Raketenschub

Auto, Rad & Mobilität Luft- & Raumfahrt
#1

Hallo Leute,

um im Weltall schwerelos zu sein, braucht man eine Rakete, die auf die richtige Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt. Im nahen Weltall braucht man zur Schwerelosigkeit eine Geschwindigkeit, die der Schwerkraft durch Fliehkraft entgegen wirkt. So weit so gut. Beschleunigungen von 8g sind da durchaus drinnen.
Um z.B. zum Mond zu kommen, verwendet man ein ähnliches Prinzip.
Frage: Warum baut man keine Rakete, die gerade mit 1,5g beschleunigt? Die Rakete müsste genauso abheben und auch immer schneller werden, die Beschleunigung könnte man mit zunehmender Entfernung von der Erde reduzieren. Wäre das nicht eine erhebliche Treibstoff- Ersparnis für eine Mondreise?
Vielen Dank für eure Meinungen
cu
Norbert

#2

Hallo Leute,

um im Weltall schwerelos zu sein, braucht man eine Rakete, die
auf die richtige Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt. Im nahen
Weltall braucht man zur Schwerelosigkeit eine Geschwindigkeit,
die der Schwerkraft durch Fliehkraft entgegen wirkt. So weit
so gut. Beschleunigungen von 8g sind da durchaus drinnen.

Hallo
Bei einer Beschleunigung von 8g empfindet man aber keine Schwerelosigkeit mehr. Fluchtgeschwindigkeit ist eine Betrachtung ohne Atmospäre. Und wenn sich Fliehkraft bzw. Zentrifugalkraft und Schwerkraft ständig genau ausgleichen, gibt es keine weitere Beschleunigung.

Um z.B. zum Mond zu kommen, verwendet man ein ähnliches
Prinzip.
Frage: Warum baut man keine Rakete, die gerade mit 1,5g
beschleunigt? Die Rakete müsste genauso abheben und auch immer
schneller werden, die Beschleunigung könnte man mit
zunehmender Entfernung von der Erde reduzieren. Wäre das nicht
eine erhebliche Treibstoff- Ersparnis für eine Mondreise?
Vielen Dank für eure Meinungen
cu
Norbert

Tja, mit Meinung hat das nicht viel zu tun, eher mit Mathematik.
Einmal angenommen, eine Rakete hätte eine Beschleunigung von genau ein g. Dafür müßte sie ständig brennen und würde obendrein auf einer Höhe stehenbleiben. Von diesem Punkt möchte man sich deshalb möglichst entfernen.
Das andere ist eine Grenze nach oben hin. Hier spielt zum Beispiel die notwendige Festigkeit der Rakete eine begrenzende Rolle.

MfG
Matthias

#3

Hallo Norbert:

Frage: Warum baut man keine Rakete, die gerade mit 1,5g
beschleunigt? Die Rakete müsste genauso abheben und auch immer
schneller werden, die Beschleunigung könnte man mit
zunehmender Entfernung von der Erde reduzieren. Wäre das nicht
eine erhebliche Treibstoff- Ersparnis für eine Mondreise?
Vielen Dank für eure Meinungen
cu
Norbert

In Schwerelosigkeit hättest Du völlig Recht: Egal wie man die Anfangsbeschleunigung eines Raketentriebwerks wählt, man erreicht immer die selbe Endgeschwindigkeit (gleiche Ausströmgeschwindigkeit, gleicher Treibstoffvorrat und gleiche Nutzlast vorausgesetzt).

Das gilt jedoch nicht, wenn man sich im Schwerefeld der Erde befindet. Dein Vorschlag würde bedeuten, dass zwei Drittel der Triebwerksleistung aufgebraucht würden, um die Schwerkraft zu überwinden. Nur ein Drittel dient der Beschleunigung. Um eine gewünschte Endgeschwindigkeit zu erreichen, braucht man also viel mehr Treibstoff, als wenn man mit 8g beschleunigen würde (dann würden immerhin 7/8 der Triebwerksleistung der Beschleunigung zugute kommen).

