mini|Start der Atlas V 551 mit New Horizons an Bord mit chemischem Raketenantrieb. Ein RD-180 und fünf Feststoffbooster.

Antriebsmethoden für die Raumfahrt sind Techniken zur Geschwindigkeitsänderung von Flugkörpern (wie Raumfahrzeugen) zum Erreichen des Weltraums und/oder zum Flug im Weltraum. Es existieren sehr viele verschiedene Varianten mit zahlreichen Vor- und Nachteilen sowie mit sehr unterschiedlichen technischen Reifegraden. Darunter technisch nahezu ausgereifte, in der Entwicklung befindliche und nur theoretisch vorgeschlagene bzw. simulierte Methoden. Das Thema ist Gegenstand aktueller Forschung sowie zahlreicher populärwissenschaftlicher Spekulationen und findet sich auch im Science-Fiction-Bereich.

Das Ziel einer Antriebsmethode ist die Bereitstellung von delta v, das heißt Geschwindigkeitsänderung des Raumfahrzeugs. Da in der Raumfahrt sehr große Distanzen überbrückt werden müssen, sollte auch die Geschwindigkeit des Raumschiffes sehr groß sein und somit auch der spezifische Impuls der Antriebsmethode. Zudem sollte eine Antriebsmethode auch erhebliche Beschleunigungskraft erzeugen, um die Reisezeit so kurz wie möglich zu halten. Dies ist besonders bei bemannten Missionen wichtig.

Antriebsmethoden sind unter anderem die Antriebssysteme. Bei den heute verwendeten Antriebssystemen handelt es sich ausschließlich um Rückstoßantriebe im Rahmen des dritten Newtonschen Gesetzes. Von diesen in der Praxis befindlichen Raketenantrieben sind die häufigsten die chemischen Antriebe (Wärmekraftmaschinen mit Verbrennung), worunter die Feststoff- und Flüssigkeitstriebwerke fallen. Es gibt in der Gruppe der Raketentriebwerke auch elektrische und nukleare Varianten sowie Ausführungen mit Kaltgas. Mitunter können auch spezielle Flugmanöver eingesetzt werden, um ein Raumfahrzeug zu beschleunigen oder seine Flugbahn in eine bestimmte Richtung zu lenken, z. B. ein Swing-By-Manöver.

Zu den Antriebssystemen gehören theoretische Alternativkonzepte bei den Raketenantrieben mit Start- und Abschussmechanismen, Methoden ohne Treibstoffbedarf.

Neben den Hauptantriebssystemen zum Beschleunigen des gesamten Raumfahrzeugs werden kleine Triebwerke auch zum Manövrieren und zur Lageregelung eingesetzt.

Notwendigkeit Um eine stabile Umlaufbahn um die Erde, den Mond oder einen anderen Planeten einzunehmen, ist das Erreichen der ersten kosmischen Geschwindigkeit notwendig. Körper im All selbst bewegen sich auf Keplerbahnen. Um den Orbit eines Körpers zu ändern, ist eine Geschwindigkeitsänderung nötig. Dieses muss gemäß der Ziolkowski-Gleichung vom Antrieb eines Raumfahrzeugs erreicht werden:

Dabei ist die Geschwindigkeitsänderung, die effektive Ausströmgeschwindigkeit, die Startmasse und die Brennschlussmasse, wobei letztere insbesondere bei Raketenstufen wichtig ist. Die effektive Ausströmgeschwindigkeit ergibt sich aus dem gewichtsspezifischen Impuls :

Dabei ist die Fallbeschleunigung. Diese Beschleunigung ist wiederum von der Höhe abhängig und beträgt an der Erdoberfläche . Zudem ist die Nutzlastkapazität zu berücksichtigen. Manchmal beträgt die Nutzlast nur 2 % der Startmasse, etwa bei der Verwendung von Trägerraketen.

Da zum Erreichen eines Zieles manchmal das mehrmalige Wechseln der Umlaufbahn nötig ist, kann ein so genannter delta-v-Bedarf definiert werden, der die Summe aller Geschwindigkeitsänderungen darstellt, die der Antrieb des Raumfahrzeugs erreichen muss.

Ist das Ziel nicht das Erreichen einer Umlaufbahn um den Startplaneten, sondern das Erreichen eines anderen Himmelskörpers, so kann ein Raumfahrzeug auch durch Flugmanöver beschleunigt werden wie beispielsweise dem Swing-By (Beispiel: Flugbahn der Rosetta-Sonde).

Ansonsten ist auf interplanetaren Flügen nur selten eine Beschleunigung notwendig. In Einzelfällen ist eine freie Rückkehrbahn möglich, so dass kein weiterer Antrieb (Schubimpuls) hierfür notwendig ist.

