Raketin lähtö kohti avaruutta, vaikka vain videolta, on hätkähdyttävä näky. Se jää mieleen. Perehtyminen asiaan tuo tullessaan huomion, että  onpas tämä vaikeaa. Sen perässä tulee tyrmistys kun näkee kustannukset jotka liittyvät avaruusmatkustamiseen. 

Tämä on totta etenkin niillä amatööreillä jotka vain muutama vuosikymmen sitten kiinnostuivat avaruudesta ja raketeista, sillä pari vuosikymmentä sitten NASA operoi pääsääntöisesti avaruussukkulalla, joka oli äärimmäisen monimutkainen, lensi harvakseltaan, ja sen lennot maksoivat aivan tolkuttomasti.

Mistä tämän alan vaikeudet ja kallis luonne sitten tulee?

Lähdetään liikkeelle Konstantin Tsiolkovskin rakettiyhtälöstä,  joka osoittaa miten suunnaton tyranni luonto, tältäkin osalta, oikeastaan on: 

Jossa, 

Delta V = on raketin deltaV budjetti, m/s

V_e = Propulsiojärjestelmän pakokaasun ulosvirtausnopeus

m = raketin kokonaismassa 

m_e  = raketin kuivamassa (propellanttitankit tyhjät) 

m/m_e = R

R = massasuhde, jolloin deltaV = V_e = ln(R)

Raketti on reaktiivinen väline: se ohjaa suuttimesta ulos suurinopeuksisen kaasuvirtauksen joka työntää rakettia edellään. Tätä kaikkea kontrolloi kolme tekijää Tskiolkovskin yhtälössä. Kun kaksi tunnetaan, kolmas on näiden sanelema. Eikä sitä muuteta mitenkään. Yhtälö on empiirisesti osoitettu aukottomaksi.

Delta-V kyky jolla muuttaa rataa. Delta-V  on riippuvainen rakettiin varastoituun energiaan,  joka on se osa massasuhteesta joka moottorissa voidaan käyttää. 

Painovoimaa vastaan käytetty energia riippuu mihin halutaan mennä, mistä lähdetään ja halutaanko sieltä tulla takaisin. Kaikki tämä on delta-v budjettia, joka vaaditaan, että matka on tehtävissä. 

Tehtävän suunnittelu kun yksikkönä on m/s

Jätetään raketin massasuhde nyt huomioimatta, ensin pitää valita mistä lähdetään: Haluammeko tulla takaisin ja kun delta-v budjetti on tiedossa, valitaan propellantti. 

Jos alkupiste on kotiplaneettamme, niin vaihtoehtoja on vain yksi; Kemialliset raketit. Jos halutaan lähteä kiertoradalta ja joku muu hoitaa tehtävän vaiheen yksi, vaihtoehtoja on enemmän. Esimerkiksi sähköstaattiset propulsion muodot ovat mahdollisia. 

Mutta, esimerkki rakettimme lähtee Maasta, joten operaattorin tehtävän suunnittelija ottaa tämän huomioon. Sitten hän laskee kohteen delta-v tarpeen, antaa hieman säätöbudjettia lennolle ja summaa lopuksi delta-v budjetit yhteen.  

Ensimmäinen termi on selvillä, eli kuinka paljon delta-V:tä tehtävä vaatii. Viimeinen vaihe raketista on varsinainen hyötykuorma, jonka massasuhteen määrittelee viimeisen vaiheen delta-V budjetti, joka määrittelee millaista propellanttia voidaan käyttää.  Koko tämä kokonaisuus on hyötykuorma alemmalle vaiheelle, joka taas on hyötykuorma omalle kantovaiheelleen, ja jossakin kohdassa on oltava kemiallinen raketti jonka voimakas eksoterminen reaktio sopivan polttoaineen ja hapettimen välillä tuottaa kaasua niin runsaasti jotta nousu on mahdollinen. 

Ja siten kolmas termi tulee annettuna, eli miten suuri osa raketin massasuhteesta on propellanttia. 

