Versuch Wasserrakete

Raketen

Seit der Mensch den Weltraum erobert hat, wird der Raketenantrieb, die meistgenutzte Antriebsart ausserhalb der Erdatmosphäre, eingesetzt. Er stellt die einfachste Möglichkeit dar, im Luftleeren Raum zu manövrieren.
Die Funktionsweise des Raketenantriebs beruht auf dem Impulserhaltungssatz.
Zur Zeit t ruht die Rakete mit der Masse m ohne Krafteinflüsse. Während der folgenden Zeit Δt wird der Treibstoff der Masse Δm mit der Geschwindigkeit vT ausgestossen. Dabei wird (nach Impulserhaltung) die Rakete auf die Geschwindigkeit v = -vT • Δm/(m - Δm) beschleunigt.
Dies gilt für den Fall, dass der Treibstoff auf einmal ausgestossen wird. Bei einer Beschleunigung über längere Zeit, wie sie in den meisten Fällen anzutreffen ist, muss die sogenannte Raketengleichung angewandt werden:

v(t) = v0 + vT • ln [m0/m(t)]

Im obigen Beispiel würde also die Endgeschwindigkeit

v = vT • ln [m0/(m - Δm)]

betragen.

Diese Geschwindigkeit ist natürlich kleiner als diejenige bei einer sofortigen Ausstossung des gesamten Treibstoffs, da die Masse der Rakete kontinuierlich abnimmt.

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Das Raketenstufenprinzip

Funktionsweise:

Die Rakete ist aus mehreren Teilstuffen aufgebaut, die nach dem Durchbrennen abgeworfen werden.

Vor- und Nachteile:

Durch das Anbringen von mehreren Stufen wird die Endgeschwindigkeit erhöht, da die vorherigen Stufen nach ihrem Abbrennen abgeworfen, und somit nicht mehr auf Endgeschwindigkeit gebracht werden müssen, d.h. nur noch die Masse der Endstufe muss beschleunigt werden.
Bei Mehrstufenraketen wird die Brennschlussgeschwindigkeit addiert, die Massenverhältnisse multiplizieren sich jedoch.
Das heisst, das mit jeder zusätzlichen Stufe die Masse der Endstufe abnimmt, somit werden höchstens 3-4 Stufen verwendet.
Somit ergibt sich, dass man für Raketen mit hoher Geschwindigkeit und wenig Nutzlast Mehrstufenraketen baut, für Transportraketen jedoch möglichst wenig Stufen verwendet. Die Endgeschwindigkeit verringert sich, man erreicht nur niedrige Erdumlaufbahnen. Da aber schwere laste wie bspw. Satelliten gerade dort platziert werden müssen, ist das Ganze nicht so problematisch. Zusätzlich hilft man sich, in dem man neben den Startraketen zusätzliche Hilfsraketen, sogenannte Booster anbringt. Diese können gleichzeitig zur Rakete gezündet werden und beeinträchtigen somit nicht die Masse der Endstufe.

Der Spaceshuttle verwendet nebst zwei Booster einen abwerfbaren Tank für Flüssigsauer- und Wasserstoff, der das mögliche Transportgewicht noch einmal erhöht.
Insgesamt kann der Spaceshuttle 30t Nutzlast sowie 7 Astronauten transportieren,
Trotz ihres ausgeklügelten Systems erreichte sie nie den erwünschten Erfolg. Andere Projekte, zum Beispiel war die unbemannte europäische Rakete Ariane im bereich des Satellitentransports eine harte Konkurrenz.

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Die Mondlandung

Der wohl grösste Erfolg in der Geschichte der Rakete war die Mondlandung von 1969.

16.07

Die Astronauten Edwin E.Aldrin jun., Neil A. Armstrong und Michael Collins starten mit der Flüssigkeitsrakete Apollo 11. Nur 12 min nach dem Start erreicht die ehemals 111m und 2904t schwere Saturnrakete (die 1. und 2. Stufe wurde bereits abgeworfen) die Erdumlaufbahn und macht sich mit 10.8 km/s auf den Weg zum Mond. Neil Armstrong

18.07

Die Rakete erreicht nach einigen kurzen Manövern die Mondumlaufbahn.

