Korduvkasutatav kanderaketisüsteem

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
Kosmosesüstik Columbia esimese missiooni (STS-1) raketistart. Space Shuttle'i välispaak (keskel) oli valget värvi vaid kahel esimesel lennul. Järgmistel lendudel jäeti paak värvimata, et värvi arvel kaalus kokku hoida

Korduvkasutatav kanderaketisüsteem või korduvkasutatav kanderakett on kanderaketisüsteem, mida on võimalik kosmosesse lennutada enam kui ühel korral. Sellele vastandub ühekordselt kasutatav kanderaketisüsteem, mille kasutamine on piiratud ühe korraga.

Ühtegi täielikult korduvkasutatavat orbitaalset kanderaketti pole veel olemas. Korduvkasutatavuse eesmärgile kõige lähemale jõudis osaliselt korduvkasutatav Space Shuttle. Osa Space Shuttle'i süsteemist, sealhulgas põhimootoreid ja kahte tahkekütus-kiirendusraketti, kasutati järgmisel lennul uuesti, kuid alles pärast mitmekuiseid taastustöid lendude vahepeal. Space Shuttle'i välispaak ja koormuskanderaam asendati igaks lennuks uutega.[1]

Arvatakse, et orbitaalsed korduvkasutatavad kanderaketisüsteemid hakkavad tulevikus pakkuma odavat ja töökindlat ligipääsu kosmosele. Korduvkasutatavus suurendab aga kanderaketisüsteemi massi. Näiteks on vajalik mittekuluv orbiidilt laskumise ablatsioonkaitse ja arvatavasti ka sõiduki tugevam konstruktsioon, mis peaks vastu korduvatele lendudele. Kuna kogemused taoliste sõidukitega seni puuduvad, siis pole teada ka selliste süsteemide tõelised kulud ning töökindlus.

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

ROMBUS
Aerospaceplane 1

Kahekümnenda sajandi esimese poole ulmekirjandus kujutas kosmosesõidukeid enamasti kas korduvkasutatavate üheastmeliste (inglise keeles single-stage-to-orbit – sõna-sõnalt 'ühe astmega orbiidile', edaspidi SSTO) püstiselt tõusvate ja laskuvate (inglise keeles vertical takeoff, vertical landing, VTVL) kosmoselaevadena või korduvkasutatavate üheastmeliste horisontaalselt startivate ja maanduvate (inglise keeles horizontal takeoff, horizontal landing, HTHL) rakettlennukitena.

Tollane rakettmootorite tehnoloogia ebaküpsus (madal eriimpulss või ebapiisav tõukejõu ja massi suhe, mis muutis maakera gravitatsioonikaevust välja pääsemise raskeks) ja konstruktsioonimaterjalid, mille omadused (tugevus, jäikus, vastupidavus kõrgele temperatuurile, kaal) jätsid soovida, tekitasid mulje, et unistus üheastmelisest korduvkasutatavast kosmosesõidukist on saavutamatu.

Kuid tänaseks on materjaliteaduse ja rakettmootorite tehnoloogia areng muutnud idee põhimõtteliselt teostatavaks.

Enne esimeste VTVL SSTO-ideekavandite tulekut pakkus Krafft Arnold Ehricke välja mitmeastmelise osaliselt korduvkasutatava kanderaketi NEXUS kavandi.

VTVL SSTO-kontseptsiooni teerajajaks on Philip Bono, kes töötas Douglas Aircraft Company's. Bono pakkus välja mitmesuguseid kanderakette, sealhulgas ROOST, ROMBUS, Ithacus, Pegasus ja SASSTO. Enamiku tema poolt välja pakutud kanderakettide kontseptsioonide juures on kasutatud sarnaseid raketitehnoloogia uuendusi SSTO-võimelisuse saavutamiseks. Philip Bono väljapakutud uuenduste hulka kuuluvad:

  • Keskosa sulguriga (inglise keeles plug nozzle) düüse kasutavad rakettmootorid, mis tagavad kõrge eriimpulssi kõigil lennukõrgustel.
  • Alumine ots eespool orbiidilt laskumine; võimaldab kasutada mootorit soojuskaitsekihina, vähendades soojuskaitsekihi massi.
  • Kerakujulised kütusepaagid ja raketi tömp kuju, et veelgi vähendada konstruktsiooni massi.
  • Äraheidetavad paagid, et suurendada lennuuulatust.
  • Kütuse tankimine orbiidil, et suurendada lennuulatust.

Bono leidis, et tema poolt kavandatud kanderakette saaks kasutada lasti kosmosesse lennutamiseks, kiireks kontinentidevaheliseks militaarseks (Ithacus) ja tsiviilotstarbeliseks (Pegasus) transpordiks ja isegi lendudeks Kuule ja Marsile (projektid Selena ja Deimos).

Euroopas pakkus Dietrich Koelle Bonost inspireerituna välja omaenda VTVL-sõiduki kavandi nimega BETA.

Esimestele HTHL SSTO-kavanditele eelnes Eugen Sängeri Silbervogeli nimeline suborbitaalne "hüppava" pommitaja kavand. HTHL-sõidukeid, mis suudaksid saavutada orbitaalse kiiruse, on nende suurema massiga konstruktsiooni tõttu keerulisem välja töötada. Seetõttu loodi erinevaid mitmeastmelisi prototüüpe, näiteks suborbitaalne X-15. Aerospaceplane oli üks esimesi HTHL SSTO-sõidukite kavandeid. On tehtud mitmeid ettepanekuid, et taolist tüüpi lennusõidukeid eluvõimelisemaks muuta:

  • Stardieelne kiirendus rööbastel (võimaldab ühe NASA uuringu kohaselt saavutada stardieelse kiiruse 270 m/s 3000 m kõrgusel mäe otsas, mis tähendab 35% väiksemat SSTO-stardimassi etteantud kasuliku lasti massi kohta)[2]
  • Lifting-body (tõstejõudu arendava keha) disaini kasutavad kavandid, vähendamaks konstruktsiooni massi.
  • Kütuse tankimine lennu ajal.

