Antrieb von Raumfahrzeugen

Eine ferngesteuerte Kamera nimmt während eines Testschusses im John C. Stennis Space Center in Hancock County, Mississippi, eine Nahaufnahme des Haupttriebwerks eines Space Shuttles auf

Antrieb bedeutet, einem Objekt Geschwindigkeit oder Beschleunigung durch einen Motor oder ein ähnliches Gerät hinzuzufügen. Das Wort „Antrieb“ kann mit vielen anderen Wörtern (wie Jet, Rakete, Raumfahrzeug) verwendet werden, um zu „Jet-Antrieb“, „Raketenantrieb“ oder „Raumschiffantrieb“ usw. zu werden.

Antrieb von Raumfahrzeugen wird verwendet, um die Geschwindigkeit von Raumfahrzeugen und künstlichen Satelliten zu ändern. Es gibt viele verschiedene Methoden. Jede Methode hat Nachteile und Vorteile, und der Antrieb von Raumfahrzeugen ist ein aktives Forschungsgebiet. Die meisten Raumfahrzeuge werden heutzutage angetrieben, indem die Reaktionsmasse erhitzt wird und ihr ermöglicht wird, aus der Rückseite/dem Heck des Fahrzeugs auszustoßen. Diese Art von Motor wird als a bezeichnet Raketenantrieb .

Alle aktuellen Raumfahrzeuge verwenden chemische Raketen (Bipropellant oder Solid Fuel) für den Start, obwohl einige (wie die Pegasus-Rakete und SpaceShipOne) in ihrer ersten Stufe luftatmende Triebwerke verwendet haben. Die meisten Satelliten haben einfache, zuverlässige chemische Raketen (häufig Monotreibstoffraketen) oder Resistojet-Raketen, um ihre Position zu halten, obwohl einige Schwungräder zur Lagekontrolle verwenden. Neuere geoorbitale Raumfahrzeuge beginnen damit, elektrische Antriebe für die Nord-Süd-Positionserhaltung zu verwenden. Interplanetare Fahrzeuge verwenden meistens auch chemische Raketen, obwohl einige experimentell Ionentriebwerke (eine Form des Elektroantriebs) mit einigem Erfolg eingesetzt haben.

Die Notwendigkeit von Antriebssystemen

Künstliche Satelliten müssen in die Umlaufbahn geschossen und dort in ihre nominelle Umlaufbahn gebracht werden. Sobald sie sich in der gewünschten Umlaufbahn befinden, benötigen sie häufig eine Form der Lagekontrolle, damit sie in Bezug auf die korrekt ausgerichtet sind Erde , das Sonne , und möglicherweise einige astronomisch Objekt von Interesse. Sie unterliegen auch dem Ziehen aus dem Dünnen Atmosphäre , so dass für einen längeren Verbleib im Orbit gelegentlich ein Antrieb notwendig ist, um kleine Korrekturen vorzunehmen ( orbital stationkeeping). Viele Satelliten müssen von Zeit zu Zeit von einer Umlaufbahn in eine andere bewegt werden, was auch einen Antrieb erfordert. Wenn ein Satellit seine Fähigkeit zur Anpassung seiner Umlaufbahn erschöpft hat, ist seine Nutzungsdauer abgelaufen.

Raumfahrzeuge, die für weitere Reisen ausgelegt sind, benötigen auch Antriebsmethoden. Sie müssen wie Satelliten aus der Erdatmosphäre geschossen werden. Sobald sie dort angekommen sind, müssen sie den Orbit verlassen und sich bewegen.

Für interplanetare Reisen muss ein Raumschiff seine Triebwerke verwenden, um die Erdumlaufbahn zu verlassen. Sobald es das getan hat, muss es irgendwie seinen Weg zu seinem Ziel finden. Aktuelle interplanetare Raumfahrzeuge tun dies mit einer Reihe kurzfristiger Orbitalanpassungen. Zwischen diesen Anpassungen fällt das Raumfahrzeug einfach frei entlang seiner Umlaufbahn. Die einfachste kraftstoffeffiziente Methode, um von einer kreisförmigen Umlaufbahn auf eine andere zu wechseln, ist eine Hohmann-Transferbahn: Das Raumschiff beginnt in einer ungefähr kreisförmigen Umlaufbahn um die Sonne. Eine kurze Schubperiode in Bewegungsrichtung beschleunigt oder verzögert das Raumfahrzeug in eine elliptische Umlaufbahn um die Sonne, die tangential zu seiner vorherigen Umlaufbahn und auch zu der Umlaufbahn seines Ziels ist. Das Raumfahrzeug fällt frei entlang dieser elliptischen Umlaufbahn, bis es sein Ziel erreicht, wo es durch eine weitere kurze Schubperiode beschleunigt oder abgebremst wird, um sich der Umlaufbahn seines Ziels anzupassen. Für diese endgültige Orbitalanpassung werden manchmal spezielle Methoden wie Aerobraking verwendet.