20.07

Die 13.5t schwere Mondfähre trennt sich vom Apollo-Schiff und begibt sich auf eine Elliptische Bahn. Am Mondnächsten Punkt (13 Km Abstand) beginnt das Landemanöver.

21.07

Um 03.56 betritt Armstrong als ersten Menschen den Mond. Seine ersten Worte „Das ist ein kleiner Schritt für einen Menschen, aber ein grosser Schritt für die Menschheit.“ gehen in die Geschichte ein. Sein Kollege Aldrin folgt nur wenig später.
Die beiden Astronauten laufen mehr als 2 Stunden auf dem Mond umher. Sie sammlen 21 Kilogramm an Bodenproben ein, fotografieren und führen ein Windexperiment und andere Experimente durch. Noch am selben Tag treten sie die Rückreise zum Apollo-Schiff an, ein Teil der Mondfähre dient als Startbasis. Einige Stunden später docken sie am Apollo-Schiff an, in welchem Collins die ganze Zeit warten musste.

22.07

Nach Abstoss der Mondfähre begibt sich die noch 5.5t schwere Apollo auf Erdkurs.

24.07

Die Kommandokapsel trennt sich vom Versorgungsteil und taucht mit dem Schutzschild voran mit 10.9 Km/s in die Erdatmosphäre ein. Die Kapsel prallt mit 8.3 m/s auf der Meeresoberfläche im Pazifischen Ozean auf. Wegen der immerhin vorhandenen Gefahr einer Vergiftung der Erde durch Mondbakterien müssen die Astronauten beim Verlassen der Kapsel biologische Schutzanzüge anziehen und bleiben für 3 Wochen in Quarantäne.

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Unser Versuch

Die Wasserrakete

Die Theorie des Raketenantriebs kann an einem einfachen Versuch illustriert werden. Die Wasserrakete ist folgendermassen aufgebaut:

Eine PET-Flasche wird zu einem Teil mit Wasser gefüllt und mit einem Ventil verschlossen. Mit einer Velopumpe wird Luft in die senkrecht gestellte Flasche gepumpt. Wenn ein genügend hoher Druck in der Flasche herrscht, wird das Ventil abgesprengt und das Wasser - Luft - Gemisch mit hoher Geschwindigkeit ausgestossen – die Rakete fliegt in die Höhe. Sowohl Wasser, wie auch Luft müssen in der Flasche vorhanden sein:

 

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Fotos unserer Raketenversuche

Vor dem Start

Im Flug

Hier blieb unsere Rakete im Baum stecken.

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Auswertung

Tabelle mit Diagramm über die Messwerte

Versuchsreihe zur Wasserrakete
Mischverhältnis
 Luftdruck zur Zeit des Abschusses (in Bar)
Flughöhe (in m)
Flugzeit (in sek)
Anzahl Pumpstösse
1.5 L
3
15
5
3
15
5
16
3
15
4
17
Durchschnitt
1.5 L Luft
3
15
4.67
16.5
1 L Luft, 0.5 L Wasser
3
20
5
2.5
20
4.5
12
3
20
11
Durchschnitt
1 L Luft, 0.5 L Wasser
2.83
20
4.75
11.5
0.5 L Luft, 1 L Wasser
2.7
15
6
10
6
3
Im Baum
ca. 15 min
9
Durchschnitt
0.5 L Luft, 1 L Wasser
2.85
12.5
7

Was wir schon in der Theorie erkannt haben, bestätigt sich bei unseren Versuchen: Sowohl Wasser, wie auch Luft spielen eine zentrale Rolle bei unserer Rakete.
Wenn wir kein Wasser in die Flasche geben, so fliegt die Rakete zwar bereits, doch kann nicht genügend Masse ausgestossen werden, um grosse Höhen zu erreichen.
Das Mischverhältnis 2 Teile Luft zu 1 Teil Wasser hat sich als ideal herausgestellt.
Wird mehr Wasser eingefüllt, so steht nicht genug Luft zur Energieaufnahme bereit, das grössere Gewicht der Rakete kann nicht sehr hoch transportiert werden.

