Stufenrakete
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Als Stufenrakete bezeichnet man übereinander montierte Raketen abnehmender Größe, bei denen durch Abwurf der jeweils leergebrannten Stufe(n) die nutzbare Energie optimiert wird.
Die meisten der in der Raumfahrt eingesetzten Stufenraketen besitzen drei Stufen, es gibt aber auch zwei-, vier- und fünfstufige Systeme. Viele Raketen können mit verschiedenen Oberstufen ausgestattet werden. Dann besitzt meistens die Oberstufe und die Unterstufen jeweils ihr eigenes Steuerungssystem (Systeme von Kreiseln und anderen Sensoren). Andere Raketen wie die Ariane haben grundsätzlich nur ein Steuerungssystem, das an der obersten Stufe sitzt, und alle Stufen steuert (auch bei Versionen mit verschiedenen Oberstufen wie Ariane 5 GS und Ariane 5 ECA). Die Oberstufe wird meist durch eine kleine Sprengladung von ihrer Unterstufe abgetrennt, bevor sie zündet.
Die Endgeschwindigkeit setzt sich aus den von jeder Stufe einzeln erreichten Geschwindigkeiten zusammen, wenn man von der negativen Beschleunigung durch das Erdschwerefeld absieht:
wobei c1 die Ausströmgeschwindigkeit der Gase aus dem Triebwerk der ersten Stufe ist (einige km pro Sekunde), und ln m für den Logarithmus des jeweiligen Massenverhältnisses von Startgewicht zu Leergewicht steht. Dabei ist zu beachten, dass m1 als Leergewicht auch die zweite und dritte Stufe zu tragen hat usw., jedoch m3 nur mehr die Nutzlast - den bzw. die Satelliten.
Das Leergewicht wird nicht nur von der Raketenhülle bestimmt (die aus Gründen der Stabilität nicht zu dünn sein darf), sondern auch von der Lavaldüse und den Treibstoff-Pumpen und Hilfsaggregaten. Bei günstig gebauten Raketen liegt das Masseverhältnis über 5, sodass Triebwerke mit Düsengeschwindigkeiten um c = 3 km/s etwa 5 km/s erreichen (3· ln 5 = 4,8 km/s). De facto verringert aber die Schwerkraft die Geschwindigkeit der Raketenstufen deutlich (um etwa 2 km/s bei drei Minuten Brenndauer), sodass erst eine Rakete mit drei Stufen die Erdumlaufbahn erreichen kann (mind. 8 km/s).
