Wasserraketen

Gabriel Thäter ist im Rahmen eines BOGY-Praktikums zum Institut
gekommen, um einen Eindruck von der Forschungstätigkeit in der
angewandten Mathematik zu erhalten. Dazu befasste er sich mit der
Simulation, Auslegung und Optimierung von Wasserraketen, die
durch Impulserhaltung ihre Beschleunigung erhalten. Sein
Interesse an der Raketentechnik entstand durch die Kerbal Space
Program Simulation, in der Raketen und Flugzeuge zur Erfüllung
verschiedener Aufträge aufgebaut werden.


Die Wasserraketen unterscheiden sich unter anderem durch ihre
Bauform, dem zur Befüllung zur Verfügung stehenden Volumen, wie
viel Wasser darin mit welchem Druck eingefüllt wird und welche
Düse verbaut wurde. Der erste Ansatz die Auswirkung der Düse
durch den Druckunterschied mit einer laminaren Strömung zu
berechnen, führte zu unrealistischen Ergebnissen, was auf Basis
der hohen Reynolds-Zahl zu erwarten war. Ein Ansatz über ein
turbulentes Strömungsmodell führte zu sinnvollen Werten für die
Rückstoßgeschwindigkeit in diskretisierter zeitlicher
Abhängigkeit.


Die Berechnung der Steighöhe ist besonders durch die Schwerkraft
und den Luftwiderstand abhängig. Neben der Berücksichtigung des
sich stark verändernden Gewichts, ist die Bestimmung des
geeigneten cW-Werts für den Strömungswiderstand eine große
Herausforderung. Neben dem Vergleich mit einfachen Körpern wie
Zylindern und Kugeln konnte eine Parameteridentifikation aus
experimentellen Messwerten den cW-Wert sinnvoll bestimmen.


Die praktische Ausführung des Experiments verfolgt man am Besten
bei unseren Kollegen bei Methodisch Inkorrekt, die beim 31C3 ihre
Wasserrakete live im Sendezentrum zündeten. Natürlich gibt es
auch reine Luftraketen, die beeindruckende Höhen erreichen
können.
Literatur und Zusatzinformationen

J. Prusa: Hydrodynamics of a water rocket, SIAM review 42.4:
719-726, 2000.

R. Barrio-Perotti, et al: Experimental evaluation of the drag
coefficient of water rockets by a simple free-fall test, European
Journal of Physics 30.5: 1039, 2009.

Bauanleitung Wasserrakete und Bauanleitung Startrampe vom
School-Lab zu Raketenantrieben des Deutschen Zentrums für Luft
und Raumfahrt.

Raumfahrt Würzburg: Bauanleitung Luftraketen