Avaruuteen lentokoneen kyydistä

Kun satelliitti laukaistaan Maata kiertävälle radalle, on kantoraketilla voitettavanaan kaksi suurta vastavoimaa: painovoima ja ilmanvastus. Maan vetovoimaan verrattuna ei ilman aiheuttama vastus ole valtava, mutta se on silti suuri.

Koska suurin osa ilmakehän kaasuista on lähellä Maan pintaa, ovat insinöörit todenneet, että raketti olisi parempi lähettää matkaan stratosfääristä, jossa ilma alkaa olla jo melko harvaa. Hieman tapauksesta riippuen etu ilmalaukaisusta saattaa olla jopa 40 prosenttia.

Etua tulee pienemmän ilmanvastuksen lisäksi siitä, että rakettimoottorit voidaan suunnitella toimimaan paremmin harvassa ilmassa. Nyt ensimmäisen vaiheen voimakkaat rakettimoottorit ja etenkin niiden suuttimet täytyy suunnitella kompromissiksi alailmakehän suuren ilmanpaineen ja yläilmakehän erittäin harvan kaasun välillä. Myös kantoraketin muoto sekä rakenne voidaan suunnitella vain harvassa ilmassa lentämiseen.

Lisäksi ilmalaukaisusta saadaan monia epäsuoria etuja: raketti ei vaadi monimutkaista ja kallista laukaisualustaa, vaan ainoastaan pitkän kiitoradan rakettia kuljettavalle lentokoneelle, ja lisäksi sää ei vaikuta laukaisuun niin paljoa kuin maankamaralta matkaan lähdettäessä.

Oikeastaan on ihme, ettei ilmalaukaisua ole käytetty jo aikaisemmin. Syynä tähän on varmasti ollut avaruusalan tietty konservatiivisuus, jossa olemassa olevia laukaisukeskuksia ja tekniikkaa on haluttu käyttää samalla tavalla kuin aiemmin. Monet raketit ovat perua sotateollisuuden ohjuksista, jotka laukaistaan maanpinnalta, ja suurten rakettien tekeminen ilmalaukaistaviksi on edelleenkin huono ajatus niin taloudellisesti, teknisesti kuin käytännöllisestikin.

Pegasus ja pikkuveljet

Vaikka ilmalaukaistavia raketteja on hahmoteltu jo pitkään, on ainoa toimiva ratkaisu Orbital Sciences -yhtiön Pegasus. Tämä pienillä siivillä varustettu raketti lähetetään matkaan muunnetun Lockheed TriStar -liikennelentokoneen mahan alta, ja se kykenee viemään avaruuteen noin 450 kiloa painavan kuorman.

Tuon kokoiset satelliitit ovat kuitenkin varsin harvinaisia. Tyypillisesti ne ovat joko kevyempiä tai sitten painavampia, mutta silti Pegasus on lentänyt 42 kertaa 24 vuoden aikana, jolloin käytössä on olut useampikin suorituskyvyltään eroava versio.

Armeijat ovat toisaalla kehittäneet lentokoneista ammuttavia ohjuksia, jotka pystyvät sinkoamaan räjähteensä avaruuteen saakka. Niin Yhdysvallat, Venäjä kuin Kiinakin ovat kehittäneet tällaisia satelliitteja tuhoavia aseita, ja sellaisia on myös käytetty – onneksi tosin vain näytösmielessä. Yhdysvallat käytti lentokoneesta laukaistua ohjusta satelliitin tuhoamiseen vuonna 1985. Muut satelliitintuhoamiset, kuten Kiinan vuonna 2007 tekemä (ja paljon avaruusromua synnyttänyt) oman sääsatelliittinsa alasampuminen, on tehty maasta laukaistuilla ohjuksilla.

Nyt Yhdysvaltain puolustushallinnon alainen tutkimusorganisaatio DARPA kehittää tekniikkaa myös pienten satelliittien laukaisuun. Vuonna 2011 alkaneen ALASA (Airborne Launch Assist Space Access) -hankeen tarkoituksena on rakentaa hävittäjäkoneesta laukaistava ohjus, joka voisi toimittaa 45-kiloisen satelliitin matalalle kiertoradalle.

