Saturn v - mehrstufenrakete

1. Wie ist eine Mehrstufenrakete aufgebaut?

2. Warum ist es eine Mehrstufenrakete?
3. Wie funktioniert Sie (Tanks; Steuerung der Geschwindigkeit)?
4. Nach wie vielen Sekunden wird welches Teil abgesprengt?
5. Was für Problematiken ergeben sich?

6. Was passierte bei Apollo 13?

Zu 1. Die Saturn V ist eine Mehrstufenrakete und besteht aus drei Hauptstufen.

Die erste Stufe mißt eine Länge von 41 Metern und 10 Metern im Durchmesser.
Sie wird von fünf F-1 Triebwerken angetrieben. Außer dem Mitteltriebwerk, welches starr angebracht ist, sind die andern 4 zur Flugstabilisation freibeweglich.

Ein Triebwerk liefert einen Schub von 1,5 Mill Pfund oder 750.000 kg. Insgesamt ergibt sich ein Schub von 7,5 Mill Pfund oder 3,75 Mill kg.

Hauptbestandteil der ersten Stufe sind zwei Treibstofftanks. Im ersten befinden sich 810.000 l Kerosin, im zweiten 1.315.000 l flüssiger Sauerstoff. Daraus ergibt sich eine gesamt Treibstoffmasse von 2.125.000 l.
Der Durchschittsverbrauch liegt bei ca. 15t Treibstoff oder ca. 15.000 kg pro Sekunde.
Der gesamte Treibstoff reicht für eine Brenndauer von ca. 141 Sekunden oder ca. 2 min 21 Sekunden.
Die zweite Stufe mißt eine Länge von 25 Metern und ebenfalls 10 Metern im Durchmesser
Sie wird von fünf J-2 Triebwerken angetrieben, die insgesamt einen Schub von ca. 1.Mill Pfund oder ca. 500t liefern.
Die fünf J-2 Triebwerke verwenden ein Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff. Da Wasserstoff und Sauerstoff eine sehr hohe Temperatur unter dem Gefrierpunkt haben (Wasserstoff -252C ; Sauerstoff -182C) ist die zweite Stufe besonders isoliert.
Der flüssig Wasserstofftank, welcher etwa 3 mal größer ist als der flüssig Sauerstofftank, nimmt ca. 75 % der zweiten Stufe in Anspruch. Daraus ergibt sich eine Menge von 1.020.000 l flüss. Wasserstoff und 331.000 l flüss. Sauerstoff.
Die Gesamtmenge von Treibstoff wird in weniger als 7 Minuten verbraucht.

Die dritte Stufe mißt eine Länge von 17 Metern und 6 Metern im Durchmesser.

Sie wird durch ein J-2 Triebwerk angetrieben, welches zur Fluglagenkontrolle freibeweglich angebracht ist.
Die Tankkapazität der dritten und letzten Stufe beträgt 253.000 l flüss. Wasserstoff und 77.000 l flüss. Sauerstoff.

Insgesamt mißt die Saturn V eine Länge von 111 Metern, vergleichbar mit "einem Hochhaus" und hat ein Gesamtgewicht von 2,812t.



Zu 2. Warum ist es eine Mehrstufenrakete?
Es ist deshalb eine Mehrstufenrakete, da die leeren Treibstoffbehälter (Stufe 1-2) abgeworfen werden. Wenn die Saturn V startet, hat Sie ein Gewicht von ca. 3000 Tonnen.
Wenn Sie dann nach 141 Sekunden die 1. Stufe abwirft, hat Sie nur noch ein Gewicht von ca. 1600 Tonnen. D.h. das die 2. Raketenstufe weniger Masse transportieren muß und dadurch die Endgeschwindigkeit schneller erreicht.
Am Ende bleibt von der Saturn V nur noch die 3. Stufe mit einem Gewicht von 45 Tonnen übrig, die dann die Astronauten zum Mond befördert.

