Antwort auf die Eingangsfrage Wie funktionieren Raketen? Welchen Vorteil hat der Startplatz? Die Europäische Weltraumorganisation ESA, bei der Österreich Mitglied ist, betreibt in Französisch Guayana einen „Weltraumbahnhof“. Von dort bringen Raketen vom Typ Ariane 5 vor allem Fernmeldesatelliten (bis knapp 10 t Masse) in den Weltraum. Sie besitzen eine Hauptstufe mit Treibstofftank und Triebwerk, und eine Oberstufe, die die Nutzlast befördert und letzte Kurskorrekturen der auszusetzenden Satelliten ermöglicht (18.1). Den Start unterstützen zwei Hilfsraketen (engl. booster). Alle Raketenstufen werden nach Verbrauch ihres Treibstoffs abgeworfen und fallen in den Atlantik oder verglühen in der Erdatmosphäre. Von der Oberstufe aus können die Satelliten mit ihrem eigenen Triebwerk aus einer Bahn in etwa 500 km Höhe in eine geostationäre Bahn in 36000km Höhe über dem Äquator gebracht werden. Dort bewegen sie sich synchron zur Erde, scheinen also relativ zur Erdoberfläche still zu stehen. Mit einer Ariane 5 begann 2004 die 10-jährige Reise der Raumsonde Rosetta zu einem Kometen (18.2), den sie bei seinem Flug um die Sonne zwei Jahre lang bis September 2016 begleitete und erforschte. Das Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften war an diesem Projekt mit der Untersuchung der Staubteilchen des Kometenschweifs beteiligt. Raketen funktionieren nach dem Rückstoßprinzip: In der Brennkammer des Raketentriebwerks verbrennt der Treibstoff zu einem heißen Gas, das unter hohem Druck steht. Durch die Düse strömt es als gerichteter Strahl mit hoher Geschwindigkeit ins Freie aus und gewinnt dabei Impuls. Einen gleich großen entgegengesetzten Impulszuwachs ∆p erhält die Rakete, wodurch sie beschleunigt wird. Die Kraft des Raketentriebwerks auf die Rakete heißt Schub F S. Wenn in der Zeit Δt eine Masse Δm mit der Geschwindigkeit v G aus der Düse strömt, ist ihre Impulsänderung Δp = Δm·v G. Diese Impulsänderung entspricht dem Kraftstoß F S·Δt. Der Schub F S ergibt sich zu F S = ∆ m _ ∆ t ·v G. Der Schub ist daher umso größer, je höher die Geschwindigkeit des austretenden Gases ist und je mehr Gas pro Sekunde ausströmt. Einige Daten zur Ariane 5: Die Startmasse der mehr als 50 m hohen Ariane 5 beträgt ca. 775 t, davon sind über 650 t Treibstoff – die Nutzlast beträgt maximal 16 t. Die Differenz von Schub (11 800 kN) und Startgewicht (7 600 kN) ergibt am Start eine Beschleunigung von ca. 5,5 m/s 2! Die Masse der Rakete nimmt mit zunehmender Flugdauer ab, die Rakete wird leichter und die Beschleunigung nimmt zu. Für geostationäre Satelliten, die sich mit der Erde drehen und daher immer über demselben Punkt des Äquators stehen, ist Kourou in Französisch-Guayana nahe am Äquator ein idealer Startplatz: Durch die Erdrotation dreht sich Kourou mit 460 m/s nach Osten und liefert damit automatisch ca. 15 % der nötigen Satellitengeschwindigkeit von 3 km/s. Satellit 1 Satellit 2 Träger für Satellit 2 Oberstufe Booster ARIANE 5 ECA Treibstoffe O flüssig H flüssig fest fest 2 2 18.1 Schema der Ariane 5-Rakete mit Hauptrakete, zwei Boostern (Starthilfen) und Nutzlast (zwei Satelliten). Die Hauptstufe wird mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff angetrieben. 18.2 Die Erwärmung der Oberfläche des Kometen Tschurjumow- Gerasimenko in Sonnennähe löst Gas- und Staubfontänen aus, deren Zusammensetzung von den Geräten der Rosetta-Sonde (2014/15) analysiert wurde. Kometen stammen aus der Entstehungszeit unseres Planetensystems. 1 W1 W4 a) Schreibe auf einer Seite zusammen, was die Physik unter Impuls versteht. b) Beschreibe den Stoßvorgang an einem Beispiel aus dem Sport, am Zusammenstoß von Fahrzeugen oder am Antrieb von Raketen. Welche Rolle spielt dabei Impulserhaltung? 2 S1 Beschreibe, wie das Konzept Kraftstoß hilft, die Lauftechnik beim Sport und die Rehabilitation nach Verletzungen zu verbessern. 3 S1 a) Erläutere, wie Kopfbälle und Boxschläge gegen den Kopf zu kleinen, oft unbemerkten Gehirnerschütterungen führen können. b) Bei Auffahrunfällen erleiden Insassen oft ein sog. Schleudertrauma. Was passiert dabei? Welche Folgen haben solche Verletzungen? 4 S3 Um Raumsonden zu Himmelskörpern jenseits der Marsbahn zu senden, wird die Swing by-Methode verwendet. Warum ist dies notwendig? Wie funktioniert sie? Erörtere die physikalischen Prinzipien. Weiterführende Fragestellungen 18 Mechanik II Praxis und Vertiefung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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