Außerdem glaube ich, dass mit den 8g, die Du erwähnt hast, die Beschleunigung bei Brennschluss gemeint ist. Raketen beschleunigen nämlich umso besser, je länger sie unterwegs sind, da ihre Masse mit dem Treibstoffverbrauch stetig abnimmt. Die Raketenstarts, die ich bisher im Fernsehen gesehen habe, waren viel gemächlicher als 8g (und das waren nicht alles Zeitlupenaufnahmen).

Michael

#4

Hi,

Hallo Leute,

um im Weltall schwerelos zu sein, braucht man eine Rakete, die
auf die richtige Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt.

Das stimmt so nicht ganz. Man ist immer schwerelos, wenn man sich im kräftefreien Zustand befindet, also beim freien Fall zB bei einem Parabelflug oder in einem Fallturm.

Frage: Warum baut man keine Rakete, die gerade mit 1,5g
beschleunigt? Die Rakete müsste genauso abheben und auch immer
schneller werden, die Beschleunigung könnte man mit
zunehmender Entfernung von der Erde reduzieren. Wäre das nicht
eine erhebliche Treibstoff- Ersparnis für eine Mondreise?

Das Gegenteil ist der Fall. Denke Dir eine Rakete, die mit genau einem G beschleunigt. Diese würde gerade schweben und ihren gesamten Treibstoff dafür verbrauchen, um nur nicht nach unten zu fallen. Daher sollte man immer möglichst stark beschleunigen, um eine maximale Höhe zu erreichen. Außerhalb eines Schwerefeldes spielt dies aber keine Rolle mehr - da kannst Du so langsam beschleunigen wie Du willst und wirst bei Brennschluß immer die selbe Endgeschwindigkeit haben. Diesen Fall gibt es in der Realität aber nicht - man ist immer in irgendeinem Schwerefeld und möchte den Treibstoff möglichst tief im Potential verbrauchen, denn eigentlich will man ja keinen Treibstoff, sondern eine Nutzlast nach oben befördern.

Gruß
Moriarty

#5

Frage: Warum baut man keine Rakete, die gerade mit 1,5g
beschleunigt? Die Rakete müsste genauso abheben und auch immer
schneller werden, die Beschleunigung könnte man mit
zunehmender Entfernung von der Erde reduzieren. Wäre das nicht
eine erhebliche Treibstoff- Ersparnis für eine Mondreise?

Das Gegenteil ist der Fall. Denke Dir eine Rakete, die mit
genau einem G beschleunigt. Diese würde gerade schweben und
ihren gesamten Treibstoff dafür verbrauchen, um nur nicht nach
unten zu fallen.

Klar, deshalb ja auch eine Beschleunigung von 1,5g.

Daher sollte man immer möglichst stark
beschleunigen, um eine maximale Höhe zu erreichen.

Wieso muss man möglichst stark beschleunigen?

Außerhalb
eines Schwerefeldes
spielt dies aber keine Rolle mehr - da
kannst Du so langsam beschleunigen wie Du willst und wirst bei
Brennschluß immer die selbe Endgeschwindigkeit haben. Diesen
Fall gibt es in der Realität aber nicht - man ist immer in
irgendeinem Schwerefeld

genau- unsere Sonne hält auch den entfernten Pluto noch fest.

und möchte den Treibstoff möglichst
tief im Potential verbrauchen, denn eigentlich will man ja
keinen Treibstoff, sondern eine Nutzlast nach oben befördern.

