Pealeht » Kosmosest » Üldiselt » Pääs kosmosesse
Prindi

Pääs kosmosesse

Kosmosesse jõuda ei ole sugugi lihtne – raskusjõud hoiab meid paigal, samuti ei tohi alahinnata Maad umbes 100kilomeetrise tekina ümbritseva atmosfääri takistusjõudu. Et kosmosesse pääseda, on vaja palju energiat ning spetsiaalselt selle tarbeks konstrueeritud vahendeid. Esimene teadlane, kes kosmosesse minekule konkreetsemalt mõtlema hakkas, oli venelane Konstantin Tsiolkovski (1857-1935) tõestades, et rakettmootor saab töötada ka õhuta keskkonnas.

Esimene rakett, mis seda ideed rakendas, oli Wernher von Brauni maa-maa tüüpi ründerakett Aggregat 4, mis sai hiljem tuntuks kui kurikuulus V-2 – 1944. aastal ületati sellega 100 kilomeetri piir.

Pärast Teist maailmasõda alanud kosmosevõidujooksu „tööloomad“ olidki suuresti raketid: USAs töötanud von Brauni kolmeastmeline Saturn V oli kasutusel Apollo programmis ja viis inimesed Kuule. NSVLi samuti kolmeastmelise Proton-K abil lennutati aga kosmosesonde Veenusele ja Kuule ning pea kõik kosmosejaama Mir komponendid orbiidile. 

Kuigi raketid on tänini edukaimad kosmosesse jõudmise viisid, on need peamiselt konstrueeritud ühekordseks kasutamiseks. Seepärast on sellele lahendusele otsitud alternatiive alates 1950ndatest, mil USAs algasid eeltööd kosmosesüstiku loomiseks. 1981. aastal esimene süstik startiski. Kokku toimus 135 starti, millega viidi Maa-lähedasele orbiidile kosmosesonde, teadusinstrumente, satelliite ja näiteks Hubble’i teleskoop. Siiski lõpetati süstikute lennud 2011. aastal pärast mitut ohvriterikast katastroofi. NSVLi süstikuprogramm ei jõudnud niigi kaugele – toimusid vaid mõned mehitamata katselennud süstikuga Buran, kuni programm rahapuudusel ja tehniliste raskuste tõttu 1993. aastal lõpetati.

Lisaks süstikutele, mis pealegi vajavad kosmosesse jõudmiseks kanderakettide abi, on esitatud on rida alternatiivseid ideid, kuidas rabeleda lahti raskusjõu haardest: näiteks massikiirendi, kosmosekahur, kosmosekonks, magnethõljukstart, orbitaalõhulaev või kosmoselift. Kuigi mõningaid neist on tänaste vahenditega üliraske ellu viia, ühendab kõiki mõtteid soov „kavaldada“ üle raskusjõud.

Tänaseks päevaks on erinevaid kosmosesse lendamise ja kosmoses lendamise tehnoloogiaid arendatud ja katsetatud väga mitmete tööpõhimõtete järgi. Vaatleme neid alljärgnevalt, lähtudes  konkreetse mootori puhul selle poolt tekitatavast kiirusest, alustades aeglasematest ning lõpetades mootoritega, mis genereerivad tõukejõudu kütusevabalt. Rakettmootorid kasutavad oma tööpõhimõttes Newtoni kolmadndat, ehk kehade vastasmõju seadust. Sellele tuginedes saavutab rakett kiiruse, mis tuleneb mootori tüüsist väljalennutatud osakeste massist ja kiirusest. Et saavutada kütuse kokkuhoidu ja suuremat efektiivsust, arendatakse mootoreid välja lennutama väiksema massiga aineosakesi ning suuremal kiirusel. Kuid arendamisel ning katsetamisel on ka tehnoloogiad, mis kasutavad teisi tööpõhimõtteid.  