Künstlerische Konzeption eines Sonnensegels

Einige Antriebsmethoden für Raumfahrzeuge wie Sonnensegel liefern einen sehr geringen, aber unerschöpflichen Schub; Ein interplanetares Fahrzeug, das eine dieser Methoden verwendet, würde einer ziemlich anderen Flugbahn folgen, entweder ständig gegen seine Bewegungsrichtung stoßen, um seinen Abstand von der Sonne zu verringern, oder ständig entlang seiner Bewegungsrichtung stoßen, um seinen Abstand von der Sonne zu vergrößern.

Auch Raumfahrzeuge für interstellare Reisen benötigen Antriebsmethoden. Bisher wurde noch kein solches Raumfahrzeug gebaut, aber viele Designs wurden diskutiert. Da die interstellaren Entfernungen sehr groß sind, ist eine enorme Geschwindigkeit erforderlich, um ein Raumschiff in angemessener Zeit an sein Ziel zu bringen. Eine solche Geschwindigkeit beim Start zu erreichen und sie bei der Ankunft loszuwerden, wird eine gewaltige Herausforderung für Raumfahrzeugkonstrukteure sein.

Wirksamkeit von Antriebssystemen

Die Erde befindet sich ziemlich tief im Gravitationsschacht und es braucht eine Geschwindigkeit von 11,2 Metern/Sekunde (Fluchtgeschwindigkeit) oder mehr, um daraus herauszuspringen! Da wir es gewohnt sind, in einem Gravitationsfeld von 1 g (9,8 m/Sekunde im Quadrat) zu leben, wäre ein ideales Antriebssystem eines, das eine kontinuierliche Beschleunigung von bietet 1g (obwohl der menschliche Körper in einigen Fällen Beschleunigungen von bis zu 15 g tolerieren kann).

Die Rakete oder das Raumschiff mit einem solchen Antriebssystem wird schnell (im Vergleich zu der Zeit, die bei Reisen mit bestehenden Raketen benötigt wird) auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, und die Insassen werden frei von allen negativen Auswirkungen des freien Falls sein, wie z. Muskelschwäche, verminderter Geschmackssinn oder Auswaschung von Kalzium aus den Knochen.

Im Weltraum besteht der Zweck eines Antriebssystems darin, die Geschwindigkeit zu ändern in eines Raumfahrzeugs. Da dies für massivere Raumfahrzeuge schwieriger ist, diskutieren Designer im Allgemeinen Schwung , mv . Der Betrag der Impulsänderung wird als Impuls bezeichnet. Das Ziel einer Antriebsmethode im Weltraum ist es also, einen Impuls zu erzeugen.

Beim Start eines Raumfahrzeugs von der Erde muss ein Antriebsverfahren eine höhere Schwerkraft überwinden, um eine positive Nettobeschleunigung bereitzustellen. Im Orbit stellt die Tangentialgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs eine Zentrifugalkraft bereit, die der Gravitationskraft auf einem bestimmten Pfad (der eigentlich der Orbitpfad ist) entgegenwirkt, so dass jeder zusätzliche Impuls, selbst ein sehr kleiner, zu einer Änderung des Orbitpfads führt.

Die Änderungsrate der Geschwindigkeit wird aufgerufen Beschleunigung , und die Änderungsrate des Impulses heißt Macht . Um eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen, kann man eine kleine Beschleunigung über einen langen Zeitraum anwenden, oder man kann eine große Beschleunigung über eine kurze Zeit anwenden. Ebenso kann man einen gegebenen Impuls mit großer Kraft über kurze Zeit oder mit kleiner Kraft über lange Zeit erreichen. Das bedeutet, dass für das Manövrieren im Weltraum ein Antriebsverfahren, das kleine Beschleunigungen erzeugt, aber lange läuft, den gleichen Impuls erzeugen kann wie ein Antriebsverfahren, das für kurze Zeit große Beschleunigungen erzeugt. Beim Start von einem Planeten können winzige Beschleunigungen die Anziehungskraft des Planeten nicht überwinden und können daher nicht verwendet werden.

Das Impulserhaltungsgesetz bedeutet, dass eine Antriebsmethode, um den Impuls eines Raumfahrzeugs zu ändern, auch den Impuls von etwas anderem ändern muss. Einige Designs nutzen Dinge wie Magnetfelder oder leichten Druck, um den Impuls des Raumfahrzeugs zu ändern, aber im freien Raum muss die Rakete etwas Masse mitbringen, um wegzubeschleunigen, um sich selbst voranzutreiben. Eine solche Masse wird als Reaktionsmasse bezeichnet.

Damit eine Rakete funktioniert, braucht sie zwei Dinge: Reaktionsmasse und Energie. Der Impuls, der durch das Abfeuern eines Teilchens einer Reaktionsmasse mit Masse erzeugt wird m bei Geschwindigkeit in ist mv . Aber dieses Teilchen hat kinetische Energie mv ^zwei /2, die irgendwo herkommen muss. In einer herkömmlichen Feststoff-, Flüssigkeits- oder Hybridrakete wird der Treibstoff verbrannt, wodurch die Energie bereitgestellt wird, und die Reaktionsprodukte können nach hinten ausströmen, wodurch die Reaktionsmasse bereitgestellt wird. In einem Ionentriebwerk wird Elektrizität verwendet, um Ionen nach hinten zu beschleunigen. Hier muss eine andere Quelle die elektrische Energie liefern (vielleicht ein Solarpanel oder ein Kernreaktor), während die Ionen die Reaktionsmasse liefern.