Võimalik on kasutada ka teistsuguseid kanderaketisüsteemide konfiguratsioone, näiteks horisontaalne start ja vertikaalne maandumine (inglise keeles horizontal takeoff and vertical landing, HTVL) või vertikaalne start ja horisontaalne maandumine (inglise keeles vertical takeoff, horizontal landing, VTHL). Üks vähestest HTVL-sõidukite kavanditest on 1960. aastatel sündinud SSTO-kosmoselaeva Hyperion kavand, mille autoriks on Philip Bono.[3]

X-20 Dyna-Soar on üks varastest VTHL-i kavandeist[viide?], HL-20 ja X-34 on 1990. aastatest pärinevad VTHL-i näited[viide?]. 2010. aasta veebruari seisuga oli VTHL X-37 läbinud esialgse arendusfaasi ja sooritanud esimese salastatud, enam kui seitse kuud kestnud orbitaalse kosmosemissiooni[viide?]. Tänapäevaste mehitatud VTHL kosmoselennukite näideteks on Dream Chaseri ja Prometheuse kontseptuaalsed kosmoselennukid, mis mõlemad pakuti välja NASA CCDev-programmi raames.

1960. aastate lõpus alustati Space Shuttle'i kavandi välja töötamisega. Algsete ideede seast valiti viimaks välja korduvkasutatav kaheastmeline VTHL kavand, mille tulemusel sündis korduvkasutatav kasulikku lasti kandmiseks mõeldud orbitaalne kosmosesõiduk ja kaks korduvkasutatavat tahkekütus-kiirendusraketti. Väline kütusepaak ja kanderaketi koormuskanderaam olid ühekordse kasutusega. Varased uuringud aastatest 1980 ja 1982 nägid võimalusi kosmosesüstiku välise kütusepaagi kosmoses erinevatel eesmärkidel taaskasutamiseks[1][4], kuid NASA ei arendanud neid ideid ettepaneku etapist kunagi edasi.

1970. aastatel pakuti välja uusi VTVL- ja HTHL SSTO-tüüpi kavandeid päikeseenergia satelliitide (inglise keeles solar-power satellite) ja militaarse iseloomuga rakenduste jaoks. Boeing viis läbi VTVL SSTO-uuringu. HTHL SSTO-kavandite seas olid nii Rockwelli Star-Raker kui ka Boeingu HTHL SSTO-uuringu kavandid. Kuna USA suunas kõik vahendid Space Shuttle'i välja arendamisele, siis jäid ülejäänud projektid rahastamata. Nõukogude Liit võttis USA-st Burani ehitamisega eeskuju. Teised riigid ja kosmoseagentuurid eelistasid jääda ühekordselt kasutatavate kanderakettide juurde nende madalama riski ning arendustöö odavuse tõttu.

Lõpuks jõuti järeldusele, et Space Shuttle'i hooldamine on liiga kallis, isegi ühekordse kasutusega kanderaketisüsteemiga võrreldes. Pärast seda, kui Space Shuttle'i lastisektsioonis kosmosesse toimetamiseks mõeldud ülemise raketiastme Kentaur arendustööd tühistati – kosmosesüstik Challengeri katastroofi järel taipas NASA, et Kentauri lennutamine kosmosesüstiku pardal oleks liiga riskantne –, tekkis kosmosesüstikute lendudes paus, mis sundis USA sõjaväge pöörduma tagasi ühekordsete kanderakettide juurde lasti kosmosesse toimetamiseks. Paljud kommertssatelliite kosmosesse lennutavad ettevõtted olid juba enne seda ühekordsete kanderakettide juurde tagasi pöördunud, sest kosmosesüstiku kanderaketisüsteem ei olnud nende jaoks piisavalt paindlik.

Kunstniku kujutatud X-30 NASP

1986. aastal kutsus USA president Ronald Reagan üles töötama välja atmosfääriõhku kasutavat scramjet-tüüpi kosmoselennukit aastaks 2000. Prototüübi nimeks oli National Aero-Space Plane X-30 ja see pidi olema ühe stardiastmega orbiidile jõudev kosmoselennuk. Projekt "Copper Canyon" kukkus mitmete tehniliste probleemide tõttu läbi ja tühistati aastal 1993.

On võimalik, et X-30 projekt oli eeskujuks Ühendkuningriigi HOTOL-programmile, milles plaaniti jahutamata atmosfääriõhu kasutamise asemel kasutada kuni kiiruseni Mach 5,5 atmosfääriõhu eeljahutit. UK valitsus lõpetas programmi rahastamise, sest uuringutulemused näitasid mõnede tehniliste riskide olemasolu ja osutasid sellele, et sõiduki ülesehitus võimaldab orbiidile toimetada vaid suhteliselt väikese lasti.

Nõukogude Liidu lagunemise järel 1990. aastate alguses ei suutnud Venemaa enam Burani arendamise kulusid kanda ja projekt lõpetati. Sellest alates on Venemaa kosmoselendudeks kasutanud vaid ühekordse kasutusega kanderakette.