Laukaisun hinta olisi vähemmän kuin miljoona dollaria (noin 885 000 euroa), mikä verrattuna esimerkiksi tavallisen risteilyohjuksen hintaan (noin 1,4 milj. dollaria eli 1,2 milj. euroa) on varsin kohtuullista. Käytännössä ALASA-hankkeen tuloksena syntyvä raketti voitaisiin laukaista mistä tahansa F-15-hävittäjästä, sillä tarkoituksena on saada raketin tietokoneet toimimaan hävittäjien ja asejärjestelmien tietokoneiden käyttämällä protokolalla.

DARPA kaavailee myös toista, pienempää ilmalaukaistavaa laitteistoa, joka kulkee toistaiseksi nimellä SALVO (Small Air Launch Vehicle to Orbit). Kyseessä on uudenlainen raketti, jossa olisi kaksi vaihetta, mutta vain yhdet moottorit: neljä hyötykuomatilan alle asennettua rakettimoottoria käyttävät hapetinta ja polttoainetta sekä ensimmäisestä että toisesta vaiheesta. Vaihe tarkoittaa tässä siis tankkeja, jotka pudotetaan pois niiden tyhjennyttyä. Ilmalaukaistavissa raketeissa näin voidaan tehdä, koska rakettimoottoreita ei tarvitse enää suunnitella erikseen lentämään sekä paksussa ilmakehässä että avaruudessa.

SALVE-raketti kykenee viemään kiertoradalle vain pieniä cubesat-luokan satelliitteja, mutta nykyisin niistäkin voidaan tehdä jo hyvin tehokkaita ja kykeneviä. Jos ja kun laukaisu olisi erittäin edullista, niitä voitaisiin laukaista avaruuteen jopa hyvin lyhyeksi ajaksi jotakin pientä tehtävää varten.

Suunnitelmien mukaan ensimmäiset kokeet niin ikään F-15-hävittäjän alta lähtevillä raketeilla tehdään jo tämän vuoden keväällä.

Stratosfäärilaukaisu

Jos useamman tonnin painoisia satelliitteja halutaan laukaista avaruuteen ilmasta, pitää raketin ja sitä kuljettavan lentokoneen olla paljon edellä kuvattua suurempia.

Ensimmäisenä tällaisen kaupallisesti toimivan laukaisujärjestelmän rakentamisesta ilmoitti amerikkalainen Stratolaunch Systems vuonna 2011. Tämän Yhdysvaltain “rakettipääkaupungissa” eli Alabaman Huntsvillessä majaansa pitävän yhtiön eräs päärahoittajista on Microsoftin toinen perustaja, nyt pääasiassa sijoittajana toimiva miljardööri Paul Allen, joka aikanaan auttoi myös avaruuslentokone SpaceShipOnen rakentamisessa.

Siksi ei ole yllätys, että SpaceShip­Onen suunnittelija Burt Rutan on mukana myös Stratolaunch-yhtiössä. Samoin NASAn entinen pääjohtaja Dan Goldin on mukana yhtiön johtajistossa, joten tällä laukaisujärjestelmällä on ainakin tunnettuja nimiä takanaan.

Periaate on hyvin yksinkertainen: otetaan suuri lentokone, jonka suunnittelusta ja valmistamisesta vastaa Rutanin Scaled Composites, sekä keskikokoinen kantoraketti, joka nostetaan sen kyytiin.

Alun perin rakettina oli tarkoitus käyttää SpaceX-yhtiön Falcon 9:n ilmalaukaistavaa versiota, mutta SpaceX vetäytyi hankkeesta jo vuonna 2012, kun se alkoi vakavasti kehittää raketistaan uudelleenkäytettävää versiota (ks. TM 4/2015).

Hieman myöhemmin Stratolaunch ilmoitti Orbital Sciences -yhtiön ottavan hoitaakseen raketin kehittämisen. Julkistuksen aikaan Pegasus II -niminen raketti on saanut nyt uuden nimen ”Thunderbolt”, ja se kykenee laukaisemaan avaruuteen noin 400 kilometrin korkeudella olevalle radalle 6 100 kiloa painavan kuorman. Se siis vastaa suorituskyvyltään Orbitalin Antares-rakettia, vaikka onkin pienempi ja täysin uudenlainen.

Raketti on kolmivaiheinen. Kaksi ensimmäistä vaihetta käyttää kiinteää polttoainetta, ja niiden moottorit toimittaa avaruussukkulan apurakettien valmistaja ATK. Ensimmäisessä vaiheessa on pienet siivet, joilla raketti voi jonkin verran ohjata itseään laukaisun jälkeen, ja siivet synnyttävät myös hieman nostovoimaa, mikä osaltaan auttaa laukaisussa.