Versteh ich nicht. Eine Mondreise angenommen, würde man erst das stetig abnehmende irdische Schwerefeld durchkreuzen müssen, anschliessend das stetig anwachsende des Mondes. Wenn man stetig mit einem halben g mehr beschleunigt als die momentane Anziehung, bzw. mit einem g abbremst bei Annäherung zum Mond, müsste ein direkter Schuss möglich sein.
Die Frage war: wieso macht man das nicht so?
cu
Norbert

Gruß
Moriarty

#6

Hallo Norbert,

und möchte den Treibstoff möglichst
tief im Potential verbrauchen, denn eigentlich will man ja
keinen Treibstoff, sondern eine Nutzlast nach oben befördern.

Versteh ich nicht. Eine Mondreise angenommen, würde man erst
das stetig abnehmende irdische Schwerefeld durchkreuzen
müssen, anschliessend das stetig anwachsende des Mondes. Wenn
man stetig mit einem halben g mehr beschleunigt als die
momentane Anziehung, bzw. mit einem g abbremst bei Annäherung
zum Mond, müsste ein direkter Schuss möglich sein.
Die Frage war: wieso macht man das nicht so?

Ich versuche Dir das Ganze an einem stark vereinfachten Beispiel zu veranschaulichen (bitte keine Kommentare wegen der Ungenauigkeiten):
Sei g = 10m/s^2, eine Rakete, welche für eine Beschleunigung von 1g pro Sekunde 1kg Treibstoff verbraucht, die gewünschte Endgeschwindigkeit 1000m/s, die Erdanziehung ist konstant 1g.

Fall 1: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von 1,5g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine effektive Beschleunigung von 0,5g. Um damit die 1000m/s zu erreichen, benötigen wir 200s. Der Treibstoffverbrauch beträgt 200s*1,5g*1kg/s/g = 300kg

Fall 2: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von 11g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine effektive Beschleunigung von 10g. Um damit die 1000m/s zu erreichen, benötigen wir 10s. Der Treibstoffverbrauch beträgt 10s*11g*1kg/s/g = 110kg

D.h. im 2. Fall benötigen wir in diesem Gedankenmodell 63% weniger Treibstoff.

HTH,
Pürsti

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#7

Hallo Pürsti,

vielen Dank, das wars was ich wissen wollte.
cu
Norbert

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#8

Sei g = 10m/s^2, eine Rakete, welche für eine Beschleunigung
von 1g pro Sekunde 1kg Treibstoff verbraucht, die gewünschte
Endgeschwindigkeit 1000m/s, die Erdanziehung ist konstant 1g.

Fall 1: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
1,5g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 0,5g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 200s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
200s*1,5g*1kg/s/g = 300kg

Fall 2: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
11g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 10g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 10s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
10s*11g*1kg/s/g = 110kg

D.h. im 2. Fall benötigen wir in diesem Gedankenmodell 63%
weniger Treibstoff.

Vielleicht sehe ich das auch falsch, aber Du gehst davon aus, dass Deine Rakete sowohl bei einer Beschleunigung von einem g als auch bei einer Beschleunigung von 11 g denselben Verbrauch hat. Wäre toll, wenn’s stimmt. Wenn ich davon ausgehe, dass der Verbrauch 1kg/(g*s) einfach mit den 11g multipliziert werden muss, käme ein Verbrauch von 1210kg heraus.
Ich denke, man darf den Grund, warum z.B. ein Space Shuttle so stark beschleunigt werden muss nicht abhängig vom Verbrauch machen, sondern davon, dass es im Orbit eine derart hohe Gesachwindigkeit hat, um eine Fliehkraft zu entwickeln, die der dortigen Anziehungskraft entgegenwirkt, da es sonst die Bahn nicht halten kann. Angenommen es fliegt mit 8km/s in einer Höhe von 300km, so käme eine Fliehkraft von (8000^2)/6700=9,55m/s^2, was in etwa der dort herrschenden Anziehungskraft entsprechen dürfte, zustande.
Um jetzt mit 1,5g auf 8000m/s zu beschleunigen dauert schon relativ lange und vielleicht könnte zu Beginn die Flugstabilität darunter leiden wenn die Rakete länger langsam fliegt…?
Noch was: wenn man mit einer geringen Beschleunigung sehr lange beschleunigt legt man einen längeren Weg zurück, als mit einer deutlich höheren Beschleunigung auf den gleichen Topspeed, weil die Zeit im Quadrat eingeht (S=1/2a*t^2). Evtl. hat das etwas mit den Raketenstufen zu tun, die meiner Meinung nach zur Erde zurückkehren sollen und als Weltraumschrott einen Satelliten o.ä. beschädigen könnten.

