Frage von pilot9640, 97

Wie schafft es eine Rakete nach dem Start kerzengerade durch die Luft zu fliegen, ohne umzukippen?

Eine Weltraumrakete hat ja keine optisch sichtbaren Mittel zum austarieren, wenn ich mich nicht irre. Die Dinger fliegen immer mit einem Mords-Heckantrieb nach oben und kippen nicht um. Dabei müsste doch eigentlich ein bisschen Wind schon den Kurs ändern und dann müsste die Rakete unkontrolliert durch die Luft schwirren. Doch im Normalfall passiert das ja nicht und die Rakete fliegt straight nach oben. Selbst so Riesenkollosse, wie die Saturn V oder so assymetrische Geschichten wie das Space Shuttle schaffen es. Wie funktioniert das? Wenn man eine Gasflasche nimmt und mit einer Schusswaffe in den Boden dieser Flasche schießt, fliegt das Ding vielleicht 20 Meter gerade nach oben, aber dann wird die Flugbahn quasi dem Zufall überlassen.

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 28

Die Regelungstechnik ist der ähnlich, die man braucht, um einen Besen auf der Hand zu balancieren. Sobald der Besen anfängt zu kippen, muss man unten am Auflagepunkt so nachsteuern, dass die Auflagekraft wieder direkt unter dem Schwerpunkt zu liegen kommt. Man braucht also unten eine seitliche Kraft, die bei der Rakete durch auslenkbare Düsen erzeugt wird.

In diesem Video ist das gut zu sehen:



Bei 0:56 kannst du sehen, wie im Rahmen des Count-Downs diese Funktion überprüft wird.

Bei 1:34 kannst du sehen, wie diese Regelung in dem Moment, wo die Rakete ihre Auflagekraft verliert und in ein instabiles Gleichgewicht kommt, die Regelung besonders intensiv wirkt, um die Rakete gerade zu halten.

Wenn man den Besen auf der Hand balanciert und Kippbewegungen ausgleicht, führt das zu einem seitlichen Versatz des ganzen Systems. Das ist auch bei der Rakete so. Direkt nach dem Abheben sieht man in der Totalen, wie bei diesem Start ein seitlicher Versatz nach links stattfindet.

Nun wissen die Konstrukteure genau, wie stark die Kippbewegung maximal sein darf, um sie noch ausgleichen zu können und sie wissen auch, wieviel seitlichen Platz für regelungsbedingten Versatz sie haben. Dementsprechend gibt es eine Regel, ab welcher Windstärke Starts verboten sind.

Antwort
von Richard30, 20

Es gibt 4 Methoden:

  • Schubverktorsteuerung
  • Steuerdüsen
  • Steuerflügel
  • Gyroskop

Kommen wir erstmal zu 1: Der Schubstrahl lässt sich bei vielen Triebwerken ablenken, so könnte man quasi "Gegenlenken". Nicht jedes Triebwerk kann das, aber doch einige.

Steuerdüsen sind eigentlich auch klar, es wird durch Druckluft oder spezielle Treibstoffe (Meistens welche, die bei Kontakt direkt reagieren) an kleinen Düsen die halt an verschiedenen Stellen angebracht sind, die Rakete auf Kurs gehalten. Ist besonders dann wichtig, wenn die anderen Methoden nicht zum einsatz kommen können (Seitwertsbewegungen; zu wehnig Aussenathmosphäre; keine Schubvektorsteuerung)

Steuerflügel haben mansche Raketen, die bringen es aber auch nur in der unteren Athmosphärenschicht. Da muss ich wohl nicht viel erklären, wie die funktionieren.

Gyroskop ist im Prinzip ein Kreisel. Wenn sich ein Kreisel dreht dann stabilisiert er entlang der Achse, ausserdem ermöglicht er Drebewegungen entlang der Achse.