Bei der Diskussion über die Effizienz eines Antriebssystems konzentrieren sich Konstrukteure häufig auf die effektive Nutzung der Reaktionsmasse. Reaktionsmasse muss mit der Rakete mitgeführt werden und wird beim Einsatz unwiederbringlich verbraucht. Eine Möglichkeit, die Impulsmenge zu messen, die von einer festen Menge an Reaktionsmasse erhalten werden kann, ist der spezifische Impuls, der Impuls pro Gewichtseinheit auf der Erde (typischerweise bezeichnet als ich _{s p} ). Die Einheit für diesen Wert ist Sekunden. Da das Gewicht der Reaktionsmasse auf der Erde bei der Diskussion von Fahrzeugen im Weltraum oft unwichtig ist, kann der spezifische Impuls auch als Impuls pro Masseneinheit diskutiert werden. Diese alternative Form des spezifischen Impulses verwendet die gleichen Einheiten wie die Geschwindigkeit (z. B. m/s) und ist tatsächlich gleich der effektiven Abgasgeschwindigkeit des Motors (typischerweise als in _und ). Verwirrenderweise werden beide Werte manchmal als spezifischer Impuls bezeichnet. Die beiden Werte unterscheiden sich um den Faktor g, die Erdbeschleunigung auf der Erdoberfläche ( ich _{s p} g = in _und ).

Eine Rakete mit hoher Abgasgeschwindigkeit kann den gleichen Impuls mit weniger Reaktionsmasse erreichen. Die für diesen Impuls erforderliche Energie ist jedoch proportional zum Quadrat der Abgasgeschwindigkeit, so dass masseeffizientere Motoren viel mehr Energie benötigen. Dies ist ein Problem, wenn der Motor eine große Schubkraft liefern soll. Um eine große Impulsmenge pro Sekunde zu erzeugen, muss eine große Energiemenge pro Sekunde verbraucht werden. Hocheffiziente Triebwerke benötigen also enorme Energiemengen pro Sekunde, um hohe Schubkräfte zu erzeugen. Infolgedessen bieten die meisten Triebwerkskonstruktionen mit hohem Wirkungsgrad auch einen sehr geringen Schub.

Berechnungen

Das Verbrennen des gesamten verwendbaren Treibmittels eines Raumfahrzeugs durch die Motoren in einer geraden Linie im freien Raum würde eine Nettogeschwindigkeitsänderung des Fahrzeugs erzeugen; diese Zahl wird als „Delta-v“ bezeichnet.

Die Summe D in eines Fahrzeugs kann unter Verwendung der Raketengleichung berechnet werden, wobei M die Masse des Treibstoffs (oder vielmehr die Masse des Treibmittels), P die Masse der Nutzlast (einschließlich der Raketenstruktur) und ist in _und ist die Geschwindigkeit des Raketenabgases. Dies ist als Tsiolkovsky-Raketengleichung bekannt:

Aus historischen Gründen, wie oben erwähnt, in _und wird manchmal geschrieben als

in _und = ich _{s p} g _Ö

wo ich _{s p} ist der spezifische Impuls der Rakete, gemessen in Sekunden, und g _Ö ist die Gravitationsbeschleunigung auf Meereshöhe.

Bei einer langen Reise kann der Großteil der Masse des Raumfahrzeugs Reaktionsmasse sein. Da eine Rakete ihre gesamte Reaktionsmasse mit sich führen muss, geht der größte Teil der ersten Reaktionsmasse eher in die Beschleunigung der Reaktionsmasse als in die Nutzlast. Wenn wir eine Nutzlast von Masse haben P , muss das Raumschiff seine Geschwindigkeit um ändern D in , und der Raketenmotor hat Abgasgeschwindigkeit in _und , dann die Masse M der benötigten Reaktionsmasse kann mit Hilfe der Raketengleichung und der Formel für berechnet werden ich _{s p}

Zum D in viel kleiner als in _und , ist diese Gleichung ungefähr linear, und es wird wenig Reaktionsmasse benötigt. Wenn D in ist vergleichbar mit in _und , dann muss ungefähr doppelt so viel Kraftstoff vorhanden sein wie Nutzlast und Struktur (einschließlich Motoren, Kraftstofftanks usw.) Darüber hinaus ist das Wachstum exponentiell; Geschwindigkeiten, die viel höher als die Abgasgeschwindigkeit sind, erfordern sehr hohe Verhältnisse von Kraftstoffmasse zu Nutzlast und Strukturmasse.