Gruß, Daniel.

#9

Hallo,

Fall 1: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
1,5g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 0,5g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 200s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
200s*1,5g*1kg/s/g = 300kg

Fall 2: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
11g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 10g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 10s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
10s\ *11g *1kg/s/g = 110kg

D.h. im 2. Fall benötigen wir in diesem Gedankenmodell 63%
weniger Treibstoff.

Vielleicht sehe ich das auch falsch, aber Du gehst davon aus,
dass Deine Rakete sowohl bei einer Beschleunigung von einem g
als auch bei einer Beschleunigung von 11 g denselben Verbrauch
hat. Wäre toll, wenn’s stimmt. Wenn ich davon ausgehe, dass
der Verbrauch 1kg/(g*s) einfach mit den 11g multipliziert
werden muss, käme ein Verbrauch von 1210kg heraus.

Er multipliziert doch schon mit 11. Ich hab’s mal markiert…

Um jetzt mit 1,5g auf 8000m/s zu beschleunigen dauert schon
relativ lange und vielleicht könnte zu Beginn die
Flugstabilität darunter leiden wenn die Rakete länger langsam
fliegt…?

Nicht das ich wirklich Ahnung davon hätte, aber eine Netto-Beschleunigung von 0,5 g stelle ich mir als geradezu unmöglich zu steuern vor.

Noch was: wenn man mit einer geringen Beschleunigung sehr
lange beschleunigt legt man einen längeren Weg zurück, als mit
einer deutlich höheren Beschleunigung auf den gleichen
Topspeed, weil die Zeit im Quadrat eingeht (S=1/2a*t^2).

Ähh… nein. Das will sich mir nicht so ganz erschließen. Sagen wir, wir beschleunigen auf 100 km/h und fliegen damit 100 Stunden. Einmal beschleunigen wir mit a1=1 km/h^2 und einmal mit a2=10 km/h^2.

Dann ist S1 = 1/2*1*100^2 = 5000 km
und S2 = 1/2*10*10^2 + 100*90 = 9500 km

Grüße,

Anwar

#10

Hallo,

Fall 1: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
1,5g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 0,5g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 200s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
200s*1,5g*1kg/s/g = 300kg

Fall 2: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
11g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 10g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 10s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
10s\ *11g *1kg/s/g = 110kg

D.h. im 2. Fall benötigen wir in diesem Gedankenmodell 63%
weniger Treibstoff.

Vielleicht sehe ich das auch falsch, aber Du gehst davon aus,
dass Deine Rakete sowohl bei einer Beschleunigung von einem g
als auch bei einer Beschleunigung von 11 g denselben Verbrauch
hat. Wäre toll, wenn’s stimmt. Wenn ich davon ausgehe, dass
der Verbrauch 1kg/(g*s) einfach mit den 11g multipliziert
werden muss, käme ein Verbrauch von 1210kg heraus.

Er multipliziert doch schon mit 11. Ich hab’s mal markiert…

ja für die Beschleunigung von 11g. Wäre auch alles richtig, wenn die Rakete genau soviel verbraucht, wie bei einer Beschleunigung von 1g, nämlich 1kg(s*g),was ich aber für unmöglich halte.

Um jetzt mit 1,5g auf 8000m/s zu beschleunigen dauert schon
relativ lange und vielleicht könnte zu Beginn die
Flugstabilität darunter leiden wenn die Rakete länger langsam
fliegt…?