Dazu muss man wissen, das da viel Computertechnik mitspielt, sobald die Rakete minimal vom Kurs abkommt, wird direkt mit verschiedenen Wegen gegengelenkt, so bleibt die Rakete im Idealfall, wenn alles glattläuft, auch auf Kurs. Je besser die PC Technik wird, desto effizienter kann man entgegenlenken, das erlaubt auch Designs, die Strömungstechnich nicht so optimal sind, dafür aber vll. andere Vorteile bieten. Moderne Kampfjets könnten ohne Flugassistenten teilweise garnicht fliegen (Eurojet z.B), der ist von natur aus absolut instabil, ein PC muss ständig minimal gegenlenken um das Flugzeug auf Kurs zuhalten. Diese Instabilität erlaub aber auch ausergewöhnliche Wendemanöver, aber ohne Flugassistens wäre das Ding nicht steuerbar.

Antwort
von ramay1418, 9

Wir sind uns einig, dass die meisten Raketen nicht umkippen, sondern ihr Ziel (einen erdnahen oder geostationären Orbit bzw. eine Flugbahn zu anderen Planeten) erreichen.

Das bedeutet, dass das Problem der Steuerung schon seit Jahrzehnten gelöst ist. Gerade am Anfang, bei langsamer Geschwindigkeit, ist eine Rakete instabil. Ich kann sie durch Schienen führen (oder Stäbe wie bei Feuerwerksraketen) oder durch Änderung der Schubrichtung der Triebwerke.

Dazu gibt es pinzipiell drei Möglichkeiten:

1) durch Flossen (groß oder klein, beweglich oder fest) am unteren Ende zur Stabilisierung oder

2) durch bewegliche Düsen oder

3) durch Konstruktion von „ziehenden“ statt schiebenden Triebwerken, die am Bug befestigt sind. Wegen technischer Probleme (Hochpumpen des Treibstoffs, Hitzeschutz, evtl. Rettung der Besatzung (jetzt durch eine Rettungsrakete möglich)) gibt es diese Art nicht.

Die Triebwerke schieben, das Gewicht der Rakete und Luftkräfte (gerade im Überschallbereich) drücken von oben und versuchen, die Rakete zu kippen. Diese Kraft wirkt hauptsächlich am Bug. Um die Biegebelastung gering zu halten, könnte man dort durch kleine Triebwerke gegensteuern; das Prinzip wurde aber bisher wohl auch nicht verwirklicht.

Die Steuerungskommandos können entweder von einem Leitstand auf der Erde kommen, also per Fernsteuerung oder durch eigene Berechnungen an Bord des Raumfahrzeugs. Diese Inertial-Steuerung ist heutzutage Standard, aber eben keine Pflicht.

Antwort
von LangHaarWookie, 41

es gibt auch sehr viele Unfälle, bei denen Raketen schon einfach während dem Start umgeflogen sind und daraufhin abgestürtzt.

Antwort
von priesterlein, 48

Die Düsen sind lenkbar und steuern jeder Kippbewegung entgegen. "keine optisch sichtbaren Mittel zum austarieren" ist demzufolge falsch, denn die Düsen kann man sehen.

Kommentar von achimhausg ,

Sie haben vergessen zu erwähnen, daß Raketen immer einen Heckantrieb haben.

Expertenantwort
von Franz1957, Community-Experte für Physik, 8

Hier zur Ergänzung noch Seiten, die das Thema weiter ausführen:

http://physics.stackexchange.com/questions/35958/why-dont-rockets-tip-over-when-...

http://quest.arc.nasa.gov/space/teachers/rockets/rocketry.html (Abschnitt: Stability and Control Systems)

https://spaceflightsystems.grc.nasa.gov/education/rocket/guidance.html (Der Linkkette "Guidance System" unten auf der Seite folgen)

Antwort
von Grillmax, 23

Es gibt sichtbare Steuerdüsen, die sensorgesteuert ganz kurze Zündimpulse geben um die Rakete auf Kurs zu halten.

Antwort
von dompfeifer, 22

Die Raketen sind mit auslenkbaren Düsen ausgestattet.

Antwort
von achimhausg, 19

Wernhe von Braun hat das Problem mit einem horizontalen und vertikalen Kreisel  gelöst.



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