Um dies zu erreichen, muss eine gewisse Energiemenge in die Beschleunigung der Reaktionsmasse fließen. Jeder Motor verschwendet etwas Energie, aber selbst bei einem Wirkungsgrad von 100 % benötigt der Motor Energie in Höhe von

Ein Vergleich der Raketengleichung (die zeigt, wie viel Energie im endgültigen Fahrzeug landet) und der obigen Gleichung (die die benötigte Gesamtenergie zeigt) zeigt, dass selbst bei 100% Motorwirkungsgrad sicherlich nicht die gesamte zugeführte Energie im Fahrzeug landet - einige davon, in der Regel sogar der größte Teil, endet als kinetische Energie des Abgases.

Für eine Mission, zum Beispiel beim Starten von oder Landen auf einem Planeten, müssen die Auswirkungen der Gravitationsanziehung und jeglicher atmosphärischer Widerstand durch den Einsatz von Treibstoff überwunden werden. Es ist typisch, die Effekte dieser und anderer Effekte zu einem effektiven Missions-Delta-V zu kombinieren. Zum Beispiel erfordert eine Startmission in eine niedrige Erdumlaufbahn etwa 9,3–10 km/s Delta-V. Diese Missions-Delta-Vs werden typischerweise numerisch auf einem Computer integriert.

Angenommen, wir wollen eine 10.000 kg schwere Raumsonde zum Mars schicken. Das Erforderliche D in von LEO ist etwa 3000 m/s, unter Verwendung einer Hohmann-Transferbahn. (Eine bemannte Sonde müsste einen schnelleren Weg nehmen und mehr Treibstoff verbrauchen). Lassen Sie uns der Argumentation halber sagen, dass die folgenden Triebwerke verwendet werden können:

Motor	Effektive Abgasgeschwindigkeit (Frau)	Spezifischer Impuls (s)	Kraftstoffmasse (kg)	Energie erforderlich (GJ)	Energie pro kg von Treibmittel	Mindestleistung pro N Schub
Solide Rakete	1.000	100	190.000	95	500kJ	0,5kW
Zweitreibstoff-Rakete	5.000	500	8.200	103	12,6 MJ	2,5 kW
Ionentriebwerk	50.000	5.000	620	775	1,25 GJ	25 kW

Beachten Sie, dass die sparsameren Motoren viel weniger Kraftstoff verbrauchen können; seine Masse ist für einige der Motoren nahezu vernachlässigbar (im Verhältnis zur Masse der Nutzlast und des Motors selbst). Beachten Sie jedoch auch, dass diese eine große Gesamtenergiemenge benötigen. Für Erdstarttriebwerke ist ein Schub-Gewichts-Verhältnis von viel mehr als eins erforderlich. Dazu müssten sie mit Gigawatt Leistung versorgt werden – das entspricht einem Kraftwerk in einer Großstadt. Dies müsste auf dem Fahrzeug mitgeführt werden, was eindeutig unpraktisch ist.

Stattdessen kann ein viel kleinerer, weniger leistungsstarker Generator enthalten sein, der viel länger braucht, um die benötigte Gesamtenergie zu erzeugen. Diese geringere Leistung reicht nur aus, um eine winzige Menge Kraftstoff pro Sekunde zu beschleunigen, aber über lange Zeiträume wird die Geschwindigkeit schließlich erreicht. Zum Beispiel. Der Smart 1 brauchte mehr als ein Jahr, um den Mond zu erreichen, während es mit einer chemischen Rakete ein paar Tage dauert. Da der Ionenantrieb viel weniger Treibstoff benötigt, ist die gesamte gestartete Masse normalerweise geringer, was typischerweise zu niedrigeren Gesamtkosten führt.

Interessanterweise gibt es für eine Delta-V-Mission eine feste ich _{s p} das minimiert die Gesamtenergie, die von der Rakete verbraucht wird. Dies ergibt eine Abgasgeschwindigkeit von etwa 2/3 des Missions-Delta-v (siehe die aus der Raketengleichung berechnete Energie). Antriebe mit einem spezifischen Impuls, der sowohl hoch als auch fest ist, wie z. B. Ionentriebwerke, haben Abgasgeschwindigkeiten, die enorm höher als dieses Ideal sein können, und enden daher mit einer begrenzten Leistungsquelle und einem sehr geringen Schub. Wo die Fahrzeugleistung leistungsbegrenzt ist, z. wenn Solarenergie oder Atomkraft genutzt wird, dann bei einem großen in _und die maximale Beschleunigung ist umgekehrt proportional dazu. Daher ist die Zeit zum Erreichen eines erforderlichen Delta-v proportional zu in _und . Letzterer sollte also nicht zu groß sein.

Wenn andererseits die Abgasgeschwindigkeit variiert werden kann, so dass sie zu jedem Zeitpunkt gleich und entgegengesetzt zur Fahrzeuggeschwindigkeit ist, dann wird der absolut minimale Energieverbrauch erreicht. Wenn dies erreicht ist, stoppt der Auspuff im Weltraum und hat keine kinetische Energie; und die gesamte Energie landet im Fahrzeug (im Prinzip wäre ein solcher Antrieb zu 100 % effizient, in der Praxis würden Wärmeverluste innerhalb des Antriebssystems und Restwärme im Auspuff entstehen). Dies verwendet jedoch in den meisten Fällen eine unpraktische Menge an Treibmittel, ist aber eine nützliche theoretische Überlegung.