Keemilise reaktsiooni mõjul töötavad rakettmootorid, ingl. k. chemical propulsion. See eelmise sajandi esimesel poolel kosmosesse lendamiseks väljatöötatud tööpõhimõte on täna kõige levinum ning on leidnud kõige enam praktilist kasutust. Seda eelkõige oma pika ajaloo ning tõestatud töökindluse tõttu. Keemilisel reaktsioonil põhinevad mootorid jaotatakse tahkel ja vedelkütustel töötavateks. Tahkel kütusel töötavad mootorid on oma kaaluühiku kohta energiaefektiivsemad, kuid nende põlemise kiirust ei anna reguleerida ning kord süüdatud, peavad need korraga lõpuni põlema. Seevastu vedelkütuste (enamasti vesiniku ja hapniku ühinemine) baasil töötavate moototite tõukejõudu annab reguleerida ning vajadusel seisata ning uuestisüüdata. Seepärast kasutatakse neid enamasti lennu viimase faasi ajal, kus näiteks satelliit on tarvis täpselt õigele orbiidile paigutada. Peamine probleem vedelkütustel on nende ülim tuleohtlikkus ning asjaolu, et vesinik pihkab oma väikese molekuli tõttu läbi mahutite seina isegi kuni 3% kuus. 

 Liquid rocket engine by NASA Glenn Resea

Joonis: NASA Glenn Research Center. Vedelkütusel töötava rakettmootori tööpõhimõte


LOE KEEMILISE TÕUKEJÕUGA KANDERAKETTIDEST PÕHJALIKUMALT



Tuumareaktsioonil töötavad rakettmootorid
ingl. k. nuclear propulsion . See tehnoloogia on oma olemuselt sarnane keemilise reaktsiooni mootoritele, võimaldades  2 - 20 korda enam kiirust, kuigi maksimaalne tõukejõud jääb keemilisele tõukejõule siiski veidi alla. Mootori tööpõhimõte on lihtsustatult selline, et mootori südames tekitatakse tuumareaktsiooni abil ülikõrge temperatuur, mis annab sellest läbi juhitud kütuse osakestele kordades enam kiirust kui keemilise reaktsiooni puhul. See asjaolu võimaldab aga kaasavõetud kütust aeglasemalt põletada, et sama tõukejõud saavutada mis keemilisel reaktsioonil ning võimaldab seetõttu saavutada pikema mootori põlemisimpulsi ja suurema lõppkiiruse. Tuumareaktsioonil töötavad mootorid jagunevad samuti tuuma-keemilisteks ingl. k nuclear chemical ja tuuma-elektrilisteks ingl. k nuclear electric, kus viimasel juhul toodetakse tuumareaktsiooni tagajõrjel elekter ning kiirendatakse tüüsist väljuvad kütuseosakesed elektromagneetiliselt veelgi kiiremini kui seda oleks võimalik nende soojuslikul kuumutamisel teha. See omadus on hädavajalik pikkadeks planeetidevahelisteks lendudeks, nagu näiteks Marsile, kuna keemilise kütuse hulk oleks säärasel juhul niivõrd ebaproportsionaalselt suur võrreldes kosmoselaeva enda massiga, et säärase sõiduki ehitamine muutuks ülisuureks katsumuseks ja nõuaks kümnete kütusemoodulite ühendamist Maa orbiidil ennem planeetidevahelise lennu alustamist. Tuumareaktsioonil töötavaid mootoreid on 1960 ja 70-ndatel aastatel edukalt katsetanud nii USA (projekt NERVA) kui Nõukogude Liit (projekt 11B91-IR-100), kuid radioaktiivse saastamise tõttu on sääraste mootorite arendused ammu lõpetatud. 

Lisaks keemilisele ja tuuma jõul töötavatele raketimoototitele tuntakse ka veel elektrilist ning elekromagneetilist tõukejõudu ning paljusid hübriidtehnoloogiaid, mis kasutavad mitmete erinevate tehnoloogiate kombinatsioone. Nende koha lähemalt peatükis „Kosmoseteadus ja tehnoloogiad“. 

Kosmoselende liigitatakse ka veel orbitaalseks ja poolorbitaalseteks (ingl. k. suborbital) lendudeks.