Nicht das ich wirklich Ahnung davon hätte, aber eine
Netto-Beschleunigung von 0,5 g stelle ich mir als geradezu
unmöglich zu steuern vor.

genau!

Noch was: wenn man mit einer geringen Beschleunigung sehr
lange beschleunigt legt man einen längeren Weg zurück, als mit
einer deutlich höheren Beschleunigung auf den gleichen
Topspeed, weil die Zeit im Quadrat eingeht (S=1/2a*t^2).

Ähh… nein. Das will sich mir nicht so ganz erschließen.
Sagen wir, wir beschleunigen auf 100 km/h und fliegen damit
100 Stunden. Einmal beschleunigen wir mit a1=1 km/h^2 und
einmal mit a2=10 km/h^2.

Dann ist S1 = 1/2*1*100^2 = 5000 km
und S2 = 1/2*10*10^2 + 100*90 = 9500 km

also ich bezog mich damnit auf die reine Beschleunigung auf ein und deselben Topspeed, nicht auf eine lineare Bewegung bzw die gleiche Flugzeit. Ich machs mal noch einfacher: Du beschleunigst mit 1m/s^2 auf 10m/s, das dauert 10s und du legst dabei 50m zurück. Beschleunigst Du mit 10m/s^2 brauchst Du eine Sekunde und legst dabei 5m zurück, mit 5m/s^2 sind es 0,5*5*2^2=10m uns so weiter. Du hast bei Deiner zweiten Rechnung ja noch eine lineare Bewegung addiert, die reine beschleunigte Bewegung ist auch da kürzer, nämlich 500 km.

Grß, Daniel.

#11

Zusammenhang Treibstoffverbrauch - Beschleunigung

ja für die Beschleunigung von 11g. Wäre auch alles richtig,
wenn die Rakete genau soviel verbraucht, wie bei einer
Beschleunigung von 1g, nämlich 1kg(s*g),was ich aber für
unmöglich halte.

Der Treibstoffverbrauch der Raketentriebwerke hängt nicht mit der Beschleunigung zusammen, sondern mit Schub. Wenn aufgrund der Massereduzierung der Rakete bei konstantem Schub die Beschleunigung steigt, hat das keine Wirkung auf den Treibstoffverbrauch/Zeiteinheit.

Der zeitliche Verlauf des Treibstoffverbrauches bei Feststoffrketen hängt ausschliesslich von der Geometrie der Treibstoffsäule ab.

Der zeitliche Verlauf des Treibstoffverbrauches bei Flüssigtreibstoffantrieben hängt vom Steuerprogramm der Rakette und kann in unserem gedankenspiel als konstant angenommen werden.

Wenn durch den Treibstoffverbrauch das Schub/Masse-verhältnis steigt, steigt auch die Beschleuniguung, obwoch der Schub und der Treibstoffverbrauch in kg/s konstant beiben.

MfG

C.

#12

Hallo Norbert,

und möchte den Treibstoff möglichst
tief im Potential verbrauchen, denn eigentlich will man ja
keinen Treibstoff, sondern eine Nutzlast nach oben befördern.

Versteh ich nicht. Eine Mondreise angenommen, würde man erst
das stetig abnehmende irdische Schwerefeld durchkreuzen
müssen, anschliessend das stetig anwachsende des Mondes. Wenn
man stetig mit einem halben g mehr beschleunigt als die
momentane Anziehung, bzw. mit einem g abbremst bei Annäherung
zum Mond, müsste ein direkter Schuss möglich sein.
Die Frage war: wieso macht man das nicht so?

Ich versuche Dir das Ganze an einem stark vereinfachten
Beispiel zu veranschaulichen (bitte keine Kommentare wegen der
Ungenauigkeiten):
Sei g = 10m/s^2, eine Rakete, welche für eine Beschleunigung
von 1g pro Sekunde 1kg Treibstoff verbraucht, die gewünschte
Endgeschwindigkeit 1000m/s, die Erdanziehung ist konstant 1g.

