Was sind Raketen?

Ein Raketentriebwerk funktioniert nach dem dritten Newtonschen Gesetz: Wenn es Gas mit hoher Geschwindigkeit nach hinten ausstößt, erhält es einen gleich großen, entgegengesetzten Schub nach vorne. Im Gegensatz zu einem Düsentriebwerk, das Sauerstoff aus der Atmosphäre zur Verbrennung des Treibstoffs nutzt, führt eine Rakete sowohl Treibstoff als auch Oxidationsmittel mit sich. Diese Unabhängigkeit von der Luft erlaubt ihr den Betrieb im Vakuum des Weltraums, zwingt sie aber auch dazu, eine enorme Masse mitzuführen: Bei einer typischen Orbitalträgerrakete sind mehr als 85 % der Masse auf der Startrampe Treibstoff.

Feststoffraketen, Nachfahren des chinesischen Feuerwerks aus dem 13. Jahrhundert, vermischen Treibstoff und Oxidationsmittel zu einem einzigen Block, der auf einmal verbrennt; sie sind einfach und stark, lassen sich aber nicht abschalten oder regeln. Flüssigtreibstoffraketen, erstmals erfolgreich von Robert Goddard 1926 geflogen, pumpen zwei getrennte Flüssigkeiten in die Brennkammer, etwa Kerosin oder Wasserstoff mit flüssigem Sauerstoff; sie sind komplexer, lassen sich aber drosseln, abschalten und wieder zünden, was sie für Manöver und Landungen unverzichtbar macht. Hybride verbinden einen festen Treibstoff mit einem flüssigen Oxidationsmittel und besetzen eine kleine Nische.

Um die niedrige Erdumlaufbahn zu erreichen, sind etwa 7,8 km/s nötig, zuzüglich der Verluste durch Schwerkraft und Luftwiderstand. Keine einstufige Rakete erreicht dies mit einer sinnvollen Nutzlast, daher werden Trägerraketen in Stufen unterteilt, die sich nach dem Verbrauch trennen und so das Fahrzeug leichter machen. Die Größen reichen von wenige Meter langen Höhenforschungsraketen bis zu Giganten wie der Saturn V oder Starship; bei allen setzt die Ziolkowski-Gleichung die erreichbare Geschwindigkeit mit der Ausströmgeschwindigkeit der Gase und dem verbrannten Massenanteil in Beziehung.