1990. aastatel kasvas taas huvi korduvkasutatavate kanderakettide väljatöötamise vastu. USA kaitseministeeriumi Strateegilise kaitse algatus (SDI, laiemalt tuntud "Tähesõdade programmi" nime all) tekitas vajaduse taskukohaste ja korduvkasutatavate kosmosesõidukite järele. Vastusena sellele vajadusele loodi McDonnell Douglase Delta Clipperi VTVL SSTO-kavand. Delta Clipperi DC-X-i prototüüp demonstreeris lühikest lendudevahelist aega ja seda, et sõidukit on võimalik juhtida automaatselt arvuti abil. Samuti näitas prototüüp, et on võimalik valmistada korduvkasutatav kanderakett, mis ei nõua suure, pidevas valmisolekus oleva hooldustööde tööjõu olemasolu, nagu Space Shuttle'i puhul.

Edasised uuringud 1990. aastate keskpaigas ja HOTOL-i kavandi ümber töötamine, et selle puudusi kõrvaldada, andis tulemuseks märksa paljutõotavama ja palju suurema kandevõimega Skyloni kavandi.

Kosmoselennunduse eraettevõtluse poolel esitati suurte satelliitide kogumike loomise plaane, mis nõudsid eeltingimusena madalate kuludega ligipääsu kosmosesse; nende näiteks oli satelliitide kogumik Iridium. Selle toel arenes edasi eraraketitööstus, sealhulgas osaliselt korduvkasutatavat kanderaketti välja töötav ettevõte Kistler ja täielikult korduvkasutatavat kanderaketti välja töötav ettevõte Rotary Rocket.

Kümnendi lõpus läks Iridium pankrotti ja satelliitide kogumike turg kukkus kokku. Sellele järgnes vasttärganud eraraketitööstuse kollaps.

Nõukogude Liidu lagunemine tõi kaasa muutused rahvusvahelises poliitikas, mille tulemuseks oli ballistiliste rakettide tõrje võimekuse vähendamine ja "Brilliant Pebbles'i" programmi ("Tähesõdade programmi" osa, mis nägi ette satelliidipõhise volframist valmistatud kineetilisi lõhkepeasid kasutava relvasüsteemi välja töötamist) tühistamine. USA sõjavägi otsustas oma vananevad, ballistiliste rakettide tehnoloogiast välja arenenud ühekordse kasutusega tööloomadest kanderaketid välja vahetada ja pani aluse EELV-klassi (Evolved Expendable Launch Vehicle) kanderakettide programmile. NASA pakkus kosmosesüstiku asendamiseks välja riskantsemaid taaskasutatavate kosmosesõidukite kavandeid, mida pidi katsetatama programmides X-33 ja X-34.

Pärast sajandivahetust viisid kulude tõus ja kasvuraskused nii X-33 kui X-34 projektide tühistamiseni. Seejärel toimus kosmosesüstik Columbia katastroof, millele järgnes teine paus kosmosesüstikute lendudes. Space Shuttle'i disainilahendus oli nüüdseks kahekümne aasta vanune ja vajas asendamist. USA sõjaväe EELV-programmis välja töötatud uus ühekordse kasutusega kanderakettide põlvkond sai kasutuskõlblikuks. Odavate ühekordse kasutusega kanderakettide üleküllus tõi kaasa eraraketitööstuse madalseisu; valitses puudus satelliitidest, mida kosmosesse toimetada.

Aastatel 1996–2004 toimus võistlus "Ansari X Prize", mis oli inspireeritud 20. sajandi alguse lennundusvõistlustest. Sellest võistlusest võtsid osa paljud eraettevõtted, võitjaks osutus Scaled Composites oma taaskasutatava HTHL-konfiguratsiooni kosmoselennukiga SpaceShipOne ja sai auhinnaks 10 miljonit dollarit. Võitmiseks pidi SpaceShipOne kahenädalase ajavahemiku jooksul kaks korda jõudma kõrgusele 100 kilomeetrit, kandes pardal kolme inimese massi ekvivalenti; kahe lennu vahel ei tohtinud sõidukis asendada üle 10 protsendi tühimassist. Kuigi SpaceShipOne on sarnaselt X-15-ga suborbitaalne kosmoselennuk, loodetakse, et erasektor on lõpuks suuteline välja arendama korduvkasutavad orbitaalsed kosmosesõidukid. SpaceX on eraraketitööstuse turul uus tegija ja on välja arendamas osaliselt taaskasutatavaid kanderakette.

Mõisteid[muuda | muuda lähteteksti]

Üheastmeline[muuda | muuda lähteteksti]

Üheastmelise orbiidile lennutatava (SSTO) kanderaketi ehitamiseks on kaks lähenemisviisi. Tsiolkovski valemi järgi peab SSTO-sõidukil olema suur massi suhe. Massi suhe on antud juhul defineeritud kui kütust täis raketi mass jagatud kütusest tühja raketi massiga.

Üks viis massi suhte suurendamiseks on vähendada tühja raketi massi, kasutades selle ehitamisel kergeid konstruktsioonimaterjale ja suure tõhususega mootoreid. Antud lähenemise puhul on hoolduskulud tavaliselt kõrged, sest taaskasutatava kanderaketi komponente tuleb nende töökindluse säilimiseks hooldada, mis teeb taaskasutamise kalliks. Pole selge, kas üheastmeline kanderakett oleks suuteline kasulikku lasti orbiidile toimetama, sest raketi kandevõime varu on väike. Samuti tähendab kanderaketi kerge kaal raketi väikeseid mõõtmeid, mis omakorda tähendab väikest kasulikku lasti, suurendades sellega orbiidile toimetatud kasuliku massi kilogrammi hinda.