Taulukko 1: Delta-V tarpeet lähiavaruuteen

Kohde	Delta-V Budjetti (km/s)
Maanpinnasta matalalle kiertoradalle	8 km/s
Maan kiertoradalta Kuun ympäröivään avaruuteen	3,5 km/s
Maan kiertoradalta kuun matalalle radalle	4.1 km/s
Maan kiertoradalta Maan lähiasteroideille	>4 km/s
Maan Kiertoradalta, kuun pinnalle	6km/s
Maan kiertoradalta, Marsiin	8km/s

Maan pinnalta, kiertoradalle maksaa 8km/s;  puolessavälissä MIHIN tahansa aurinkokunnassa. Kaluston nostaminen kiertoradalle on lähes missä tahansa lähiavaruuden operaatioissa suurin energiakuluerä joka kohdataan. 

Ja sama tietenkin toisin päin. Jos et maksa paluuta raketin polttoaineella, niin ilmakehä ottaa omansa- kovin ottein.  

Miten energeettisiä rakettimme sitten ovat?  Ulosvirtausnopeus (Muistakaa, V_e = I_SP * g₀) määrittele energian joka moottori voi luovuttaa.

Propellantti	Ve
Kiintopolttoaineiset	3km/s
RP1 + Happi	3,1km/s
Hypergoliset propellantit (myrkyt)	3,2 km/s
Metaani + Happi	4,3 km /s
Vety + Happi	4,4 km /s
U-235 / Vety	8,3km/s

Toistaiseksi paras energeettisyys on ollut vety + happi parilla, joka luultavasti on paras yhdistelmä jota ihmisellä on käytettävissään- aina siihen asti, kunnes voimme keskustella asioista oikeilla nimikkeillä ja keskitymme valjastamaan atomimoottorit avaruusmatkustukseen. Ydinpropulsiosta on tulossa myöhemmässä lehdessä artikkeli.

Massasuhde

Raketin kannalta ylemmän vaiheen propellantti on hyötykuormaa. Lisäksi raketissa on kuivamassaa, siis rakenteita joilla propellantti varastoidaan ja siirretään tankeista moottoriin. 

Tästä maksetaan massabudjetissa kulua.  Käsitellään tässä artikkelissa massaluku prosentteina kokonaismassasta, se on kuvaavampaa.

Yksinkertaistettuna voidaan esittää seuraava taulukko:

Propellantti	Massasuhde
Kiintopolttoaineiset	96%
RP1 + Happi	94%
Hypergoliset propellantit (myrkyt)	93%
Metaani + Happi	90%
Vety + Happi	83%

Luvut annetussa taulukossa ovat ideaalisia. Ne eivät ota alkuunkaan huomioon ilmakehähäviötä, polttoprosessin häviötä, kulumaa tai muita heikkenemiä jotka vaikuttavat raketin suorituskykyyn. 

Rakettien toimintaa on saatu vuosien saatossa parannettua merkittävästi, ja kun raketin massasuhde lähestyy 9 (90% propellanttia ja 10% rakettia), pienetkin muutokset kuivamassassa ovat aina merkittävä parannus. 

Painonsa verran rahassa, suoraan sanottuna.

Montako tonnia propellanttia tämä sitten on? Delta-v on nopeus, ja luonteeltaan skalaari! Tsiolkovskin yhtälö sanelee suhdeluvun. Jos kuivamassa raketissa on 15t ja massasuhde 9 tarkoittaa se 135t propellanttia. Ja tuo massasuhde on siedettävä.

Raketin optimointi ei kuitenkaan ole ainoastaan kuivamassan tuijotusta; Kokonaisuus ratkaisee. Saturn-V, kenties ihmiskunnan kunnianhimoisin laite oli nykymittapuulla karkea laite. Se käytti ensimmäisessä vaiheessa  jalostettua kerosiinia ja happea propellantteinaan. Sen toinen vaihe oli vain marginaalisesti elegantimpi, vety-happi käyttöinen raketti.

Fakta on kuitenkin, että raketti tarvitsee moottorin ja se tarvitsee polttoainevaraston. Nämä tarvitsevat apulaitteistoja. Raketin on toimittava dynaamisissa olosuhteissa joita mikään muu laite ei kohtaa- Sen on toimittava ilmakehässä ja tyhjiössä. Suunnittelun ja valmistuksen haasteet raketille ovat suunnattomat- Ja sen mukana ovat sen mukaiset kulut. Ei ihme, että ekonomista “leaniä” on haettu muista teknologian haaroista. Ja niiden mukana on tullut ajattelu “Good enough”, joka on löytänyt jalansijaa myös rakettiteknologiasta. 