Einige Antriebe (wie etwa VASIMR) können tatsächlich ihre Abgasgeschwindigkeit erheblich variieren. Dies kann dazu beitragen, den Treibstoffverbrauch zu reduzieren und die Beschleunigung in verschiedenen Phasen des Fluges zu verbessern. Die beste energetische Leistung und Beschleunigung werden jedoch immer noch erzielt, wenn die Abgasgeschwindigkeit nahe der Fahrzeuggeschwindigkeit liegt. Vorgeschlagene Ionen- und Plasmaantriebe haben normalerweise Abgasgeschwindigkeiten, die enorm höher sind als dieser Idealwert (im Fall von VASIMR beträgt die niedrigste angegebene Geschwindigkeit etwa 15000 m/s im Vergleich zu einem Missions-Delta-V von einer hohen Erdumlaufbahn zum Mars von etwa 4000 m/s).

Antriebsmethoden

Antriebsmethoden können basierend auf ihren Mitteln zur Beschleunigung der Reaktionsmasse klassifiziert werden. Es gibt auch einige spezielle Methoden für Starts, Planetenankünfte und Landungen.

Raketentriebwerke

Ein 'kalter' (nicht gezündeter) Raketentriebwerkstest bei der NASA

Die meisten Raketentriebwerke sind Verbrennungsmotoren (obwohl es auch nicht verbrennende Formen gibt). Raketentriebwerke erzeugen im Allgemeinen eine Hochtemperatur-Reaktionsmasse als heißes Gas. Dies wird erreicht, indem ein fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoff mit einem Oxidationsmittel in einer Brennkammer verbrannt wird. Das extrem heiße Gas wird dann durch eine Düse mit hohem Ausdehnungsverhältnis entweichen gelassen. Diese glockenförmige Düse verleiht einem Raketentriebwerk seine charakteristische Form. Die Wirkung der Düse besteht darin, die Masse dramatisch zu beschleunigen und den größten Teil der thermischen Energie in kinetische Energie umzuwandeln. Abgasgeschwindigkeiten von bis zu 10-facher Schallgeschwindigkeit auf Meereshöhe sind keine Seltenheit.

Raketen, die Plasma emittieren, können potenziell Reaktionen innerhalb einer Magnetflasche durchführen und das Plasma über eine magnetische Düse freisetzen, sodass kein Feststoff mit dem Plasma in Kontakt kommen muss. Natürlich ist die Maschinerie dafür komplex, aber die Forschung zur Kernfusion hat Methoden entwickelt, von denen einige in spekulativen Antriebssystemen verwendet wurden.

Unter Raketentriebwerk finden Sie eine Auflistung verschiedener Arten von Raketentriebwerken mit unterschiedlichen Heizmethoden, einschließlich chemischer, elektrischer, solarer und nuklearer.

Luftatmende Motoren für den Start

Studien zeigen im Allgemeinen, dass herkömmliche luftatmende Triebwerke wie Staustrahl- oder Turbostrahltriebwerke grundsätzlich zu schwer sind (ein zu geringes Schub-/Gewichtsverhältnis haben), um eine signifikante Leistungsverbesserung zu erzielen, wenn sie in einer Trägerrakete installiert werden. Sie können jedoch von einem separaten Hubfahrzeug (z. B. X-1, Pegasus und SS1) aus der Luft gestartet werden. Andererseits wurden sehr leichte oder sehr schnelle Motoren vorgeschlagen, die die Luft während des Aufstiegs nutzen:

• SABRE - ein leichter wasserstoffbetriebener Turbojet mit Vorkühler
• ATREX - ein leichter wasserstoffbetriebener Turbojet mit Vorkühler
• Liquid Air Cycle Engine – ein wasserstoffbetriebenes Strahltriebwerk, das die Luft verflüssigt, bevor sie in einem Raketentriebwerk verbrannt wird
• Scramjet - Düsentriebwerke, die Überschallverbrennung verwenden

Elektromagnetische Beschleunigung der Reaktionsmasse

Dieser Testmotor beschleunigt Ionen durch elektrostatische Kräfte

Anstatt sich auf Hochtemperatur und Fluiddynamik zu verlassen, um die Reaktionsmasse auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, gibt es eine Vielzahl von Verfahren, die elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte verwenden, um die Reaktionsmasse direkt zu beschleunigen. Üblicherweise ist die Reaktionsmasse ein Ionenstrom. Ein solcher Motor benötigt zum Laufen elektrische Energie, und hohe Abgasgeschwindigkeiten erfordern große Mengen an Energie.

