Wie Mehrstufenraketen funktionieren – und warum sie notwendig sind

Das physikalische Problem, das jede Rakete lösen muss

Jede Rakete steht vor der gleichen unerbittlichen Arithmetik: Um eine Umlaufbahn zu erreichen, muss ein Trägerfahrzeug auf etwa 7,8 Kilometer pro Sekunde beschleunigen. Das erfordert enorme Mengen an Treibstoff – aber Treibstoff hat Masse, und mehr Masse erfordert noch mehr Treibstoff, um sie zu transportieren. Ingenieure nennen dies die Tyrannei der Raketengleichung, ein Begriff, der auf der Mathematik basiert, die der russische Theoretiker Konstantin Ziolkowski erstmals 1903 beschrieb.

Die Ziolkowski-Raketengleichung zeigt, dass ein einstufiges Fahrzeug, das eine Umlaufbahn erreicht, etwa 88 % seiner gesamten Startmasse als Treibstoff benötigen würde, wobei kaum 12 % für Triebwerke, Tanks und Nutzlast übrig blieben. In der Praxis ist kein Material leicht und stabil genug, um dies mit nützlicher Fracht an Bord zu bewerkstelligen. Die Lösung, die von jeder jemals geflogenen Orbitalrakete verwendet wird, ist das Staging – der Bau einer Rakete in Abschnitten, die nach dem Entleeren abgeworfen werden.

Wie Staging funktioniert

Eine Mehrstufenrakete besteht im Wesentlichen aus zwei oder mehr übereinander gestapelten Raketen. Jede Stufe enthält ihre eigenen Triebwerke, Treibstofftanks und Leitsysteme. Die Stufen zünden nacheinander:

• Erste Stufe (und alle Feststoffbooster): Zündet beim Start und erzeugt maximalen Schub, um die Schwerkraft und den Luftwiderstand zu überwinden. Wenn der Treibstoff verbraucht ist, lösen explosive Bolzen oder mechanische Verriegelungen sie vom Trägerfahrzeug.
• Oberstufe(n): Zündet nach der Trennung. Da das tote Gewicht der leeren ersten Stufe abgeworfen wurde, beschleunigt jedes Kilogramm des verbleibenden Treibstoffs nun ein viel leichteres Trägerfahrzeug, was zu einer weitaus höheren Geschwindigkeit pro Treibstoffeinheit führt.

Die meisten modernen Orbitalraketen verwenden zwei oder drei Stufen. Die russische Veteranen-Familie Sojus verwendet ein Parallel-Staging-Design, bei dem zuerst Feststoffbooster abfallen, gefolgt von einem zentralen Kern und dann einer Oberstufe. Die Falcon 9 von SpaceX verwendet eine einfachere zweistufige serielle Konfiguration, wobei die erste Stufe nach der Trennung geborgen und wiederverwendet wird.

Warum jede Stufe anders ist

Beim Staging geht es nicht nur darum, Masse abzuwerfen – es ermöglicht Ingenieuren, jeden Abschnitt für seinen Flugbereich zu optimieren. Triebwerke der ersten Stufe müssen effizient bei atmosphärischem Druck auf Meereshöhe arbeiten, daher verwenden sie relativ kleine Schubdüsen. Triebwerke der Oberstufe, die im nahezu Vakuum zünden, verwenden große, glockenförmige Düsen, die mehr Energie aus expandierenden Gasen gewinnen. Auch die Wahl des Treibstoffs kann unterschiedlich sein: Einige Trägerfahrzeuge kombinieren kerosinbetriebene erste Stufen mit wasserstoffbetriebenen Oberstufen, um maximale Effizienz in der Höhe zu erzielen.

Die Zahlen hinter dem Trick

Betrachten Sie ein vereinfachtes Beispiel. Eine einstufige Rakete, die 9 km/s Delta-v (Geschwindigkeitsänderung) mit einer Ausströmgeschwindigkeit von 3,5 km/s benötigt, würde ein Massenverhältnis von etwa 13:1 erfordern – was bedeutet, dass nur 8 % der Startmasse Struktur und Nutzlast sein könnten. Verteilt man dieselbe Mission auf zwei Stufen, benötigt jede Stufe nur ein Massenverhältnis von etwa 3,6:1, ein weitaus erreichbareres technisches Ziel. Die gesamte Rakete ist beim Start schwerer, kann aber tatsächlich sinnvolle Fracht in die Umlaufbahn befördern.

Laut NASA- und Luft- und Raumfahrtreferenzen hat noch nie eine einstufige chemische Rakete eine Umlaufbahn erreicht. Jeder erfolgreiche Orbitalstart – vom Sputnik im Jahr 1957 bis zu den neuesten Trägerfahrzeugen, die im Jahr 2026 fliegen – hat sich auf das Staging verlassen.

Moderne Innovationen

Während sich das Prinzip seit den 1950er Jahren nicht geändert hat, entwickelt sich die Art und Weise, wie Ingenieure das Staging implementieren, ständig weiter:

• Wiederverwendbare erste Stufen: SpaceX landet und fliegt Falcon 9-Booster erneut, wodurch die Kosten drastisch gesenkt werden, während die physikalischen Vorteile des Stagings erhalten bleiben.
• Paralleles Staging: Feststoffbooster (die bei Ariane 5, Atlas V und Sojus verwendet werden) erhöhen den Schub beim Abheben, ohne dass eine höhere Rakete erforderlich ist.
• Anderthalbstufige Designs: Einige Raketen werfen Triebwerke ab, behalten aber Tanks bei, wodurch die mechanische Komplexität reduziert wird.

Russlands neu getestete Sojus-5, die ihren Jungfernflug im April 2026 absolvierte, befördert mit einer konventionellen zweistufigen Architektur, die auf Kosten und Zuverlässigkeit optimiert ist, bis zu 17 Tonnen in eine niedrige Erdumlaufbahn.

Warum es immer noch wichtig ist

Das Staging ist nach wie vor die einzige bewährte Methode, um mit chemischem Antrieb eine Umlaufbahn zu erreichen. Bis eine revolutionäre neue Technologie – vielleicht nuklearthermische oder fortschrittliche luftatmende Triebwerke – weitaus höhere Ausströmgeschwindigkeiten liefern kann, wird jede Rakete, die ins All fliegt, weiterhin auf dem Weg nach oben ihre Hülle abwerfen und derselben Gleichung gehorchen, die Ziolkowski vor mehr als einem Jahrhundert aufgeschrieben hat.