Kahe- või enamaastmeline[muuda | muuda lähteteksti]

Kaheastmelise kanderaketi loomiseks on vaja välja töötada kaks eraldiseisvat sõidukit ning selgitada välja nendevahelised vastasmõjud raketistardi ajal. Tavaliselt on kanderaketi teine aste esimesest astmest 5–10 korda väiksem, ent hüpoteetilise risttoitega süsteemi puhul on kõik sõidukid sama suurusega.[5]

Lisaks sellele peab olema võimalik sõiduki esimene aste stardipaika tagasi toimetada, kus seda uuesti kasutada saaks. Selle saavutamiseks nähakse tavaliselt ette niisugust starditrajektoori, mille korral raketi esimene aste ei jõua stardipaiga kohalt või selle lähedusest kaugemale, või väikeste atmosfääriõhku kasutavate mootorite kasutamist astmel, mille ülesandeks on aste tagasi lennutada, või esimese astme kätte saamist stardisuunas kaugemal ja selle muul viisil tagasi toimetamist. Viimane variant tähendab enamasti astme ookeanil maandumist ja laevaga tagasi toomist. Enamiku nende meetodite rakendamine toob kaasa mõningase efektiivsuskao raketi kasuliku lasti kandevõime osas, ehkki stardisuunas kaugemal astme kätte saamise korral võib efektiivsuskadu olla väike.

Teise astme tagasi saamist nähakse üldjuhul ette pärast seda, kui aste on teinud orbiidil Maa ümber ühe või paar ringi ja atmosfääri taassisenenud.

Risttoitega süsteem[muuda | muuda lähteteksti]

Risttoitega süsteemis asetsevad kaks või kolm samasugust raketiastet üksteise kõrval ja raketikütuse põlemine toimub paralleelselt. Orbiidile jõudva astme kütusepaagil ei lasta tühjeneda, kiirendusrakettide kütust kasutatakse nii kiirendusrakettide kui ka orbiidile jõudva raketiastme mootorite käitamiseks. Kui kiirendusrakettides kütus lõppeb, siis heidetakse need küljest ja (tüüpiliselt) lauglevad pehmeks maandumiseks maapinnale tagasi. Süsteemi eeliseks on see, et astmete massi suhe väheneb olulisel määral selle tõttu, kuidas risttoide raketivalemit muudab.

Kahe risttoitega astme puhul ; kolme risttoitega astme puhul ; kus on massi suhe ja on eriimpulss.

Lähenemise puuduseks loetakse seda, et eraldi orbiidiastme ja kiirendusraketiga või mõlemat funktsiooni täitva samasuguse raketiastmega kanderaketisüsteem võib langetada kanderaketi jõudlust ja töökindlust ning viia võimaliku kulusäästu nulli. Samas on kasuliku lasti orbiidile toimetamise kulu vähendamine raketi maksimaalse jõudluse arvel risttoitega süsteemi põhiloogikaks. Samuti võib kahe või kolme aerodünaamiliste kandepindadega astme kanderaketis kõrvuti asetamine keeruline olla. Optimistliku vaate kohaselt tähendab madalam massi suhe arenduskulude vähenemist, isegi juhul kui astmed on erineva ehitusega. Ehkki paljude lennusõidukite konstruktsioonid on võrreldes nende algsete loojate kavatsustega tundmatuseni muutunud (mille parimaks näiteks võib lugeda lennukit Boeing 747), näitab hävituslennuki F-35 aeglane ja vaevaline sünd, et alati pole taoline paindlikus garanteeritud.

Plaani järgi peaks risttoide mängima SpaceX-i kanderaketi Falcon Heavy kavandis olulist rolli. See oleks ka üks peamistest põhjustest miks antud kanderakett suudab toimetada orbiidile ligi neli korda sama palju kasulikku lasti kui Falcon 9 v1.1.

Horisontaalne maandumine[muuda | muuda lähteteksti]

Ettevõtte Scaled Composites suborbitaalne kosmoselennuk SpaceShipOne startis kandelennukilt ja maandus horisontaalselt

Horisontaalse maandumise korral vajab lennuseade tiibasid ja telikut (välja arvatud veepinnale maanduvad lennuseadmed). Niisugusel juhul moodustavad tiivad 9–12% maanduva sõiduki massist, mille võrra suureneb stardimass ja/või väheneb kasulik last.

Atmosfääri sisenemine ja lend üleheli- ja allahelikiirusel esitavad sõidukile mõnevõrra üksteisega vastuolus olevaid nõudeid, mida on püütud lepitada tõstejõudu arendava keha (inglise keeles lifting body) disainiga; sama otstarvet kannab Space Shuttle'i kolmnurkse kujuga deltatiib.

Vertikaalne maandumine[muuda | muuda lähteteksti]

Ettevõtte McDonnel Douglas DC-X startis ja maandus vertikaalselt

Üks lähenemine vertikaalsele maandumisele on kasutada langevarje, maandudes kas ookeanile või väikeste maandumisrakettmootorite abil maapinnale (nagu Sojuz).

Teine võimalus on pidurdada rakett atmosfääri madalas osas allahelikiiruseni ja teha siis rakettmootori abil "pehme maandumine". See tähendab, et umbes 10% sõiduki maandumiskaalust peab moodustama kütus.

Antud lähenemist on kasutanud ettevõte McDonnel Douglas, kelle katserakett DC-X maandus katsetuste käigus pärast umbes 3,1 kilomeetri kõrgusele tõusmist.[6] Samuti on seda teinud Blue Origin, kes 2015. aasta novembris maandas esimesena kosmoses (üle 100 km maapinnast) ära käinud suborbitaalse kanderaketi New Shepard,[7] ja SpaceX, kes maandas 2015. aasta detsembris orbiidile lasti toimetanud kanderaketi Falcon 9 esimese astme.

Veel üks võimalus on kasutada maandumiseks autožiiro või helikopteri rootorit. Selle lähenemise korral peab arvestama, et umbes 2–3% sõiduki maandumiskaalust moodustab rootor.