Konzepte für Antriebssysteme Die Auflistung enthält folgende Hinweise: Technologischer Reifegrad (TRL) / Verwendungszweck “T” TRL 0–2: theoretisch “E”; TRL 3–7: erforscht “F”; TRL 8–9: fliegt bereits : ungefährer maximaler spezifischer Impuls Schub: ungefährer Schubbereich des Antriebssystems in Newton.

Gasantrieb Hier wird Inertgas unter Druck gespeichert. Der Druck ist eine (oder die einzige) Energiequelle des Treibstoffes.

Kaltgasantrieb

Dieser dient zur Änderung der Ausrichtung des Raumfahrzeugs.

Verwendung: Lageregelung (F)

Beim Kaltgasantrieb wird ein oft unter hohem Druck stehendes Gas, meist Stickstoff, aus einem Behälter über Düsen entspannt.

: ≈ 40–120 s Schub: wenige µN bis ca. 100 N

Solarthermisch

Verwendung: Antrieb (E)

Bei einem solarthermischen Antrieb konzentrieren zwei aufblasbare Parabolspiegel die Sonnenstrahlung auf einen Graphitblock, durch den Wasserstoff geleitet wird, der dadurch auf etwa 2800 Kelvin aufgeheizt wird.

: 900 s Schub: 1–100 N

Lightcraft

Verwendung: Start von Kleinsatelliten (E)

Das Konzept des Lightcrafts ist eine Art Antrieb durch Laser: Das Raumfahrzeug bekommt durch einen auf der Erdoberfläche befindlichen Laser oder Maser Energie zur Beschleunigung zugeführt. Der Strahl trifft dazu auf einen Reflektor und erzeugt dort hohe Temperaturen, was zur Expansion des am Reflektor befindlichen Treibstoffes führt; die Ausdehnung des Treibstoffes übergibt einen Teil des Impulses an den Flugkörper. Beim Flug innerhalb der Erdatmosphäre sollen die darin befindlichen Gase ausreichen, sodass der Treibstoff des Flugkörpers erst in größeren Höhen notwendig wird. Das Konzept soll für Kleinsatelliten verwendet werden. Das momentan größte Hindernis ist, dass die benötigte Laserstärke nicht bereitgestellt werden kann.

: unbekannt Schub: unbekannt

Chemische Antriebe

Chemische Antriebe beziehen ihre Energie aus der exothermen Reaktion von chemischen Elementen. Die Abgase werden anschließend durch eine Lavaldüse entspannt. Chemische Antriebe sind schubstark, haben aber eine im Vergleich mit anderen Antrieben geringe Ausströmgeschwindigkeit.

mini|Start einer Scout-Feststoffrakete

Feststoff

Verwendung: Start, Antrieb (F)

Bei den existierenden chemischen Varianten liegt beim Feststoffraketentriebwerk der Treibstoff in fester Form vor, der Treibstofftank ist hierbei auch die Verbrennungskammer. Festtreibstoffe können homogene oder auch heterogene Feststoffe (Composits) sein, die neben dem Brennstoff und dem Oxidator noch andere Zusätze (Stabilisatoren) enthalten. Für Feststoffraketen, wie sie in der Raumfahrt üblich sind, werden meist spezielle gießfähige Gemische aus Ammoniumperchlorat (APCP) oder Natrium- bzw. Ammoniumnitrat, Aluminiumpulver, Kunstharz (Polybutadiene, Polyurethane etc. als Bindesubstanz) und eventuell geringen Mengen Eisenoxid als Katalysator verwendet. Diese Gemische ergeben nach dem Gießen einen festen, aber plastischen Körper (Treibsatz), was Riss- und Lunkerbildung stark vermindert. Ebenso werden Transport und Handhabung sehr sicher. Zunehmend wird anstelle oder zusätzlich zu Aluminium auch Lithium, Beryllium, Bor oder Magnesium verwendet.

: 265 s Schub: 1–1000 kN

Flüssigtreibstoffe Monergol Verwendung: Lageregelung, Antrieb (F)

Bei monergolen Flüssigtreibstoffen handelt es sich um nur eine flüssige Komponente. Monergole werden durch das Hinzubringen eines Katalysators zum Zerfall gebracht, weswegen für Monoergole auch der Begriff Katergole zulässig ist. Ein Beispiel für ein Katergol ist Hydrazin, welches zum Beispiel für Lageregelungssysteme von Raumflugkörpern verwendet wird. Hierbei wird Hydrazin mit Hilfe eines Katalysators (Aluminiumoxid) zu Stickstoff und Wasserstoff zersetzt.