Fall 1: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
1,5g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 0,5g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 200s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
200s*1,5g*1kg/s/g = 300kg

Fall 2: Die Rakete liefert eine konstante Beschleunigung von
11g. Nach Abzug der 1g Erdbeschleunigung erhalten wir eine
effektive Beschleunigung von 10g. Um damit die 1000m/s zu
erreichen, benötigen wir 10s. Der Treibstoffverbrauch beträgt
10s*11g*1kg/s/g = 110kg

D.h. im 2. Fall benötigen wir in diesem Gedankenmodell 63%
weniger Treibstoff.

HTH,
Pürsti

Hallo Pürsti,

vielen Dank, das wars was ich wissen wollte.

hallo norbert,
das stimmt aber nicht so ganz. das wuerde naemlich heissen, dass du weniger sprit verbrauchst, wenn du schneller faehrst oder mehr beschleunigst:smile:waere ne schoene sache:smile:

die gruende, die mir spontan einfallen,waeren

bei 1.5g braucht die rakete wahrscheinlich ein paar tage, bis sie in der umlaufbahn waere…dazu musst du folgendes wissen.
2.
je langsamer deine geschwindigkeit, desto groesser dein orbit
3.
je groesser dein orbit, desto weiter ist sie von der erde weg.
4.
je weiter von der erde weg, desto mehr treibstoff braucht sie–>sie puerstis antwort
5.
wie lange sollen die diffusoren diese hitze aushalten? die wuerde man dafuer ueberbeanspruchen.
6.
wieso fliegt ein flugzeug nicht nur 100km/h? (weniger spritverbrauch)—>es wuerde abstuerzen. die rakete wuerde auch abstuerzen, weil sich eine rakete einen tunnel durch die luft graebt. sie muesste laufend korrigiert werden, damit sie nicht zur seite wegkippt, weil sie vielleicht gerade von ein paar voegeln gestreift oder von einer windboee erfasst wurde.

es gibt sicher noch mehr gruende:smile:

mfg:smile:
rene

#13

Jetzt wirds aber abenteuerlich !

Zum einen beschleunigt so ziemlich jede gängige Trägerrakete vom Start weg mit nur 1.x g und schon dafür werden riesige Schubkräfte benötigt.
Man versucht trotzdem am Start möglichst schnell Höhe zu gewinnen, um aus den dichten Athmosphärenschichten herauszukommen, denn dann nimmt der Luftwiederstand ab und Zusatzgewichte wie Nutzlastverkleidung können abgesprengt werden.
Später, wenn die Rakete leichter wird, werden sogar oft die Triebwerke gedrosselt, um die Beschleunigungskräfte nicht zu gross werden zu lassen.
z.B. beim Space Shuttle bei ca. 3g und es braucht trotzdem keine Tage, sondern nur 8,5 min in die (vorläufige) Umlaufbahn.

#14

huhu,

hab mich dummerweise an die vorgegebenen 8g gehalten, weil ich sie fuer plausibel hielt. aber anscheinend ist ein F1-auto doch viel besser:smile:

als von rund 1.4g bis knapp 4g beschleunigt eine rakete, wenn sie in die umlaufbahn geht.

der fragesteller wollte auch die treibstoffersparnis hinaus. zu wenig beschleunigung wuerde einen laengeren weg und kleinere geschwindigkeit nach sich ziehen, wollte ich damit nur ausdruecken.

aber passt schon, am anfang sind es tatsaechlich nur 1.4g…denkt man gar nicht. es taeuscht halt irgendwie, weil quasi die luftreibung schon kompensiert ist. ein stein ohne reibung wuerde auch so schnell auf der erde landen…:smile:

mfg
rene