32° 23′ 9.06″ N, 106° 28′ 42.53″ W
1944 wählte die US-Armee ein Gebiet von über 8000 Quadratkilometern in New Mexico als Hauptgelände für amerikanische Raketentests aus. Das Gelände wurde später unter dem Namen White Sands Proving Ground bekannt. Im Jahr 1945 begannen dort die Experimente mit Raketen. Am 16. Juli 1945 wurde das Gelände für den ersten Test einer Atombombe (siehe Kapitel 106) genutzt. In Europa lief währenddessen die Operation Paperclip, deren Ziel es war, möglichst viele wertvolle Wissenschaftler Nazi-Deutschlands aufzugreifen und ihnen Jobs anzubieten. Eine Gruppe unter Wernher von Braun wurde zusammen mit Tonnen an Flugkörpern und Gerätschaften nach White Sands gebracht, um dort die amerikanische Raketentechnik voranzubringen (siehe auch „Die Fieseler Fi 103 und die A-4“).
1946 wurde die erste V-2-Rakete in White Sands gestartet und bis zum Ende des Jahres hatten die deutschen Wissenschaftler zusammen mit amerikanischem Bedienungspersonal dutzende V-2 über der White Sands Missile Range abgeschossen. Die Amerikaner testeten auch Versionen der V-1, die in Loon umbenannt worden war.
Das Raketentestgelände existiert bis heute und wird immer noch genutzt. Trotzdem gibt es dort auch ein Museum zur Raketengeschichte mit mehreren Ausstellungen innerhalb des Geländes, darunter ein Freiluft-Raketenpark mit vielen unterschiedlichen Raketentypen. Zu den erwähnenswerten Flugkörpern gehört die Loon, eine neu restaurierte V-2, ein Patriot-Raketenabwehrsystem, Atomraketen vom Typ Pershing I und II sowie eine Sidewinder Luft-Luft-Rakete.
Auch Marschflugkörper (die keiner ballistischen Flugbahn folgen), einschließlich der Hound Dog (aus dem Jahr 1960), werden hier beherbergt. Schließlich sind noch zivile Raketen ausgestellt, wie etwa die Aerobee 170 und die Aerobee Hi, mit denen Experimente in der oberen Atmosphäre und im Weltraum durchgeführt wurden.
Unbemannte Flugzeuge sind in der Ausstellung zu den verschiedenen Drohnen zu bewundern. Hier können Sie sich die raketengetriebene Drohne Firebee BQM-34A, die MQM-107D Streaker, die bis in die späten 1990er für Schießübungen verwendet wurde, die Helikopter-Drohne QH-50 DASH und die überschallschnelle XQ-4 anschauen.
Ebenfalls ausgestellt sind Geräte zur Überwachung von Flugkörpern wie Radarantennen und Hochgeschwindigkeits-Kamerasysteme.
Im Museum selbst wird Raketentechnik gezeigt, darunter die Pumpen, das Gyroskop, der Raketenantrieb einer V-2, eine schultergestützte Stinger-Rakete, ein spezieller Rechenschieber (siehe Der Rechenschieber), mit dessen Hilfe Raketen-Flugbahnen schnell berechnet werden konnten, und eine für Drohnen verwendete Bodenkontrollstation.
Details zum White Sands Missile Range-Museum finden Sie unter http://www.wsmr-history.org/. Man kann es gut in Verbindung mit dem Trinity-Testgelände (Kapitel 106) besuchen.
Die Tsiolkovsky-Raketengleichung
In der Raketentechnik (und insbesondere bei Reisen im Weltraum) dominiert ein Wert die Berechnungen: Delta-v oder Δv. Delta-v ist die Änderung der Geschwindigkeit einer Rakete und in der Raketentechnik wichtig, weil Manöver (wie die Änderung der Umlaufbahn) über die erforderliche Änderung der Geschwindigkeit angegeben werden. Um zum Beispiel aus einer erdnahen Umlaufbahn (in der sich das Space Shuttle und die Internationale Raumstation aufhalten) zu einem Rendezvous mit dem Mond aufzubrechen, ist ein delta-v von 6 Kilometern pro Sekunde nötig. Um zum Mars zu gelangen ist hingegen ein delta-v von 6,3 pro Sekunde erforderlich. Wenn Sie von der Erdoberfläche in eine erdnahe Umlaufbahn gelangen möchten, benötigen Sie dazu ein delta-v von über 8 Kilometern pro Sekunde.
Wenn delta-v bekannt ist, muss man noch die Größe der Rakete berechnen, die in der Lage ist, diesen Wert zu erreichen. An diesem Punkt kommt die Tsiolkovsky-Gleichung für eine ideale Rakete ins Spiel. Sie zeigt die Beziehung zwischen delta-v und der Masse des Treibstoffs an Bord der Rakete.
Wenn ein Raketentriebwerk zündet, erzeugt es Schub, indem es eine Masse verbrannten Treibstoffs über seine Düse ausstößt. Dieser Schub hängt nach Newtons drittem Gesetz (siehe Das Düsentriebwerk und Newtons Bewegungsgesetze) sowohl von der Geschwindigkeit des ausgestoßenen Gases als auch von der Druckveränderung an der Raketendüse ab.
Da die Rakete Treibstoff verbrennt, nimmt ihre Masse stetig ab. Durch diese Tatsache wird die Berechnung der Endgeschwindigkeit etwas erschwert, denn der Schub führt nicht zu einer konstanten Beschleunigung. Bei der Tsiolkovsky-Raketengleichung wird der Schub und die Veränderung der Masse berücksichtigt, um dann die idealisierte Änderung der Geschwindigkeit zu berechnen. Mit ihrer Hilfe kann man in etwa abschätzen, wie viel Treibstoff für ein Manöver benötigt wird. Die Gleichung kann recht einfach aus Newtons Gesetzen abgeleitet werden.
Zuerst nehmen wir an, dass die Rakete eine einzelne Kraft F, die aus dem Schub des Triebwerks resultiert, und die Masse M besitzt. Wenn wir einfach Newtons erstes Gesetz anwenden, dann sehen wir, dass der Schub und die Geschwindigkeit v der Rakete in Relation stehen, wie in Gleichung 108.1 dargestellt.
Die nachfolgende Schubgleichung (Gleichung 108.2) zeigt, dass die Kraft auch mit der pro Zeiteinheit verbrauchten Masse m und der äquivalenten Austrittsgeschwindigkeit (siehe Gleichung 83.1) der Gase an der Düse veq in einem Zusammenhang steht.
Fasst man beide Gleichungen zusammen und eliminiert man dt, dann ergibt sich die folgende Differentialgleichung (Gleichung 108.3):
Die Änderung der Raketenmasse dM entspricht einfach der Änderung der Masse des Treibstoffs, d.h. dM = –dm (negativ, weil der Treibstoff durch den Ausstoß über die Düse verloren geht). Wenn wir dies substituieren, erhalten wir die Gleichung 108.4 für die Geschwindigkeitsänderung dv.
Integriert man diese Gleichung, erhält man die Tsiolkovsky-Raketengleichung (Gleichung 108.5). Beide Seiten sind über eine bestimmte Zeitperiode integriert, in der sich die Geschwindigkeit um delta-v verändert (das Ergebnis der Integration der linken Seite) und die Masse sich von m0 zu m1 verringert (der Massenunterschied durch den während dieser Zeitspanne verbrauchten Treibstoff).
Wenn man also die Endgeschwindigkeit einer Rakete und die benötigte Geschwindigkeitsänderung kennt, kann man die benötigte Treibstoffmenge schnell berechnen.