Warum fliegt eine Rakete?

In der Brennkammer reagieren Treibstoff und Oxidationsmittel und erzeugen Gas mit hohem Druck und hoher Temperatur. Dieses Gas entweicht durch eine glockenförmige Düse, die es je nach Treibstoff auf Geschwindigkeiten von 2.500 bis 4.500 m/s beschleunigt. Das Ausstoßen von Masse nach unten erzeugt eine gleich große Kraft nach oben auf das Fahrzeug: das ist der Schub. Je größer der Gasdurchsatz und seine Austrittsgeschwindigkeit, desto größer der Schub – ganz ohne Beteiligung der umgebenden Luft.

Um abzuheben, muss der Schub das Gesamtgewicht der Rakete übersteigen, die größtenteils mit Treibstoff beladen ist: Bei einer typischen Trägerrakete machen Treibstoff und Oxidationsmittel mehr als 85 % der Masse auf der Startrampe aus. Zunächst ist die Beschleunigung gering, kaum über der Schwerkraft, weshalb Raketen in den ersten Sekunden langsam aufsteigen. Doch jede Sekunde verbrennt das Fahrzeug Tonnen an Treibstoff und wird leichter, sodass derselbe Schub eine immer größere Beschleunigung erzeugt. Am Ende einer Stufe kann die Belastung das Vier- bis Fünffache der Schwerkraft erreichen.

Um die Erdumlaufbahn zu erreichen, sind etwa 7,8 km/s nötig, und keine einstufige Rakete schafft das mit nutzbarer Reserve, weil leere Tanks und Triebwerke totes Gewicht sind. Die klassische Lösung besteht darin, das Fahrzeug in Stufen zu unterteilen: Wenn die erste ihren Treibstoff verbraucht hat, trennt sie sich ab, und die nächste Stufe zündet ihre Triebwerke bereits aus hoher Geschwindigkeit und mit deutlich geringerer Masse. Die 1903 aufgestellte Ziolkowski-Gleichung fasst diese Logik zusammen: Die Endgeschwindigkeit hängt von der Ausströmgeschwindigkeit der Gase und dem Verhältnis zwischen Anfangs- und Endmasse ab. Für eine Rakete bedeutet Fliegen, dieses Verhältnis präzise zu steuern.