Test

Stärkste Raketenmotoren

Die bislang stärksten Raketenmotoren, die je im Einsatz waren, sind übrigens die Feststoffbooster des Space Shuttles. Mit bis zu 14,5 Méganewton generiert jeder einzelne mehr Schub als zwölf Boeing 747-8.