Teorien som ligger bak oppskytningen av romfartøy, er ikke så utfordrende som du kanskje tror. Det som er komplisert, er ingeniørarbeidet som er nødvendig for å ta teorien i bruk, forklarer Brian Clegg.
Hva er rakettforskning?
Rakettforskning (rocket science) handler om å bruke framdriftskraft for å flytte alt fra et fyrverkeri til et bemannet romskip. Sentralt i rakettforskningen er Newtons tredje bevegelseslov, som har vært etablert i over 300?år. Denne lover sier at hver kraft som utøves, har en like stor og motsatt rettet motkraft. Hvis du står foran en vegg og skyver hardt mot den, vil du bevege deg bakover. Dersom du står på et skateboard og kaster en tung gjenstand bort fra deg så hardt som mulig (ikke prøv dette hjemme), vil du rulle i motsatt retning. Når du skyver et objekt framover, skyver gjenstanden på deg med samme kraft. En rakett er «objektet» som blir presset, som er resultatet av å brenne drivstoff som skyter ut av baksiden av raketten når drivstoffet forbrennes. Dette tvinger raketten til å bevege seg i motsatt retning.
Så er rocket science, Ehm,
«rocket science»?
Ikke i det hele tatt. Det er tre grunnleggende krav til en fungerende rakett: få den til å bevege seg, overvinne tyngdekraften og planlegge en kurs. Hvert av disse punktene er avhengig av fysikk som har vært kjent siden Newtons tid. Rakettforskning er enkelt i tomt rom, men på Jorda må vi overvinne planetenes tyngdekraft.
Newtonsk fysikk er alt vi trenger for å planlegge kursen til en rakett. Newtonsk fysikk gjør at vi kan forstå hvordan flyvebanen vil bli påvirket av gravitasjonskreftene fra Jorda, Sola og Månen (planetene vil også påvirke raketten, men disse kreftene er små lokalt), pluss eventuelle «boosts» fra rakettmotoren. Det er ikke selve vitenskapen som gjør vellykket rakettforskning så vanskelig, men ingeniørkunsten. Det er så mye kompleks teknologi i en rakett at det er utrolig vanskelig å være sikker på at alt kommer til å fungere.
Har teknologien endret seg?
Den nyeste raketteknologien er ionemotorer. Dette er en elektrisk drevet type rakett, hvor ladede partikler (ioner) akselereres av et elektrisk felt for deretter å bli skutt ut av baksiden til raketten. Ionemotorer er mest brukt til styring av raketter, ettersom de er veldig presise, men ganske svake. De kan imidlertid gi hovedframdriften til en rakett som er designet for bruk i det ytre rom.
Kan raketter bruke oksygen fra atmosfæren?
Romraketter har med seg et oksidasjonsmiddel som for eksempel oksygen eller hydrogenperoksid, slik at drivstoffet kan brenne i rommet. Men til den første og vanskeligste delen av oppskytningen reiser rakettene gjennom atmosfæren. Hvis de kunne plukke opp oksygen på veien, ville det redusere startvekten betydelig. Så det vil være en stor fordel å bruke atmosfærisk oksygen mens det er tilgjengelig.
Problemet er at det er en enorm teknisk utfordring. I en hydrogen/oksygenrakett, som mange av NASAs raketter er, må oksygenet komprimeres og avkjøles til rundt –140 °C før det blandes med hydrogenet, som må skje på rundt et hundredels sekund, for å unngå isblokkeringer fra fuktighet i luften. Nylig har dette blitt oppnådd i framdriftssystemet SABER som ble bygget av det britiske selskapets Reaction Engines. Håpet er at denne teknologien snart vil bli brukt i rakettmotorer som er designet for romflyet Skylon.
Hvorfor har store raketter flere trinn?
Trinnene henger sammen med hvor mye drivstoff som må bæres med for at raketten skal kunne unnslippe Jordas tyngdekraft. Når drivstofftankene er tomme, er de bare en ekstra vekt som må akselereres, og som derfor kaster bort drivstoff. Ved å slippe av et trinn når drivstoffet er oppbrukt (eller ved å ha disponible eksterne tanker slik som romfergen), blir det gjenværende fartøyet mye lettere, og det trengs mindre drivstoff for å akselerere det framover.
Romfartøy som skal vende tilbake til Jorda, bruker tradisjonelt en kombinasjon av luftmotstand, vinger og fallskjermer for å senke hastigheten ved tilbakekomsten til Jorda. Raketter brukes til landing når det ikke er luft og relativt svak tyngdekraft, som på Månen. Men et helt romfartøy kan ikke ha nok drivstoff til å gjøre en myk landing på Jorda – det bruker mesteparten av drivstoffet på å komme seg ut i utgangspunktet. Det ville trenge en form for tankingskapasitet i rommet, som for øyeblikket ikke er mulig.
I løpet av de siste årene har forskningen på gjenbrukbare romfartøy tatt seg opp (se panel til høyre). SpaceX har landet det første trinnet av Falcon 9-raketten vellykket på land og på en sjøplattform ved hjelp av rakettmotorer. Mens første trinn bare er én del av romfartøyet, kan visjonen om å lande et helt romfartøy på Jorda en dag bli en realitet.
Brian Clegg er en vitenskapsforfatter. Hans bøker inkluderer Infinity og How Many Moons Does The Earth Have?