Zu 3. Die Saturn V ist eine Flüssigkeitsrakete
Bei Flüssigkeitsraketen sind Treibstoff (flüss. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (flüss. Sauerstoff) in getrennten Tanks untergebracht. Das Oxidationsmittel wird benötigt, damit der flüss. Wasserstoff verbrennt. Da man für eine Verbrennung ja Sauerstoff benötigt und dieser in großer Höhe, sowie im Weltall nicht mehr viel bzw. überhaupt nicht vorhanden ist.
Diese werden mit Hilfe von Turbopumpen in die Brennkammer gepumpt. Aufgrund der höheren Verbrennungstemperaturen (bis 4200C) besteht die meist zylindrische Brennkammer große Triebwerke fast ausschließlich aus längsverlaufenden Kühlröhrchen durch die der Brennstoff vor der Einspritzung zwecks Kühlung geleitet wird.
Bei der ersten Stufe der Saturn V werden die "Heliumtanks" zur Kühlung benutzt.

Bei Flüssigkeitsraketen ist es relativ einfach den Schub durch Drosselung der Treibstoffzufuhr zu regeln und die Rakete nach Brennschluß erneut zu zünden. Schwenkbar angebrachte Triebwerke werden zur Lage- und Kursstabilisierung durch Änderung der Schubrichtung.


Zu 4. 1.Nach wie vielen Sekunden wird was Abgesprengt?
2.Welche Geschwindigkeit nach welcher Zeit?
Zu 1. Die Saturn V schon nach 1.05 Minuten Mach 1 erreicht
Die erste Stufe wird nach 2.15 Minuten abgeworfen. Zu diesem Zeitpunkt lasten 3.98 G auf den Astronauten. 4,4 Sekunden nach dem Abwurf zünden die Triebwerke der 2. Stufe.
Während dieser Zeit wird auch die Rettungsrakete abgeworfen. Dann, nach ca. 7 Minuten wird die 2.Stufe abgeworfen und nach 6,5 Sekunden zünden die Triebwerke der 3. Stufe.

Zu 5. Eine besondere Problematik bei den Mehrstufenraketen ist:
Die Trennung muß gleichzeitig und mit der richtigen Kraft voneinander getrennt werden. Dies geschieht durch Federn, Sprengbolzen, oder Sprengschnüren. Außerdem gibt es Querschubraketen. Natürlich darf die nächste Brennstufe erst nach ein paar Sekunden gezündet werden.





Zu 6. Apollo 13
Am 11. April 1970 startete Apollo 13, mit den Astronauten Lovell, Fred W. Haise jun. und John L. Swigert jun. an Bord. Die Astronauten befanden sich in einer äußerst kritischen Lage und entschlossen sich, die geplante Landung auf der Mondoberfläche aufzugeben. Sie traten die Rückreise zur Erde an und wasserten am 17. April im Südpazifik.
Apollo 13 sollte die dritte bemannte Landung auf dem Mond bewerkstelligen, jedoch ereignete sich auf dem Hinflug zum Erdtrabanten nach 56 Stunden Missionsdauer eine Explosion an Bord des Service-Modules. Hierbei verlor das Modul den Flüssigsauerstoff als auch die lebensnotwendige Energie, die den Sauerstoff herstellte als auch lebenswichtiges Wasser.
Die Explosion wurde eingeleitet, als die Lüfter des Flüssigsauerstofftanks Nummer 2 eingeschaltet wurden. Nach zwei Sekunden ereignete sich ein Kurzschluss, der das Ventil von Treibstoffzelle 3 zu früh öffnete. Dadurch entstand ein Überdruck von 1008 psi. Der Druck baute sich weitere 9 Sekunden auf, bevor die Zellen den Druck nicht mehr ausgleichen konnten. Ein dumpfer Schlag erschütterte das Raumschiff und die Instrumente spielten verrückt. Die Schweißnaht am Tank riß auf und die Daten, die normalerweise zur Bodenkontrollstation in Houston gesendet wurden, rissen ab.