: 222 s Schub: 0,1–2500 N

mini|Testlauf eines SSME-Triebwerks als Beispiel eines Diergol-Antriebs

Monergole weisen i. d. R. eine schlechtere Effizienz als Diergole auf, d. h. sie benötigen für dasselbe Delta-V mehr Treibstoff, allerdings können sie dies wieder durch weniger komplexe Systeme und geringere Systemmasse ausgleichen (z. B. Wegfall des Tank- und Fördersystems der zweiten Treibstoffkomponente). Erst bei langen Missionen, bei denen viel Treibstoff benötigt wird, reicht dies nicht mehr.

Diergol

Verwendung: Lageregelung, Antrieb, Start (F)

Bei Diergolen existieren zwei Komponenten des Treibstoffes, die gesondert gelagert werden. Der Treibstoff wird unmittelbar vor dem Verbrennungsprozess gesteuert in eine Brennkammer gepumpt. Dort reagieren die Stoffe miteinander.

: 450 s Schub: 0,1–1000 kN

Triergol Verwendung: Antrieb, Start (E)

Triergolsysteme (Dreistoffsysteme) enthalten Diergolsysteme (zwei Komponenten), denen noch zusätzlich Wasserstoff oder Metallpulver (Lithium, Aluminium, Beryllium) zur Erhöhung des spezifischen Impulses zugeführt wird. Diese Treibstoffsysteme wurden zwar bisher gut untersucht, jedoch wegen des drei Tanks benötigenden komplexen Aufbaus von Triebwerk und Rakete nie praktisch eingesetzt.

: 500 s Schub: 1–1000 kN

Hybridrakete

Verwendung: Antrieb (E) , Start (F)

Bei Hybridraketentriebwerken liegt sowohl flüssiger als auch fester Treibstoff vor. Als Hybridtreibstoff (Lithergol) bezeichnet man einen Mischantrieb aus einem festen Treibstoff, meistens aus Kunststoff, zum Beispiel Hydroxyl-Terminiertes Poly-Butadien (HTPB) oder Lithiumhydrid und einem flüssigen Oxidator. Dieser ist meistens Salpetersäure, flüssiger Sauerstoff, Distickstoffmonoxid oder eine Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Fluor (FLOX). Der flüssige Treibstoff wird dem Festen kontrolliert zugeführt. Damit wird die Regel- und Abschaltbarkeit des Triebwerks hergestellt, was bei reinen Feststoffraketen technisch nicht möglich ist.

: 420 s Schub: 5–1000 kN

Luftatmend

mini|Das X-30 war als luftatmendes Raumflugzeug geplant

Verwendung: Start (E)

Ein luftatmendes Raketentriebwerk wird zum Aufstieg aus der Erdatmosphäre benutzt. Der Vorteil ist, dass der Luftsauerstoff als Oxidator benutzt werden kann und nicht mitgeführt werden muss. Für große Höhen muss allerdings weiterhin ein Oxidator mitgeführt werden, da der Luftsauerstoff zum Betrieb des Triebwerks nicht mehr ausreicht.

: 450–2800 s Schub: ≈ 300 kN

Allotrope

Verwendung: Start, Antrieb (E)

Die Verwendung des Sauerstoffallotrops Ozon als Oxidator würde die Ausströmgeschwindigkeit erhöhen. Da Ozon aber instabil ist, ist eine Lagerung sehr schwer wenn nicht unmöglich. Das Allotrop Tetrasauerstoff soll stabiler sein. Damit wären spezifische Impulse von bis zu 564 s im Vakuum möglich.

: 500–564 s Schub: 1–1000 kN

Elektrische Antriebe

Elektrische Antriebe verwenden elektrische Energie, um ein Raumschiff anzutreiben.Dan M. Goebel et al.: Fundamentals of electric propulsion - Ion and Hall thrusters. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3, S. 3. Dies kann durch Aufheizung oder Ionisierung des Treibstoffes (hier Stützmasse genannt) geschehen. Generell sind elektrische Antriebe zurzeit schubschwach, ein Start von der Oberfläche eines Planeten ist damit unmöglich. Um möglichst hohe Leistungen zu erbringen, muss auch die Energiezufuhr möglichst groß sein. Die Energie kann durch Solarzellen oder Radioisotopengeneratoren erzeugt werden.

Bei Satelliten sind elektrische Antriebe heute weit verbreitet; die meisten neuen geostationären Satelliten verwenden diese Antriebsart.

Widerstandsbeheiztes Triebwerk

Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung (F)

Bei einem widerstandsbeheizten Triebwerk wird der Treibstoff durch einen stromdurchflossenen Widerstand aufgeheizt. Dies kann zum Beispiel ein Wolframdraht sein, das Prinzip gleicht dem eines Tauchsieders.

: 1000 s Schub: 152 mN @ 1 kW

Thermisches Lichtbogentriebwerk

Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung, Antrieb (F)