Het principe: actie = reactie
Volgens de derde wet van Newton roept elke kracht een even grote, tegengestelde tegenkracht op een ander voorwerp op. Wanneer een raket met grote kracht heet gas naar beneden uitstoot, oefent dat gas op zijn beurt een even grote kracht naar boven uit op de raket — de stuwkracht.
- Fstuw
- stuwkracht, in newton
- ṁ
- massastroom van uitgestoten gas (kg/s)
- vuit
- uitstootsnelheid van het gas (m/s)
Om hoge stuwkracht te halen kun je dus óf meer gas uitstoten, óf het sneller laten gaan.
Brandstof en oxidator
Verbranding heeft zuurstof nodig. In de atmosfeer haalt een vliegtuig die uit de lucht; in de ruimte is geen zuurstof. Daarom moet een raket niet alleen brandstof maar ook een oxidator meenemen. Typische combinaties:
- Vloeibaar waterstof + vloeibaar zuurstof — hoge efficiëntie, gebruikt door o.a. Space Shuttle en SLS.
- Kerosine (RP-1) + vloeibaar zuurstof — dichtere brandstof, gebruikt door Saturnus V en Falcon 9.
- Vast samengestelde brandstof — eenvoudig en betrouwbaar, niet uit te schakelen na ontsteking. Gebruikt in opstartraketten.
De raketvergelijking
De Russische pionier Konstantin Tsiolkovski leidde in 1903 een vergelijking af die zegt hoe snel een raket kan worden, gegeven hoeveel brandstof ze meeneemt:
- Δv
- snelheidsverandering (m/s)
- vuit
- uitstootsnelheid (m/s)
- m0
- beginmassa (incl. brandstof)
- mf
- eindmassa (na verbruik brandstof)
De logaritmische factor is wreed: hoe hogere Δv je nodig hebt, hoe exponentieel meer brandstof. Daarom heeft een raket meestal meerdere trappen — telkens als één trap leeg is, valt hij weg en hoeft de rest geen dood gewicht meer mee te slepen.
Ontsnappingssnelheid
Om aan de zwaartekracht van een hemellichaam te ontsnappen, moet je snelheid een drempel halen — de ontsnappingssnelheid. Voor de Aarde is dat 11,2 km/s (40 320 km/h). Vanaf de Maan al "maar" 2,4 km/s. Vanaf het oppervlak van de Zon zou je 617 km/s moeten halen.
In een baan blijven
Een raket in een baan om de Aarde valt voortdurend — maar de Aarde "valt onder hem weg" omdat ze rond is. Daarvoor is een horizontale snelheid van ongeveer 7,8 km/s nodig op een lage baan (LEO, ~400 km hoogte). Daar bevindt zich onder andere het Internationale Ruimtestation.