Seda lähenemist katsetas ettevõte Rotary Rocket oma atmosfäärisiseste katsete sõiduki Roton juures 1990. aastate lõpus.

Horisontaalne start[muuda | muuda lähteteksti]

Ettevõtte XCOR rakettmootoritega katselennuk EZ-Rocket kasutas startimiseks ja maandumiseks tavalist lennuvälja stardirada

Horisontaalselt startiv lennuseade vajab õhku tõusmiseks tiibasid. Enamasti näevad kavandid orbiidile jõudmiseks mõeldud sõidukil ette kütusepaake sisaldavate tiibadega konstruktsiooni. Umbes 9–12% sõiduki stardimassist moodustavad tiivad.

Vertikaalne start[muuda | muuda lähteteksti]

See on klassikaliste rakettide tavapärane startimise viis. Rakettidele sobib see hästi, sest nende tõukejõu ja massi suhe on väga kõrge (umbes 100).

Atmosfääriõhku kasutavad mootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Atmosfääriõhku kasutavad mootorid tarbivad üles tõusmise ajal oksüdandina atmosfääriõhku. Kõige tuntum neist on scramjet-mootor, kuid on loodud ka turboramjet-mootorite, vedelõhutsükliga (inglise keeles Liquid Air Cycle Engine, LACE) mootorite ja eeljahutusega reaktiivmootorite kavandeid.

Atmosfääriõhku tarvitava mootori suurim võimalik kiirus jääb orbitaalkiirusest kaugele maha (scramjet'id arendavad umbes 15-kordset helikiirust, teised nimetatud mootorid 5–6-kordset helikiirust); puudujääva 10–20 Machi lisamiseks on vaja rakettmootorit.

Üks suur atmosfääriõhku kasutavate mootorite väljakutse on termiliste tingimuste kontrollimine. Kui tavalised raketid lendavad lennu esimeses etapis järsu nurga all üles, et õhutakistuse mõju minimeerida, siis scramjet'id lendavad sihilikult suurel kiirusel läbi suhteliselt tiheda atmosfääri, mistõttu sõiduki kere kuumeneb ülikõrgele temperatuurile. Teist tüüpi mootorite kasutamisel pole kuumenemisega seotud probleemid nii suured, kuid nõuavad ikkagi vastavaid disainilahendusi.

Raketikütus[muuda | muuda lähteteksti]

Vesinik[muuda | muuda lähteteksti]

Sageli eelistatakse kütusena vesinikku, kuna sellel on kõrgeim eriimpulss. Kuna vesinik on madala tihedusega ja seda peab hoidma ülimadalal temperatuuril (−252,87 °C), siis tähendab see, et raketiastme kütusepaagid, pumbad ja torud peavad olema väga tugevad ning kütus peab olema ümbritsevast keskkonnast hästi isoleeritud. See suurendab raketiastme mõõtmeid, kaalu ja keerukust ning nullib suure osa vesiniku kui raketikütuse eelistest.

Sellele vaatamata on vesinikkütust kasutava raketiastme mass koos kütusega (inglise keeles wet mass) kergem kui samasuure kasuliku lastiga tihedat raketikütust kasutava astme mass, mis võib anda võimaluse tiibade lisamiseks.

Vesinikku kasutatakse selle kõrge eriimpulsi tõttu sageli teise raketiastme kütusena.[8]

Tihe kütus[muuda | muuda lähteteksti]

Vahel eelistatakse tihedat kütust – ehkki see tähendab raketiastme suuremat stardimassi, on kütusepaakide ja -pumpade mass vesinikkütust kasutava astme omadega võrreldes märksa väiksem. Vertikaalselt startivas raketis kasutatakse tavaliselt tihedat kütust, samuti sobib see horisontaalselt maanduvatele lennusõidukitele, sest kütusest tühjana on sõiduk kergem kui samaväärne vesinikkütust kasutav sõiduk. Mittekrüogeenset tihedat kütust saab ka tiibades asuvates kütusepaakides hoida.

Erinevates projektides on püütud olemasolevate kütuste baasil luua tihendatud kütuseid. Siia alla kuuluvad poolvedelate krüogeensete kütuste (vesinik, propaan) loomise tehnoloogiad (inglise keeles slush technologies). On uuritud üht teist tihendamise meetodit, mis kasvataks ka kütuste eriimpulssi: pulbristatud süsiniku, alumiiniumi, titaani ja boori lisamist kütusele. Need lisandid tõstavad kütuse eriimpulssi ja kasvatavad selle tihedust. Näiteks katsetati Prantsuse raketiarendusprogrammis ONERA boori koos petrooleumiga geelsuspensioonis, samuti parafiinis. Katsetes õnnestus demonstreerida eriimpulsi 20–100% kasvu kütuse mahu kohta.

Kolmekomponentne kütus[muuda | muuda lähteteksti]

Tiheda kütuse kasutamine on optimaalseim raketistardi esimeses etapis, sest suur tihedus annab rakettmootorile parema tõukejõu/massi suhte. See tähendab, et raketi kiirendus on suurem, see jõuab varem orbitaalkiiruseni ja gravitatsioonikaod on väiksemad.

Kuid orbitaalkiiruseni jõudmiseks on vesinik parem raketikütus, sest kütuse mass on kõrge eriimpulsi tõttu väiksem, mis vähendab stardimassi.[viide?]

Seetõttu põletavad kolmekomponentset raketikütust kasutavad raketid esmalt tihedat kütust ja lähevad seejärel üle vesiniku põletamisele. (Teatud mõttes tegi seda ka Space Shuttle oma tahkekütusrakettide ja peamootorite kombinatsiooniga, kuid kolmekomponentse kütusega raketid kannavad oma mootorid tavaliselt orbiidile.)[viide?]

