Eine Rakete ist nach einer Nähspule benannt. Das Wort stammt vom italienischen rocchetto, was Spule bedeutet, da frühe Versionen wie die spindelförmigen Spulen aussahen, die zum Aufwickeln von Faden verwendet wurden. Dies ist eine seltsame Ursprungsgeschichte für eine Maschine, die schließlich Menschen über die Atmosphäre hinaustrragen sollte.
Im Kern ist eine Rakete einfach: ein längliches Fahrzeug, das den Treibstoff, den es mit sich trägt, verbrennt, um zu beschleunigen, ohne dass es umgebende Luft benötigt. Diese einzelne Designentscheidung ist das, was eine Rakete von einem Düsentriebwerk unterscheidet, und es ist der Grund, warum Raketen dort fliegen können, wo Düsentriebwerke nicht können: durch das Vakuum des Weltraums, wo ein Raketenmotor tatsächlich besser funktioniert als auf Meereshöhe.
Die Geschichte der Rakete reicht viel weiter zurück als das Raumfahrtzeitalter. Sie erstreckt sich durch chinesische Arsenale, indische Schlachtfelder, russische Holzhütten und deutsche Raketenbunker, bevor sie jemals absichtlich die Atmosphäre verließ. Hier ist die Geschichte, wie eine spulenförmiges Feuerwerk zu einem Raumschiff wurde.
Nicht ein Düsentriebwerk mit besserer Marketingstrategie
Düsentriebwerke atmen. Sie saugen Sauerstoff aus der umgebenden Luft ein und vermischen ihn mit Treibstoff zum Verbrennen. Eine Rakete hingegen verpackt sowohl den Treibstoff als auch das Oxidationsmittel in ihrem eigenen Körper, sodass sie niemals etwas einatmen muss. Dieser eine Unterschied ist das, was einer Rakete ermöglicht, durch die Leere des Weltraums zu fliegen, wo es keine Luft zum Einatmen gibt.
Der kontraintuitive Teil ist das, was mit der Leistung passiert, wenn die Luft verschwindet. Raketenmotoren tolerieren nicht nur das Vakuum, sie funktionieren dort tatsächlich effizienter als in der Atmosphäre. Alles, das auf dem Boden gut funktioniert, funktioniert offenbar noch besser, wenn es diesen verlässt, was bei fast allen anderen Motortypen, die Menschen gebaut haben, umgekehrt ist.
Geburt in der Song-Dynastie China
Raketen, gebaut für Krieg und Feier, gehen mindestens bis ins 13. Jahrhundert in China zurück, was die Rakete zu einer der ältesten Waffen macht, die noch heute aktiv in Gebrauch ist, nur jetzt auf etwas viel ehrgeizigeres Ziel ausgerichtet. Nach Historiker Joseph Needham hatte die Song-Dynastie-Marine bereits Raketen, die organisiert genug waren, um sie in einer dokumentierten Militärübung 1245 einzusetzen.
Dieses Datum ist wichtig, da es bedeutet, dass Schwarzpulverraketen ein fester Bestandteil des Militärwerkzeugs eines Staates waren, Jahrhunderte bevor Europa etwas Äquivalentes hatte, mit ihrem Ursprung als Marine- und Schlachtfeldwaffe fest in Song China verankert.
Der Drache, der aus dem Wasser schoss
Moderne Raketen fliegen fast immer in Stufen und werfen leere Treibstofftanks ab, während sie aufsteigen, sodass das Fahrzeug leichter und schneller wird. Diese Idee ist keine Erfindung des 20. Jahrhunderts. Ein chinesisches Militärhandbuch aus dem 14. Jahrhundert namens Huolongjing beschreibt ein Gerät namens "Feuerdrache aus dem Wasser", das die älteste bekannte mehrstufige Rakete ist, gebaut für die chinesische Marine.
Der Name allein deutet auf die Designlogik hin: eine Rakete, die aussehen sollte, als würde sie unter Wasser herausbrechen, indem sie eine Stufe zum Bewegen und eine zweite zum Weitermachen verwendet, die gleiche abgestufte Logik, die jede mehrstufige Rakete, die seit jeher gebaut wurde, in der einen oder anderen Form befolgt.
Eiserne Gehäuse aus einem indischen Königreich
Jahrhunderte nach den ersten chinesischen Raketen waren die meisten Raketenkörper aus Papier oder dünnem Metall, das unter Druck platzen konnte. Das änderte sich Ende des 18. Jahrhunderts, als das Königreich Mysore unter der Herrschaft von Hyder Ali die Mysorean-Raketen baute, die ersten erfolgreichen Eisengehäuse-Raketen der Geschichte.
Ein Eisengehäuse ermöglichte einer Rakete, höheren inneren Druck zu halten, ohne zu versagen, was mehr Schub und größere Reichweite bedeutete. Als das Design später Großbritannien erreichte, inspirierte es das Congreve-Raketenprogramm, dessen größtes Modell, die 32-Pfund-Granate, einen Stock mitnahm, der 15 Fuß lang war, nur um es fliegen zu lassen. Eine indische Schlachtfeld-Innovation war innerhalb einer Generation zur Befestigung der europäischen Artillerie geworden.
Eine griechische Idee zweitausend Jahre zu früh
Das älteste bekannte Gerät, das die grundlegenden Prinzipien des Raketenflugs demonstriert, war überhaupt keine Waffe. Um 400 v.Chr. baute der griechische Pythagoräer Archytas einen hölzernen Vogel, hängte ihn an Drähten auf und trieb ihn mit Dampf als Antriebskraft entlang dieser an.