AIkaisemmat raketit kalpenevat Space X:n Falcon-9 edessä. Miksi? Falcon-9 moottori on karkearakenteinen kaasugeneraattorikiertoinen moottori joka käyttää propellanttina RP-1:stä ja happea. Siinä osassa raketti on hyvin perinteinen esikuviensa kanssa. 

Kaasugeneraattorikierto on yksinkertainen ja tehokas tapa syöttää massiivinen määrä polttoainetta ja hapetinta moottoriin. Hyvin tunnettu robusti rakenne ja moottori tarkoittaa edullista lentoa.  Ja mahdollisuutta ottaa kuivamassaan tarpeeksi budjettia tehdä Falcon-9 on uudelleen käytettäväksi. Falcon-9 on siten todellinen uuden aallon raketti. 

Syvällisemmin hyötykuormaluvusta

Ensiksin hyötykuormalukua voidaan verrata muihin kulkuvälineisiin.  Hyötykuorman suuruus kokonaismassasta on raketeilla surullinen, eikä Falcon-9 ole tästä poikkeus.  Falcon-9 omaa noin 4% hyötykuormaluvun,  samoin kuin Saturn-V. Ts. Raketti tarvitsi 96% kaikelle mahdolliselle antaen hyötykuormalle kokonaisuudessaan 4% 

Verrataanpa sitten muutamaan muuhun kuljetusvälineeseen 

Kulkuväline	Propellantti (%, polttoaine) kokonaismassasta
Rahtilaiva	3
Kuorma-auto	3
Henkilöauto	4
Lentokone	40%
Falcon 9	96%

Kuulostaako huonolta?  Avaruussukkulan hyötykuormaluku oli 1%.  

Tähän lukuun on kuitenkin kiteytynyt tärkeä yksityiskohta. Tämä on kelvollinen luku mittaamaan  mekaniikan monimutkaisuutta: 

Kun polttoainevarastot ovat alle 10% kokonaismassasta, ja tällä varastolla saavutetaan halutut parametrit, rakenteet ovat yksinkertaisia. Materiaaliksi käy teräs ja rakenne on hyvin tunteeton muutoksille. Monelle auton omistajalle tulevat rakenteelliset rikkoutumiset yllätyksenä.

Kun siirrytään ilmaan ja propelantin suhdeluku kasvaa, rakenteet muuttuvat monimutkaisiksi. Materiaaleissa massa alkaa merkitsemään suuresti, rakenteet ovat monimutkaisia, mutta 50%-60% massasuhde pitää edelleen huolta siitä, että rakenteissa voidaan tehdä edelleen kompromisseja kustannuksien ja materiaalien välillä.

Raketit eivät ole poikkeama tästä ilmiöstä, ne ovat ilmiön äärimmäisellä rajalla, ja aina äärimmäisen hauraita. Pienetkin muutokset vaativat massiivisia tutkimuksia ja kokeita. 

Sukkulaohjelman dokumentaatio osoittaa  avaruussukkulan toiminnallinen kiihtyvyysrajan omanneen 10% marginaalin, siis 3,3g. Tätä vastaa, että  jos ajaisit 100km/h sijasta 110km/h ja auto yksinkertaisesti vain menisi palasiksi ympäriltäsi, ja tämä olisi valmistajan mielestä täysin normaalia. 

Loppusanat

Tsiolkovskin yhtälö laittoi luonnonlakien tyrannian yhtälön muotoon. Samalla huomasimme  Planeettamme on melkein liian suuri avaruuslentoihin. Jos laskemme maksimin mitä voimme saavuttaa kemiallisilla raketeilla, huomaamme, että planeettamme säde r voi kasvaa noin 50% ja rakettimme eivät enää toimi, emme saavuta tarpeellista nopeutta, että voisimme päästä ylös painovoimakaivosta.Siis, emme sellaisilla kemiallisilla moottoreilla, tai nykyään käytetyillä propellanttipareilla. Kenties kirjoitamme myöhemmin eksoottisista propellanteista.

Haluamme nousta kiertoradalle. Tarvitaan uusia ajatuksia. Tarvitaan parempia raketteja. Uudelleenkäytettävyys, ydinmoottorit, Insitu Resource Utilization (ISRU) ja uusia ekonomisia malleja miten raketteja rakennetaan ja käytetään. 

Falcon-9 edustaa tätä ajattelua. Falcon-9 saa tehtävänsä hoidettua. Se on “Good enough.”