Kulu kütusele[muuda | muuda lähteteksti]

Kõigil tänapäevastel kanderakettidel on kulu kütusele võrreldes kuluga kanderaketi konstruktsioonile või riistvarale marginaalne. Kui korduvkasutava kanderaketi loomine peaks õnnestuma, siis kasutataks riistvara palju kordi, mis toob kulu riistvarale alla. Lisaks sellele on korduvkasutatavad raketid enamasti raskemad ja nende kütusekasutuse efektiivsus on väiksem. See võib viia kütusekulude osakaalu kasvuni, kuni need muutuvad märkimisväärseks.

Stardiabi[muuda | muuda lähteteksti]

Kuna raketivalemi järgi on raketi delta-v suhe kütuse massi ja mootori kogumassi suhtesse (inglise keeles mass fraction – 'massiosa') mittelineaarne, siis toob delta-v väike vähenemine kaasa suure vähenemise vajaminevas massiosas; ka kõrgemale viidud raketistardist on kasu.

Paljud süsteemid näevad ette lennuki kasutamist raketi algkiiruse ja -kõrguse tõstmiseks. Kanderaketti veetakse kas slepis, kantakse lennuki küljes või lihtsalt tangitakse õhus.

On pakutud ka teistsuguseid stardiabivahendeid, nende seas maapinnal asuvad kiirendusrelsid või magnethõljukid, kõrgel (80 km) asuvad maglev-süsteemid, näiteks heitesilmus (inglise keeles launch loop), või veel eksootilisemad vahendid, näiteks kõrgel asuvad raketilennutamisköidikud (inglise keeles tether propulsion systems) või isegi kosmoselift.

Orbiidilt laskumise soojuskaitsekiht[muuda | muuda lähteteksti]

Robert Zubrin on öelnud, et rusikareeglina peab 15% maandumissõiduki massist olema aeropidurduse soojuskaitsekiht.[9]

Enamasti nähakse korduvakasutatavate kanderakettide soojuskaitsekihina mingit sorti keraamilisest või süsinik-süsinik-komponentidega materjalist valmistatud soojuskaitsekihti, või ka metallist soojuskaitsekihti (milles kasutatakse kas vesijahutust või mõnd haruldast muldmetalli).[viide?]

Osades kavandites on soojuskaitsekihid ühekordse kasutusega ablatiivsest materjalist; sel juhul võidakse soojuskaitsekiht pärast atmosfääri sisenemist ja enne maandumist küljest heita.

On leiutatud uuem soojuskaitsesüsteemi (inglise keeles Thermal Protection System, TPS) tehnoloogia, mis on mõeldud mandrivaheliste ballistiliste paljude eraldisihitavate lõhkepeadega rakettide (inglise keeles ICBM MIRV) stabilisaatorite jaoks. Kuna sellised lõhkepead peavad sisenema atmosfääri kiiresti ja säilitama lennukiiruse kuni merepinna tasemeni, siis on antud vajadust silmas pidades töötatud välja nn SHARP-materjalid, milleks on tavaliselt hafniumdiboriid ja tsirkooniumdiboriid, mis taluvad temperatuuri üle 3600 °C. SHARP-materjalidega varustatud sõidukid võivad lennata 30 km kõrgusel kiirusel 11 Machi ja merepinna tasemel kiirusel 7 Machi. Antud materjalid võimaldavad luua teravate servadega konstruktsioone, misjuhul plasmalööklainet, mis blokeerib sõiduki orbiidilt laskumisel raadioside, ei teki. SHARP-materjalid on väga vastupidavad ega vaja pidevat hooldust, nagu näiteks ränidioksiidist plaadid, mida kasutati Space Shuttle'i soojuskaitsekihina ja mille hoolduskulu ulatus üle poole kogu kosmosesüstiku hoolduskulust ja -ajast. Ainuüksi hoolduse pealt kokkuhoitav kulu oleks oluline põhjus SHARP-materjalide kasutamiseks korduvkasutatava kanderaketi konstruktsioonis, eriti kui pidada silmas, et just suur lennusagedus muudab raketistardi kulud madalaks.

Massi kasv[muuda | muuda lähteteksti]

Korduvkasutatava sõiduki mass kandevõime kohta on peaaegu vältimatult suurem kui samasugustest materjalidest valmistatud ühekordse kanderaketisüsteemi mass.

Arenduskulud[muuda | muuda lähteteksti]

Korduvkasutatava süsteemi arenduskulud on tõenäoliselt kõrgemad ühekordselt kasutatava raketi omadest, sest korduvkasutatavus eeldab, et sõiduk peab vastu pidama enam kui ühele kasutuskorrale. See tähendab rohkemaid teste sõiduki arendamisel. Vastupidavuse tõstmise kõige lihtsamaks viisiks on massi suurendamine, kuid sellega kaasneb raketi tõhususe vähenemine. Tekib vajadus tõhususe tõstmiseks mõnel muul viisil läbi uurimis- ja arendustegevuse. See suurendab kulusid uurimis- ja arendustegevusele, mis lõppkokkuvõttes tõstab kanderaketisüsteemi hinda.