Kolmas vaihe käyttää nestemäistä vetyä ja happea. Siinä missä kiinteäpolttoaineisia raketteja ei voi säätää tai sammuttaa ja sytyttää uudelleen, nesteraketeilla niin voidaan tehdä; kolmannella vaiheella voidaan siis hienosäätää rataa ja myös kuljettaa satelliitteja radoille, joille pääsemiseksi tarvitaan useita polttoja.

Tämänhetkisen suunnitelman mukaan Thunderboltilla voitaisiin tehdä ensimmäisen laukaisu vuonna 2018. Paul Allenin mukaan raketin pääasiakkaina ovat satelliittien laukaisijat, mutta järjestelmästä suunnitellaan soveltuva myös miehitettyjen alusten lähettämiseen.

Tällainen alus voisi olla Dream Chaser, pieni sukkulamainen avaruusalus, joka hävisi viime lokakuussa NASAn avaruustaksikilpailun Boeingin ja Space X:n aluksia vastaan (ks. TM 19/2014). Alkuperäisen Dream Chaserin hieman pienennetty versio voisi kuljettaa kaksi tai kolme avaruuslentäjää matalalle kiertoradalle – jopa avaruusasemalle – joko suorittamaan tutkimuksia tai vain ihastelemaan maisemia.

Siinä missä viime vuodet ovat olleet hyvin hiljaisia avaruusturismin suhteen, nyt aluksia ja niitä avaruuteen lähettäviä raketteja pulpahtaa esiin joka puolella. Saattaa siis olla, että turistilennot avaruuteen alkavat toden teolla yllättävänkin nopeasti.

Tuplajättiläislentokone

Siinä missä Stratolaunchin raketti ei sinällään ole kovin erityinen – se on “vain” ilmalaukaisua varten viritetty keskikokoinen kantoraketti – tulee sen kuljetuskoneesta jotain aivan uutta. Siipien kärkiväliltään siitä tulee maailman suurin lentokone.

Roc-nimen saanut kone harsitaan kasaan kahdesta Boeing 747-400 -jumbojetistä, jotka Stratolaunch hankki itselleen jo vuonna 2012. Sen jälkeen niitä on kannibalisoitu Mojaven lentoasemalla yhtiön rakentamassa suuressa hangaarissa. Siinä missä uuden koneen runko ja siivet ovat aivan uudet ja varta vasten sille tehdyt, ovat koneen moottorit, ohjaamo, laskutelineet ja monet muut alijärjestelmät peräisin Boeingeista.

Kone muistuttaa hieman Space­Ship­Twon kuljetuskone White Knight 2:ta, eli siinä on kaksi runkoa, joiden väliin raketti asennetaan. Moottoreita koneessa on kuusi, kaikki suuria 747:n moottoreita, ja tankatun lentokoneen kokonaismassa kuormineen tulee olemaan yli 540 tonnia. Tämä vastaa jotakuinkin maksimipainoista Airbus A380 -liikennelentokonetta.

Koneen siipien kärkiväli on 117 metriä eli enemmän kuin millään muulla koneella. Koneen nimittäin halutaan lentävän korkeammalla kuin tavallisten liikennelentokoneiden, koska mitä korkeammalle mennään, sitä suurempi ilmalaukaisun hyödystä tulee. Raketti lähetetään matkaan noin 15 kilometrin korkeudelta.

Periaatteessa laukaisu voidaan tehdä mistä tahansa, kunhan käytössä on vähintään 3 700 metriä pitkä leveä kiitorata, mutta satelliitin sekä raketin lähtövalmisteluiden sekä tankkaamisen vuoksi koneen kotikenttänä tulee aluksi olemanaan Mojaven lentoasema Kaliforniassa. On kuitenkin todennäköistä, että kone tulee lentämään myös Floridasta, sillä satelliittien laukaisu Atlantin päällä itään päin on käytännöllistä.

Koneen toimintamatka on noin 2 200 kilometriä, eli se voi lentää noin tuhannen kilometrin päähän lentoasemaltaan suorittamaan laukaisunsa (tai kauemmaksikin, jos se voi paluumatkalla pysähtyä tankkaamaan).

Yhtiön mukaan koneen siipien ja runkojen rakentaminen on jo hyvässä vauhdissa, ja suunnitelmien mukaan se tekee ensilentonsa ensi vuonna.