Messwerte und Ungenauigkeiten:

Der Luftdruck wurde beim Pumpen am Barometer der Pumpe abgelesen. Da das Ventil eine konstante Haftreibung besitzt, ist der Druck in der Rakete beim Start immer ungefähr gleich hoch.
Die Flughöhe wurde von Auge abgeschätzt, was einen grossen Unsicherheitsfaktor in sich birgt.
Die Flugzeit wurde mit der Stoppuhr vom Start bis zum Auftreffen am Boden gemessen. Diese Zeit ist nicht sehr aussagekräftig, da die leere, leichte Rakete beim Herunterfallen sensibel auf Luftwiderstand und Wind reagiert.
An der abnehmenden Anzahl Pumpstösse ist deutlich zu erkennen, dass weniger Luft in der Flasche aufgenommen werden kann. Weniger Pumpstösse bedeuten weniger aufgewendete Energie, was dazu führt, dass bei zuviel Wasser die Flughöhe wieder abnimmt.

Die meisten unserer Messwerte sind leider mit einem recht starken Unsicherheitsfaktor behaftet. Doch obwohl sich nicht sehr detaillierte Aussagen machen lassen, kann mit diesem Versuch sehr anschaulich das Prinzip des Raketenantriebs mit seinen verschiedenen Einflussfaktoren demonstriert werden. Es handelt sich im wahrsten Sinne des Wortes nicht um einen trockenen Versuch, es macht Spass, mit der Wasserrakete zu experimentieren.

Verbesserungsmöglichkeiten und weiterführende Versuche:

Durch Veränderung des Mischverhältnisses kann keine Verbesserung der Rakete erzielt werden, es muss mit anderen Faktoren experimentiert werden. Besonders eine Erhöhung der Ausstossgeschwindigkeit wäre wünschenswert, da eine Steigerung der Treibstoffmasse eine höhere Schubkraft erfordert.

- Andere Flaschengrössen

Bei einem nächsten Versuch könnte das Flaschenvolumen variiert werden. Interessant wäre zu beobachten, wie sich geringerer Luftwiderstand bei kleinen Flaschen und grösseres Fassungsvermögen bei grösseren (z.B. 2L-Falschen) auswirkt.
Man könnte auch versuchen, die aerodynamischen Eigenschaften der Rakete zu verbessern, zum Beispiel mit Hilfe eines Spitzes.

- Steigerung des Druckes

Man könnte versuchen, das Ventil stabiler zu fixieren, damit der Start der Rakete erst bei einem höheren Innendruck erfolgt. Dadurch könnte mehr (elastische) Energie in der Rakete gespeichert werden, was infolge höherer Austrittsgeschwindigkeit eine grössere Flughöhe mit sich bringen würde. Obwohl die üblichen PET-Flaschen für hohe Drücke konzipiert sind, muss man darauf Acht geben, dass sich das Ventil wirklich lösen kann und die Flasche nicht explodiert.

- Ersatz-Treibstoffe

Anstelle von Wasser könnte eine andere Flüssigkeit mit höherer Dichte verwendet werden. Dadurch könnte bei gleichem Luftvolumen ein grösserer Masseausstoss erzielt werden.

- Stufenraketen

Das Prinzip der Mehrstufenrakete (anfolgend erläutert), das bei Weltraumraketen Verwendung findet, könnte unter Umständen auch bei unserer Wasserrakete ausprobiert werden: Man könnte eine unter Druck gesetzte kleine Flasche auf einer grösseren befestigen. Probleme würde sicher der Auslösemechanismus beim Abbremsen der ersten Stufe stellen.

Der Wasserraketenversuch hat neben seiner Einfachheit und Anschaulichkeit eine weitere positive Eigenschaft: Er regt zum Weitertüfteln an.
Da ein Materialset der Rakete im Besitz eines der Experimentierenden ist, werden sicher im privaten Rahmen weitere Experimente mit diesem vielfältigen Versuch angestellt werden.

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2003, by Peter Stoffer und Simon Christen