Hoolduskulud[muuda | muuda lähteteksti]

Senised kogemused näitavad, et korduvkasutatav kanderaketisüsteem nõuab põhjalikku hooldust. Space Shuttle'it tuli lendude vahelisel ajal ulatuslikult hooldada, peamiselt hooldati kosmosesüstiku ränidioksiidist valmistatud kuumuskilbi plaate ja suure võimsusega vedelhapnikku/vedelvesinikku tarvitavaid peamootoreid. Mõlemate süstiku alamsüsteemide korral oli vajalik üksikasjalik ülevaatus, taastamine ja osade välja vahetamine, mis kokku moodustas 75% kosmosesüstiku hoolduskuludest. Hoolduskulud ületasid kosmosesüstiku konstrueerimiseelseid planeeritud hoolduskulusid nii suurel määral, et Space Shuttle'i missioonide maksimaalne igaaastane arv vähenes veerandini kavandatust. Samuti oli orbiidile toimetatud kasuliku lasti hind neljakordne võrreldes algselt planeerituga, mis muutis kosmosesüstiku kasutamise lasti kosmosesse toimetamisel majanduslikult ebaotstarbekaks kõige muu jaoks peale suurimate lastide, mille puhul konkurents puudus.

Edu saavutamiseks korduvkasutatavate kanderaketisüsteemide vallas on vaja õppida Space Shuttle'i juures tehtud vigadest ja leida uued lahendused kuumuskaitsekilpide ning raketimootorite tehnoloogias.

Tööjõud ja logistika[muuda | muuda lähteteksti]

Kosmosesüstiku programmi käigushoidmiseks oli vaja enam kui 9000 töötajast koosnevat armeed, kelle ülesandeks oli kosmosesüstikute hooldamine, taastamine ja uuesti kosmosesse lennutamine. Töötajate arv ei sõltunud süstiku lendude sagedusest.

Tööjõukulu tuleb jagada lendude koguarvuga aastas. Mida vähem lende, seda kõrgemaks tõuseb kulu ühe lennu kohta. Üks olulisemaid aspekte korduvkasutatava kanderaketisüsteemi majandusliku otstarbekuse tagamisel on tööjõukulude optimeerimine. Näideteks neid arvestava lähenemisega projektidest on DC-X Delta Clipperi projekt ja SpaceX-i Falcon 1 ning Falcon 9 programmid.

Üks tegur, mis töötab tööjõukulude vähendamise vastu, on valdkonna riigipoolne regulatsioon. NASA ja USA õhujõud Ameerika Ühendriikides, samuti nagu valitsusasutused teistes riikides, on raketitööstuse peamised kliendid ja arendustööde rahastajad. Valitsusasutuste nõuded järelevalve, kvaliteedi, ohutuse ja dokumentatsiooni osas tõstavad kanderaketisüsteemide arendus- ja tegevuskulusid.

Orbitaalsed korduvkasutatavad kanderaketid[muuda | muuda lähteteksti]

Väljatöötamisjärgus[muuda | muuda lähteteksti]

  • AdelineAirbus Groupi divisjoni Airbus Defence and Space arendatav korduvkasutav kanderaketi moodul kanderaketile Ariane 6.
  • AvatarIndia arendatav kosmoselennuk, mille vähendatud suurusega katseversiooni esimene lend on planeeritud 2016. aastal.[10][11]
  • Blue Origin arendab korduvkasutatavat kanderaketti (seisuga november 2015).[6][12]
  • 2014. aasta seisuga töötab Hiina projekti kallal, mille eesmärgiks on kanderaketi astme tervena kätte saamine; kasutatakse tiibvarju tüüpi tiibasid. Tulevikus planeeritakse mootoritega katselende ja projekt loodetakse lõpetada aastaks 2018.[13]
  • Skylon – atmosfääriõhku kasutavate mootoritega üheastmeline kosmoselennuk.
  • SpaceX-i korduvkasutatav kanderaketisüsteem, mis peaks tulema kasutusele kanderakettidel Falcon 9 ja Falcon Heavy. 21. detsembril 2015 maandas SpaceX edukalt kanderaketi Falcon 9 esimese astme, pärast seda, kui see oli aidanud orbiidile toimetada 11 sidesatelliiti.[14]
  • bloostar ja bloonHispaania ettevõtte zero2infinity arendatavad kanderaketisüsteemid. Plaani kohaselt tõuseb mitmeastmeline vedelkütusrakett õhupallide abil 30 km kõrgusele, kus rakettmootorid käivitatakse. Raketiastmed eralduvad ja maandatakse pehmelt maapinnale, et neid saaks uuesti kasutada.[15]
  • Shenlong – Hiina kosmoselennuk, mis sarnaneb USA kosmoselennukiga Boeing X-37. Projekt algas 2000. aastate alguses, väidetavalt toimus esimene suborbitaalne katselend aastal 2011.[16]

Tühistatud[muuda | muuda lähteteksti]