Laukaisijoiden ykkönen

Tuorein tulokas ilmalaukaisukerhoon on Virgin Galactic -yhtiön Launcher­One, joka nousi otsikoihin tämän vuoden tammikuussa. Virginin perustaja Richard Branson kertoi silloin yhtiönsä laukaisevan suurimman osan uuden OneWeb-satelliittinettijärjestelmän satelliiteista avaruuteen Launcher­Onella. Hanke julkistettiin kuitenkin jo kesällä 2012, ja sen jälkeen sitä on kehitetty hiljaisesti – kuten Rutanilla ja Virginillä on ollut tapana.

Projektin juuret ovat kuitenkin jo vuodessa 2008, jolloin Virgin Galacticissa pohdittiin kaksivaiheisen raketin laukaisemista avaruuteen Space­Ship­Twon kantoalus White Knight 2:n alta. Koska lentokone ei kykene kantamaan avaruusalusta suurempaa tai painavampaa rakettia, päädyttiin käyttämään jopa Pegasusta pienempää kantorakettia.

LauncherOne käyttää Virgin Galacticin itse kehittämää rakettimoottoria nimeltä Newton­One ja sen suurempaa versiota Newton­Two. Raketin ensimmäisessä vaiheessa olisi yksi Newton­Two ja toisessa yksi Newton­One. Kumpaakin moottoria on jo koekäytetty, mutta ne eivät vielä ole valmiita oikeaan käyttöön. Silti Virgin Galactic julistaa uhmakkaasti, että satelliittien lähettäminen alkaisi jo vuonna 2017.

Hyötykuorma voisi olla massaltaan vain 200 kiloa aurinkosynkroniselle polaariradalle laukaistaessa. Se on ennen kaikkea Maata havaitsevien satelliittien käyttämä rata, jolla satelliitti kiertää jotakuinkin napojen kautta siten, että se ylittää tietyn kohdan maapallon pinnalla aina samaan aikaan. Jos kohteena olisi yksinkertaisempi matala kiertorata Maan ympärillä, hyötykuorma voisi olla 230 kiloa.

Satelliitit eivät voi olla siis kovin suuria, mutta toisaalta nykyisin pienemmillä satelliiteilla voidaan tehdä hyvinkin paljon. Kaksi pieniin, uudenlaisiin satelliitteihin erikoistunutta yhtiötä, Surrey Satellite Technology ja Sierra Nevada Space Systems, ovatkin kehittämässä monikäyttöistä satelliittirunkoa erityisesti LauncherOnella laukaisemista varten. Ja samalla useat uuden ajan satelliittiyhtiöt, kuten GeoOptics, Skybox Imaging, Spaceflight Services ja Planetary Resources ovat jo olleet yhteydessä Virgin Galacticiin laukaisusopimukset mielessään.

Jännittäviä aikoja

Uudenlaiset satelliitit, uudet tuulet kantorakettien kehittämisessä ja pian käyttöön otettavat uudet miehitetyt avaruusaluksen, niin turistien kuin ammattiastronauttienkin käyttöön, tekevät lähivuosista todella kiinnostavia.

Paitsi että tekniikka on nyt sillä tasolla, että uudenlaisia hankkeita voidaan toteuttaa, on kyseessä kuitenkin ennen kaikkea yleisen mielipiteen muutos: niin ilmalaukaistavat raketit, uudenlaiset avaruusalukset kuin takaisin palaavat kantorakettivaiheet olisivat olleet mahdollisia jo aikaisemmin, mutta konservatiivinen avaruusala ei ottanut niitä huomioon. Siihen tarvittiin uusia tekijöitä, uusia pieniä yhtiöitä ja niiden huimapäisiä johtajia, jotka alkoivat vain tehdä asioita uudella tavalla.

Samalla kehitys tekee kansallisista avaruushallinnoista yhä enemmän sivustaseuraajia arkisessa avaruustoiminnassa ja siinä, mitä Maan lähiavaruudessa tapahtuu.

ESA, NASA ja muut viralliset organisaatiot ovat edelleen kukkulan kuninkaita planeettatutkimuksessa, tiedelennoissa ja miehitetyissä avaruuslennoissa, mutta muutoin ne hieman staattisine olemuksineen ovat liian kömpelöjä nykyiseen, aikaisempaa vilkkaampaan menoon.

Tai ehkä toisaalta, kun avaruuteen laukaiseminen tulee kätevämmäksi ja edullisemmaksi, saattavat yksityiset yrittäjät pian hivuttautua myös avaruusjärjestöjen tontille. Tässä uudet kantoraketit ovat varmasti avainroolissa.