Es kam dem Weltraum nicht näher, und niemand baute lange Zeit auf die Idee auf. Aber das Grundprinzip, dass das Ausstoßen eines Gasstrahls in eine Richtung ein Objekt in die andere Richtung drückt, ist genau das, worauf jeder chemische Raketenmotor heute noch verlässt. Archytas kam darauf lange vor, bevor jemand Schießpulver hatte, um es damit zu versuchen.
Der Mann, der Raumfahrt auf dem Papier entwarf
Lange bevor eine Rakete die Atmosphäre verließ, arbeitete ein Schullehrer in provinziellem Russland die Mathematik aus, wie eine dies irgendwann könnte. Konstantin Tsiolkovsky wird als der Vater der Raumfahrt angesehen, und er war auch die erste Person, die sich die Raumaufzug vorstellte, eine Idee, auf die er 1895 nach dem Anblick des neu gebauten Eiffelturms kam.
Sein wichtigstes Papier über das Erkunden des Weltraums mit raketenbetriebenen Geräten erschien im Mai 1903, Jahrzehnte bevor eine Regierung die Technik oder das Geld hatte, seine Gleichungen zu testen. Er arbeitete die Physik der Orbitalraketentechnik mit wenig mehr als einer Tafel aus, in einem Land, das nichts für ein halbes Jahrhundert später in die Umlaufbahn bringen würde.
Eine Waffe, die versehentlich den Weltraum erreichte
Die erste Rakete, die absichtlich die Atmosphäre verließ, wurde entworfen, um Städte zu zerstören, nicht um sie zu erforschen. Der Testflug MW 18014 startete am 20. Juni 1944, überschritt die Kármán-Linie und wurde das erste menschengemachte Objekt, das jemals den Weltraum erreichte.
Dieser Meilenstein kam inmitten einer Bombardierungskampagne. Ab September feuerten die Wehrmacht über 3.000 dieser Raketen auf alliierte Städte ab, trafen zunächst London, dann Antwerpen und Lüttich. Die gleiche Technik, die zum ersten Mal den Weltraum berührte, war damals ein Werkzeug des Terrors, eine düstere Erinnerung daran, dass die militärischen und wissenschaftlichen Wege der Raketentechnik nie vollständig getrennt waren.
Warum Raketen in Abschnitten kommen
Staging ist nicht nur eine historische Kuriosität aus dem Huolongjing, es ist immer noch das Arbeitsprinzip hinter der Erreichung einer Umlaufbahn. Zwischen 1948 und 1950 testeten Ingenieure die RTV-G-4-Bumper-Serie in White Sands und später Cape Canaveral und bauten die ersten Hochgeschwindigkeits-Mehrstufenraketen der modernen Ära. Eine von ihnen erreichte eine Höhe von 393 Kilometern über White Sands am 24. Februar 1949, die größte Höhe, die irgendeine Rakete dort erreicht hatte.
Die Physik hinter Staging ist unkompliziert: Totes Gewicht loszuwerden, das halb durch den Flug gehen muss, lässt die verbleibenden Motoren ein leichteres Fahrzeug beschleunigen. Die erste Stufe der Saturn V musste die gesamte Masse von allem darüber heben, und erzielte dennoch eine Massenverhältnis von etwa 10 und einen spezifischen Impuls von 263 Sekunden, Zahlen, die zeigen, warum Ingenieure nach der leichtesten möglichen Stufe suchen, die immer noch zusammenhält.
Jedes Joule aus dem Abgas herausholen
Die trockene Struktur eines Raketenmotors, alles, was übrig bleibt, sobald der Treibstoff verbraucht ist, macht oft nur 5 bis 20% der Gesamtstartmasse des Fahrzeugs aus. Dieser kleine Hardware-Anteil, nicht der Treibstoff, den er trägt, ist das, das letztendlich die Kosten eines Raketenprogramms dominiert, da der Bau von Tanks und Motoren, die leicht und stark sind, viel schwieriger ist als sie mit Treibstoff zu füllen.
Das Beste aus dieser Hardware herausholen kommt auf die Düse an. Raketendüsen verwenden nahezu adiabatische Formen mit hohem Expansionsverhältnis, die das Abgas kühlen und beschleunigen, was eine Energieeffizienz von bis zu 70% erreicht. Die Treibstoffwahl ist auch wichtig: Wasserstoff und Sauerstoff zusammen liefern den höchsten spezifischen Impuls jeder chemischen Treibstoffkombination im Gebrauch, aber die Dichte von Wasserstoff beträgt nur etwa ein Vierzehntel der von Wasser, daher benötigen Motoren, die ihn verbrennen, größere, schwerere Turbopumpen, die das Schub-zu-Gewicht-Verhältnis beeinträchtigen, ein Kompromiss, der bei dem Vergleich eines Motors wie der RS-25 gegen ein dichter betriebenes Design wie das NK-33 sichtbar ist.
Keiner dieser Kompromisse ist in einem Jahrhundert der Raketentechnik verschwunden. Jeder Start ist immer noch eine Verhandlung zwischen dem toten Gewicht, das ein Fahrzeug abwerfen kann, wie effizient seine Düse das Abgas formen kann, und wie dicht ein Treibstoff ist, den es wagt zu verbrennen, die gleichen Kompromisse, die ein chinesischer Arsenaloffizier und ein russischer Schullehrer bereits lange umkreisten, bevor eines davon einen Namen auf Englisch hatte.