  • Hyperion – 1960. aastate HTVL-kosmoselaeva kavand.[17]
  • Spiral ehk MiG-105 – osa Nõukogude Liidu kosmoselennuki loomise projektist, vastus USA kosmoselennukile Boeing X-20 Dyna-Soar. Töö projekti kallal algas aastal 1965. Projekt peatati 1969 ja taaselustati 1974 vastusena USA Space Shuttle'ile. Kokku toimus kaheksa katselendu. Projekt lõpetati 1978, kui otsustati edasi liikuda Burani arendamisega.
  • Phoenix – USA ettevõtte Pacific American Launch Systems üheastmelise kosmosesõiduki kavand 1980. aastatel.[18]
  • HOTOL – Ühendkuningriigi arendatud üheastmeline atmosfääriõhku kasutava rakettmootoriga kosmoselennuk. Tühistati aastal 1988. HOTOLI-i arendajad liikusid edasi Skyloni projekti juurde, mis kasutab sama tehnoloogiat.
  • MAKSNõukogude Liidu taaskasutava õhust startiva kosmoselennuki projekt aastatel 1988–1991.
  • X-30 – USA ettevõtte Rockwell International üheastmelise kosmosesõiduki ja kosmosereisilennuki kavand. Tühistati 1990. aastate alguses.
  • Roton – USA ettevõtte Rotary Rocket Company üheastmeline mehitatud kanderakett, mis pidi pehmeks maandumiseks kasutama helikopteri tiivikuid. 1999. aastal tegi täismõõduline katsesõiduk kolm lendu, kuid ettevõttel lõppes raha ja see läks 2001. aastal pankrotti.
  • Baikal – kokkupandava tiivaga stardiplatsile tagasi lendav Venemaa kanderaketi Angara raketiaste. 2000. aastate alguse Vene-Prantsuse ühisprojekt.
  • X-33 ja VentureStar – X-33 oli suborbitaalne katsemudel orbitaalse kosmoselennuki VentureStar arendamiseks. Mõlemaid arendas USA ettevõte Lockheed Martin ja need pidid vahetama välja Space Shuttle'i. Projekt tühistati aastal 2001 seoses X-33 programmi tehniliste nurjumistega.
  • Kliper – Venemaa osaliselt korduvkasutatav kosmoselennuki või tõstejõudu arendava keha disainiga kosmosesõiduk. Arendustööd on pärast 2007. aastat seiskunud.
  • Vedelkütust kasutav tagasilendav kiirendusrakett (inglise keeles Liquid fly-back booster) – Saksa Õhu- ja Kosmoselennunduse Keskuse (DLR) projekt kanderaketile Ariane 5 korduvkasutatavate kiirendusrakettide loomiseks. Tühistati aastal 2009.
  • Silver Dart – USA ettevõtte PlanetSpace lifting-body tüüpi VTHL-kosmoselennuki kavand. Ettevõte lõpetas tegevuse aastal 2013.

Ajaloolised[muuda | muuda lähteteksti]

  • Buran – osaliselt korduvkasutatav Nõukogude Liidu kosmoselennuk. Pole enam kasutusel.
  • Space Shuttle – osaliselt korduvkasutatav USA kosmoselennuk. Pole enam kasutusel.

Loobutud korduvkasutatavusest, kasutatud ühekordse kanderaketina[muuda | muuda lähteteksti]

  • Falcon 1 – SpaceX-i esimene kanderakett pidi olema korduvkasutatav. 28. septembril 2008 tegi Falcon 1 esimese katselennu orbiidile. Kuid korduvkasutatavust ei saavutatud ja SpaceX loobus 2009. aastal Falcon 1 kasutamisest.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 "STS External Tank Station". Ntrs.nasa.gov. Vaadatud 7. Jaanuar 2015. 
  2. "The Maglifter: An Advanced Concept Using Electromagnetic Propulsion in Reducing the Cost of Space Launch". NASA. Vaadatud 24. mai 2011. 
  3. Wade, Mark. "Hyperion SSTO". Astronautix. Originaali arhiivikoopia seisuga 17.01.2013. Vaadatud 6.02.2011. "Hyperion oli tõeliselt erakordne kosmosesõiduk, see pidi startima horisontaalselt ja maanduma vertikaalselt (HTVL), mis on väga haruldane kombinatsioon. Kosmosesõiduk suutnuks peale võtta 110 reisijat või 18 tonni kasulikku lasti." 
  4. NASA-CR-195281, "Utilization of the external tanks of the space transportation system". NASA, 23.–27. august 1982
  5. "Triamese". Astronautix.com. Vaadatud 7. jaanuar 2015. 
  6. 6,0 6,1 Berger, Eric. "Jeff Bezos and Elon Musk spar over gravity of Blue Origin rocket landing". Ars Technica. Vaadatud 25. november 2015. 
  7. "Blue Origin Makes Historic Reusable Rocket Landing in Epic Test Flight". Calla Cofield (Space.Com). 24. november 2015. Vaadatud 25.11.2015. 
  8. "What kind of fuel do rockets use and how does it give them enough power to get into space?". Scientific American. 13. veebruar 2006. Vaadatud 7. jaanuar 2016. 
  9. Chung, Winchell D. Jr. (30. mai 2011). "Basic Design". Atomic Rockets. Projectrho.com. Vaadatud 4.07.2011. 
  10. "India’s Futuristic Unmanned Space Shuttle Getting Final Touches". EXPRESS NEWS SERVICE (Indian Defence Research Wing). 20. mai 2015. Vaadatud 2.08.2015. 
  11. "Wednesday, August 03, 2011India's Space Shuttle [Reusable Launch Vehicle (RLV)] program". AA Me, IN. 2011. Vaadatud 2.08.2015. 
  12. "Commercial Crew Program Overview". NASA. 22. aprill 2011. Vaadatud 21. november 2011. 
  13. Messier, Doug (18. juuni 2014). "China Looks to Recover Booster Stages". Parabolic Arc. Vaadatud 6. jaanuar 2015. 
  14. SpaceX on Twitter: "The Falcon 9 first stage landing is confirmed. Second stage continuing nominally. https://t.co/RX2QKSl0z7"
  15. Reyes, Tim (17. oktoober 2014). "Balloon launcher Zero2Infinity Sets Its Sights to the Stars". Universe Today. Vaadatud 9. juuli 2015. 
  16. "Shenlong ‘Divine Dragon’ Takes Flight: Is China developing its first spaceplane?". China Signpost. 4. mai 2012. Vaadatud 19.06.2012. 
  17. Hyperion: An SSTO Vision Vehicle Concept Utilizing Rocket-Based Combined Cycle Propulsion. Georgia Institute of Technology
  18. G Hudson, 1991, "History of the Phoenix VTOL SSTO and Recent Developments in Single-Stage Launch Systems", paper AAS 91-643, Proceedings of 4th International Space Conference of Pacific-basin Societies, AAS Vol 77, pp 329–351