Für diese Antriebe stellt sich heraus, dass Kraftstoffverbrauch, Energieeffizienz und Schub in vernünftiger Näherung alle umgekehrt proportional zur Abgasgeschwindigkeit sind. Aufgrund ihrer sehr hohen Abgasgeschwindigkeit benötigen sie enorme Energiemengen und liefern daher mit praktischen Antriebsquellen einen geringen Schub, verbrauchen jedoch kaum Kraftstoff.

Für einige Missionen mag Sonnenenergie ausreichend sein und wurde sehr oft genutzt, aber für andere wird Kernenergie notwendig sein; Motoren, die ihre Energie aus einer nuklearen Quelle beziehen, werden nukleare elektrische Raketen genannt.

Bei jeder aktuellen Energiequelle, ob chemisch, nuklear oder solar, begrenzt die maximal erzeugbare Energiemenge die maximal erzeugbare Schubkraft stark auf einen kleinen Wert. Die Energieerzeugung fügt dem Raumfahrzeug auch eine beträchtliche Masse hinzu, und letztendlich begrenzt das Gewicht der Energiequelle die Leistung des Fahrzeugs. Gegenwärtige Kernkraftgeneratoren wiegen ungefähr halb so viel wie Sonnenkollektoren pro Watt gelieferter Energie in terrestrischen Entfernungen von der Sonne. Chemische Stromgeneratoren werden aufgrund der weitaus geringeren Gesamtenergiemenge nicht eingesetzt. Die auf das Raumschiff gestrahlte Energie zeigt Potenzial.

Die Ableitung von Abwärme aus dem Triebwerk kann jedes Antriebssystem, das eine separate Energiequelle erfordert, für interstellare Reisen unbrauchbar machen.

Einige elektromagnetische Methoden:

• Ionentriebwerk
  • Elektrostatisches Ionentriebwerk
  • Elektrischer Antrieb mit Feldemission
  • Hall-Effekt-Triebwerk
  • Helicon Double Layer Thruster
  • Elektrodenloses Plasmatriebwerk (Beschleunigung durch elektromagnetische Kräfte; emittiert Plasma)
  • Gepulstes induktives Triebwerk
• Magnetoplasmadynamisches Triebwerk
• Magnetoplasma-Rakete mit variablem spezifischem Impuls
• Massetreiber (für den Antrieb)

Systeme ohne Reaktionsmasse, die innerhalb des Raumfahrzeugs getragen werden

NASA-Studie eines Sonnensegels. Das Segel wäre einen halben Kilometer breit.

Das Erhaltungsgesetz der Schwung besagt, dass jeder Motor, der keine Reaktionsmasse verwendet, den Massenschwerpunkt eines Raumschiffs nicht bewegen kann (andererseits ist eine Änderung der Ausrichtung möglich). Aber der Raum ist nicht leer, besonders der Raum innerhalb des Sonnensystems; es gibt Gravitationsfelder, Magnetfelder, Sonnenwind und Sonnenstrahlung. Verschiedene Antriebsmethoden versuchen, sich diese zunutze zu machen. Da diese Phänomene jedoch diffuser Natur sind, müssen entsprechende Antriebsstrukturen entsprechend groß sein.

Raumantriebe, die keine (oder wenig) Reaktionsmasse benötigen:

• Tether-Antrieb
• Sonnensegel
• Magnetische Segel
• Mini-magnetosphärischer Plasmaantrieb

Für die Änderung der Ausrichtung eines Satelliten oder eines anderen Raumfahrzeugs stellt die Erhaltung des Drehimpulses keine ähnliche Einschränkung dar. Daher verwenden viele Satelliten Schwungräder, um ihre Ausrichtung zu steuern. Dies kann nicht das einzige System zur Steuerung der Satellitenausrichtung sein, da der Drehimpuls, der durch Drehmomente von externen Kräften wie Sonnen-, Magnet- oder Gezeitenkräften aufgebaut wird, schließlich unter Verwendung eines sekundären Systems 'abgebaut' werden muss.

Startmechanismen

Eine künstlerische Vorstellung eines elektromagnetischen Katapults auf dem Mond

Ein hoher Schub ist für den Erdstart von entscheidender Bedeutung, der Schub muss größer sein als das Gewicht (siehe auch Schwerkraftwiderstand). Viele der oben genannten Antriebsmethoden ergeben ein Schub-/Gewichtsverhältnis von viel weniger als 1 und können daher nicht für den Start verwendet werden.

Die Abgastoxizität oder andere Nebenwirkungen können auch nachteilige Auswirkungen auf die Umgebung haben, aus der das Raumfahrzeug startet, wodurch andere Antriebsmethoden, wie die meisten Atommotoren, zumindest für den Einsatz von der Erdoberfläche ausgeschlossen werden.

Daher verwenden alle aktuellen Raumfahrzeuge chemische Raketentriebwerke (bipropellant oder solid-fuel) für den Start.

