Avaruuslennot

Kantoraketti

Kantoraketti vie satelliitin kiertoradalle työntämällä pakokaasua taaksepäin. Näin raketti toimii, miksi vaiheita on useita ja mikä on maailman suurin raketti.

Kantoraketti on raketti, joka kuljettaa hyötykuorman, kuten satelliitin tai avaruusaluksen, Maan pinnalta avaruuteen ja tavallisesti kiertoradalle asti. Se toimii työntämällä kuumaa pakokaasua voimakkaasti taaksepäin, jolloin vastavoima kiihdyttää rakettia eteenpäin. Moderni kantoraketti koostuu yleensä kahdesta tai useammasta vaiheesta, jotka irtoavat yksi kerrallaan, kun niiden ponneaine loppuu. Maailman suurin kantoraketti on SpaceXin ilmoittamien lukujen mukaan Starship.

Miten raketti liikkuu?

Raketti liikkuu Newtonin kolmannen lain mukaan: jokaiseen voimaan liittyy yhtä suuri vastakkaissuuntainen voima. Moottori kiihdyttää palamiskaasut ulos suuttimesta, ja reaktiovoima työntää rakettia vastakkaiseen suuntaan. NASAn Glenn-tutkimuskeskuksen mukaan työntövoiman suuruus riippuu siitä, kuinka paljon kaasua moottorin läpi kulkee ja kuinka nopeasti se poistuu.

Raketti ei tarvitse ilmaa. Lentokoneen suihkumoottori ja potkuri käyttävät ympäröivää ilmaa, mutta raketti kuljettaa mukanaan sekä polttoaineen että hapettimen. Siksi sama moottoriperiaate toimii tyhjiössä, jossa ei ole mitään, mihin nojata.

Ponneaineita on kaksi perustyyppiä. Nestemoottorissa polttoaine ja hapetin ovat erillisissä säiliöissä ja pumpataan palotilaan. Tällaisen moottorin voi sammuttaa sulkemalla virtauksen, mutta se on painavampi ja monimutkaisempi. Kiinteän ponneaineen moottorissa seos on valmiiksi valettu sylinteriksi. Se on helppo varastoida ja käsitellä, mutta se palaa loppuun asti eikä sitä voi yksinkertaisesti sammuttaa.

Miksi kantorakettiin tarvitaan useita vaiheita?

Kantoraketissa on useita vaiheita, koska tyhjät säiliöt ovat raskasta rahtia, jota kannattaa olla kuljettamatta kiertoradalle asti. NASAn Launch Services Program -ohjelman mukaan kaikki kertakäyttöiset raketit käyttävät kahta tai useampaa vaihetta, jotka putoavat pois, kun niiden moottorit ovat palaneet loppuun. Kun alin vaihe on tyhjä, se irtoaa ja seuraavan vaiheen moottori jatkaa kiihdytystä kevyemmällä rakettiyhdistelmällä.

Vaiheita tarvitaan, koska kiertoradalle pääseminen vaatii valtavasti nopeutta. NASAn teknisen aineiston mukaan matalalle Maan kiertoradalle päästäkseen raketin on saatava ihanteellisessa tapauksessa noin 7,5 kilometrin sekunnin nopeusmuutos. Ilmanvastus ja painovoima nostavat todellisen tarpeen lähelle kymmentä kilometriä sekunnissa.

Mitä kantoraketteja on olemassa?

Kantoraketit eroavat kooltaan, ponneaineiltaan ja siinä, kuinka moni osa käytetään uudelleen. Alla olevaan taulukkoon on koottu tunnetuimpia esimerkkejä viraston tai valmistajan omilla luvuilla.

Raketti	Korkeus	Hyötykuorma	Erikoispiirre
Falcon 9 (SpaceX)	70 m	enintään 22 800 kg matalalle kiertoradalle	ensimmäinen vaihe laskeutuu pystyyn ja voidaan käyttää uudelleen
Ariane 62 (ESA)	yli 60 m	noin 10,3 t matalalle kiertoradalle, noin 4,5 t GTO-radalle	kaksi kiinteän ponneaineen apurakettia
Ariane 64 (ESA)	yli 60 m	noin 21,6 t matalalle kiertoradalle, noin 11,5 t GTO-radalle	neljä apurakettia
Vega-C (ESA)	lähes 35 m	noin 3,3 t matalalle kiertoradalle	kolme kiinteän ponneaineen vaihetta ja uudelleen sytytettävä yläaste
SLS Block 1 (NASA)	98 m	yli 27 t Kuuhun	noin 39 meganewtonin työntövoima lähdössä
Starship (SpaceX)	noin 124 m	yli 100 t	täysin uudelleenkäytettäväksi suunniteltu kaksivaiheinen raketti