Ein Vorteil, den Raumfahrzeuge beim Start haben, ist die Verfügbarkeit von Infrastruktur am Boden, um sie zu unterstützen. Zu den vorgeschlagenen bodengestützten Startmechanismen gehören:

• Weltraumfahrstuhl
• Orbitales Luftschiff
• Weltraumbrunnen
• Hyperschall-Skyhook
• Elektromagnetisches Katapult (Railgun, Coilgun)
• Weltraumkanone (Projekt HARP, Rammbeschleuniger)
• Laserantrieb (Lightcraft)

Planetare Ankunft und Landung

Eine Testversion des Airbagsystems MARS Pathfinder

Wenn ein Fahrzeug in die Umlaufbahn um seinen Zielplaneten eintreten oder landen soll, muss es seine Geschwindigkeit anpassen. Dies kann mit allen oben aufgeführten Methoden erfolgen (vorausgesetzt, sie können einen ausreichend hohen Schub erzeugen), aber es gibt einige Methoden, die Planetenatmosphären und / oder -oberflächen nutzen können.

• Aerobraking ermöglicht es einem Raumfahrzeug, den Höhepunkt einer elliptischen Umlaufbahn durch wiederholtes Bürsten mit der Atmosphäre am Tiefpunkt der Umlaufbahn zu verringern. Dies kann eine beträchtliche Menge Treibstoff sparen, da viel weniger Delta-V benötigt wird, um in eine elliptische Umlaufbahn einzutreten, verglichen mit einer niedrigen kreisförmigen Umlaufbahn. Da das Abbremsen über viele Umlaufbahnen erfolgt, ist die Erwärmung vergleichsweise gering und ein Hitzeschild nicht erforderlich. Dies wurde bei mehreren Mars-Missionen wie Mars Global Surveyor, Mars Odyssey und durchgeführt Mars Reconnaissance Orbiter , und mindestens eine Venus-Mission, Magellan.
• Aerocapture ist ein viel aggressiveres Manöver, das eine ankommende hyperbolische Umlaufbahn in einem Durchgang in eine elliptische Umlaufbahn umwandelt. Dies erfordert einen Hitzeschild und eine viel kniffligere Navigation, da es in einem Durchgang durch die Atmosphäre absolviert werden muss und im Gegensatz zum Aerobraking keine Vorschau auf die Atmosphäre möglich ist. Wenn die Absicht besteht, im Orbit zu bleiben, ist nach der Lufterfassung mindestens ein weiteres Vortriebsmanöver erforderlich – andernfalls verbleibt der Tiefpunkt des resultierenden Orbits in der Atmosphäre, was schließlich zu einem Wiedereintritt führt. Aerocapture wurde noch nicht auf einer Planetenmission ausprobiert, aber der Wiedereintrittssprung von Zond 6 und Zond 7 bei der Rückkehr zum Mond waren Aerocapture-Manöver, da sie eine hyperbolische Umlaufbahn in eine elliptische Umlaufbahn verwandelten. Da bei diesen Missionen kein Versuch unternommen wurde, das Perigäum nach der Aerocapture anzuheben, schnitt die resultierende Umlaufbahn immer noch die Atmosphäre, und der Wiedereintritt erfolgte am nächsten Perigäum.
• Fallschirme können eine Sonde auf einem Planeten mit Atmosphäre landen, normalerweise nachdem die Atmosphäre den größten Teil der Geschwindigkeit mit einem Hitzeschild abgerieben hat.
• Airbags können die endgültige Landung abfedern.
• Lithobraking oder Stoppen durch einfaches Aufschlagen auf das Ziel erfolgt normalerweise aus Versehen. Es kann jedoch absichtlich mit der Sonde geschehen, von der erwartet wird, dass sie überlebt (siehe zum Beispiel Deep Space 2). Gefordert sind sehr robuste Sonden und geringe Annäherungsgeschwindigkeiten.

Gravitationsschleudern können auch verwendet werden, um eine Sonde zu anderen Zielen weiterzubefördern.

Methoden, die möglicherweise das Brechen der Gesetze der Physik erfordern

Künstlerische Vorstellung eines Warp-Antriebsdesigns

Darüber hinaus wurde eine Vielzahl hypothetischer Antriebstechniken in Betracht gezogen, für deren Realisierung völlig neue Prinzipien der Physik erforderlich wären. Bisher sind solche Methoden hochspekulativ und umfassen:

• Diametrischer Antrieb
• Pitch-Antrieb
• Vorspannantrieb
• Disjunktionsantrieb
• Alcubierre-Antrieb (Warp-Antrieb)
• Differenziales Segel
• Wurmlöcher – theoretisch möglich, aber mit der heutigen Technik in der Praxis unmöglich
• Antigravitation - erfordert das Konzept der Antigravitation; theoretisch unmöglich
• Rückwirkungslose Antriebe - bricht das Gesetz der Impulserhaltung; theoretisch unmöglich
• EmDrive - bricht wieder das Gesetz der Impulserhaltung; theoretisch unmöglich

Tabelle der Methoden und ihrer spezifischen Impulse

Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung einiger der populäreren, bewährten Technologien, gefolgt von zunehmend spekulativen Methoden.

Es werden drei Zahlen angezeigt. Die erste ist die effektive Abgasgeschwindigkeit: die äquivalente Geschwindigkeit, mit der das Treibmittel das Fahrzeug verlässt. Dies ist nicht unbedingt das wichtigste Merkmal der Antriebsmethode, Schubkraft und Leistungsaufnahme und andere Faktoren können jedoch sein:

• Wenn das Delta-v viel größer ist als die Abgasgeschwindigkeit, sind exorbitante Kraftstoffmengen erforderlich (siehe Abschnitt über Berechnungen oben).
• wenn es viel mehr als Delta-v ist, dann wird proportional mehr Energie benötigt; ist die Leistung wie bei der Solarenergie begrenzt, bedeutet dies, dass die Fahrt proportional länger dauert

Die zweite und dritte sind die typischen Schubmengen und die typischen Brennzeiten des Verfahrens. Außerhalb eines Gravitationspotentials haben kleine Schubmengen, die über einen langen Zeitraum angewendet werden, die gleiche Wirkung wie große Schubmengen über einen kurzen Zeitraum. (Dieses Ergebnis gilt nicht, wenn das Objekt erheblich durch die Schwerkraft beeinflusst wird.)

Methode	Effektive Abgasgeschwindigkeit (Frau)	Schub (N)	Dauer
Antriebsmethoden in der aktuellen Verwendung
Solide Rakete	1.000 - 4.000	10 3 - 10 7	Protokoll
Hybrid-Rakete	1.500 - 4.200	<0,1 - 10 7	Protokoll
Eintreibrakete	1.000 - 3.000	0,1 - 100	Millisekunden - Minuten
Zweitreibstoff-Rakete	1.000 - 4.700	0,1 - 10 7	Protokoll
Tripropellant-Rakete	2.500 - 4.500		Protokoll
Resistojet-Rakete	2.000 - 6.000	10 -zwei - 10	Protokoll
Arcjet-Rakete	4.000 - 12.000	10 -zwei - 10	Protokoll
Hall-Effekt-Triebwerk (IT)	8.000 - 50.000	10 -3 - 10	Monate
Elektrostatisches Ionentriebwerk	15.000 - 80.000	10 -3 - 10	Monate
Elektrischer Feldemissionsantrieb (FEEP)	100.000 - 130.000	10 -6 - 10 -3	Wochen
Magnetoplasmadynamisches Triebwerk (MPD)	20.000 - 100.000	100	Wochen
Gepulstes Plasma-Triebwerk (PPT)
Gepulstes induktives Triebwerk (PIT)	50.000	zwanzig	Monate
Nukleare elektrische Rakete	Als elektrisches Antriebsverfahren eingesetzt
Derzeit praktikable Antriebsmethoden
Sonnensegel	N / A	9 pro km² (bei 1 AE)	Unbestimmt
Tether-Antrieb	N / A	1 - 10 12	Protokoll
Massetreiber (für den Antrieb)	30.000 - ?	10 4 - 10 8	Monate
Orion-Projekt (Kurzfristiger nuklearer Impulsantrieb)	20.000 - 100.000	10 9 - 10 12	einige Tage
Magnetoplasmarakete mit variablem spezifischem Impuls (VASIMR)	10.000 - 300.000	40 - 1.200	Tage - Monate
Kernthermische Rakete	9.000	10 5	Protokoll
Solarthermische Rakete	7.000 - 12.000	1 - 100	Wochen
Radioisotop-Rakete	7.000-8.000		Monate
Luftunterstützte Rakete	5.000 - 6.000	0,1 - 10 7	Sekunden-Minuten
Motor mit Flüssigluftkreislauf	4.500	1000 - 10 7	Sekunden-Minuten
SÄBEL	30.000/4.500	0,1 - 10 7	Protokoll
Dual-Mode-Antriebsrakete
Technologien, die weiterer Forschung bedürfen
Magnetische Segel	N / A	Unbestimmt	Unbestimmt
Mini-magnetosphärischer Plasmaantrieb	200.000	~1 N/kW	Monate
Nuklearer Impulsantrieb (Antrieb des Projekts Daedalus)	20.000 - 1.000.000	10 9 - 10 12	halbe Stunde
Gaskernreaktorrakete	10.000 - 20.000	10 3 - 10 6
Antimaterie-katalysierter Kernimpulsantrieb	20.000 - 400.000		Tage-Wochen
Nukleare Salzwasserrakete	100.000	10 3 - 10 7	halbe Stunde
Strahlgetriebener Antrieb	Als strahlbetriebenes Antriebsverfahren
Spaltungssegel
Spaltfragmentrakete	1.000.000
Nukleare photonische Rakete	300.000.000	10 -5 - 1	Jahre-Jahrzehnte
Weltraumaufzug	N / A	N / A	Tage
Deutlich über die aktuelle Technik hinaus
Fusionsrakete	1.300.000-36.000.000
Bussard-Staustrahl
Antimaterie-Rakete	10.000.000-100.000.000
Redshift-Rakete
gravitoelektromagnetische toroidale Trägerraketen