Taulukon rivit kertovat, mikä kokoluokka sopii mihinkin tehtävään. Jos tarkoitus on viedä kerralla kymmeniä tonneja, tarvitaan Ariane 64:n tai SLS:n kaltainen raskas raketti. Pieni tieteellinen satelliitti sen sijaan mahtuu Vega-C:n kyytiin, ja Falcon 9 sopii sekä pienille että keskikokoisille lasteille, koska sen ensimmäinen vaihe voi palata maahan.

Miten eri kantoraketit on rakennettu?

Ariane 6 on esimerkki eurooppalaisesta kolmiportaisesta rakettiratkaisusta. ESAn mukaan siinä on kaksi tai neljä apurakettia, pääaste ja yläaste. Pääasteen moottori on Vulcain 2.1, apurakettien moottori P120C on kiinteän ponneaineen moottori, ja yläasteen Vinci-moottori voidaan sytyttää avaruudessa uudelleen. P120C-moottoria käytetään myös Vega-C:ssä, joten kaksi eri rakettia jakaa saman osan.

Vega-C taas on pieni ja kokonaan kiinteällä ponneaineella toimiva kolmeportainen raketti. ESAn mukaan sen ensimmäinen vaihe P120C kuluttaa noin 144 tonnia ponneainetta ja tuottaa keskimäärin noin 4 500 kilonewtonin työntövoiman. Neljäntenä vaiheena on nestepolttoainetta käyttävä AVUM+, joka voidaan sytyttää uudelleen, jotta satelliitit saadaan eri kiertoradoille.

Falcon 9:n erikoisuus on palautettava ensimmäinen vaihe. NASAn vanhemman tietolehden mukaan palautus pienentää hyötykuormaa, koska laskeutumiseen on säästettävä polttoainetta: kertakäyttöisenä raketti vie geosiirtoradalle 8,3 tonnia, mutta kun ensimmäinen vaihe talteenotetaan, määrä on 5,5 tonnia. Siksi 22 800 kilon luku on yläraja eikä kaikkien lentojen todellinen kapasiteetti.

Mikä on maailman suurin raketti?

Maailman suurin raketti on SpaceXin Starship sekä korkeudeltaan että työntövoimaltaan. SpaceX ilmoittaa koko yhdistelmän korkeudeksi noin 124 metriä, ja Super Heavy -ensimmäisen vaiheen 33 Raptor-moottoria tuottavat yhteensä 8 240 tonnin voiman, mikä on noin 81 meganewtonia. SpaceX on muuttanut lukuja vuosien mittaan, joten tarkka arvo riippuu raketin versiosta.

Vertailukohdaksi NASAn SLS on 98 metriä korkea ja sen maksimityöntövoima lähdössä on 8,8 miljoonaa naulaa eli noin 39 meganewtonia. Saturn V, jolla Apollo-lennot lähtivät Kuuhun, oli 363 jalkaa eli noin 111 metriä korkea. NASA ilmoittaa sen työntövoimaksi noin 7,6 miljoonaa naulaa, noin 34 meganewtonia, mutta lähteiden lukuja on useita. Apollon kuulentojen historian löydät sivulta Apollo-ohjelma, ja SLS:n tehtävästä kerrotaan sivulla Artemis-ohjelma.

Mihin kantoraketteja käytetään?

Kantoraketti vie kiertoradalle sen, mitä avaruudessa tarvitaan. Se voi olla viestintä-, sää- tai paikannussatelliitti, tieteellinen luotain tai miehistöaluksen. Mitä satelliitit tekevät ja miten niitä voi havaita illan taivaalta, selviää sivulta Satelliitit. Suuria satelliittiverkkoja, kuten Starlinkiä, rakennetaan lähettämällä satelliitteja kiertoradalle kantorakettien avulla. Suomalaisia satelliitteja on laukaistu muiden maiden raketeilla: ensimmäinen, Aalto-1, lähti intialaisella PSLV-raketilla, mistä kerrotaan sivulla Suomi avaruudessa.