Poolorbitaalne kosmoselend. Kui täisorbitaalne kosmoselend nõuab orbitaalkiiruse e. esimese kosmilise kiiruse saavutamist ümber taevakeha (Maa puhul on see 7,9 km/s) siis poolorbitaalse lennu puhul antakse kosmosesõidukile oluliselt väiksem kiirus, mistõttu see orbiidile tiirlema ei jää, vaid langeb reeglina ennem ühe täistiiru tegemist maapinnale tagasi. Poolorbitaalne lend nõuab aga seetõttu oluliselt vähem energiat kui täisorbitaalne lend ning on seetõttu ka mitmeid kordi odavam. Poolorbitaalse lennu eripära kasutatakse seetõttu ära rakendustes, mis ei nõua planeedi orbiidile jäämist. Põhilisteks hetkel väljatöötatavateks rakenduseks on kosmoseturism avakosmose piirile ning kontinentidevaheline punktist punkti transport läbi stratosfääri (20 kuni 50 km) ja mesosfääri (50 kuni 80 km). Kuna säärastel kõrgustel on atmosfäär reaktiivmootorite tööks liiga hõre, on tarvis kasutada tõukejõutehnoloogiaid, millel on vajalik hapnik kaasas või tehnoloogiaid, mis oma tööks hapnikku ei vajagi. Tänapäeval on levinumad siiski veel keemilist tõukejõudu kasutavad tõukejõutehnoloogiad, mis nõuavad hapniku kaasavõtmist koos kütusega. Artiklis „Kosmosetööstus“ oleme koostanud väikese loetelu poolorbitaalseid tehnoloogiad arendatavatest erafirmadest. Kuid poolorbitaalseid sõidukeid arendab näiteks ka Euroopa kosmoseagentuur ESA.

ESA viib hetkel oma Hollandi uurimiskeskuses ESTEC läbi viimaseid uuringuid ennem kosmoselennuki IXV (ingl. k. Intermediary eXperimental Vehicle) - katsetusi orbiidil käesoleva aasta novembris. Kuna kosmosevaldkonnas on suurtel agentuuridel nagu ESA kombeks igale ettevõetud missioonile läheneda äärmise põhjalikkusega, võib uut lennukit kutsuda mitmes mõttes uuenduslikuks. Kas või juba ainuüksi sellepärast, et tegu on Euroopa esimese kosmosesõidukiga, millel atmosfääri taassisenemise e. ingl. k. re-entry tehnoloogiat kasutatakse.

2014-07-29-IXV-Fairing separation-in-orbit
Illustratsioon: ESA 2014. VEGA kanderaketi koonusekapsli eraldumine IXV lennu kolmanda faasi ajal 151 km kõrgusel, mil just äsja on saavutatud enam kui pool 26 000 km/h lõppkiirusest.

Ennem lendu viiakse IXV-ga läbi põhjalikud kosmose keskkonda simuleerivad testid nagu näiteks vaakumkeskkonna test, päikese- ja UV kiirguse ning külma testid, radiatsiooni taluvus, EMC ja vibratsiooni test. Kui lennuk kõik nimetatud testid ükshaaval ning mõned ka paralleelselt on võimeline läbima, on maapealsetes tingimustes eduka katselennu ettevalmistamisel antud endast absoluutselt parim. Üks suurimaid katsumusi, mille läbimiseks konkreetne kosmoselennu eksperiment üldse läbi viiakse on vaadata kuidas lennuk atmosfääri sisenedes enam kui 1500 kraadisele kuumusele vastu peab ning kas see säilitab seejuures ka oma juhitavuse ning pardasüsteemide töö. Kui näiteks NASA kosmosesüstikud oli kaetud kuumuskindlate plaatidega, mille suurim risk oli nende võimalik eemaldumine re-entry lennufaasi ajal ning mis paraku ka korra juhtunud on ning mis viis 2003 a Columbia süstiku oma viimase lennu ajal õnnetu lõpuni, siis IXV-l koosneb kuumuskaitse suurematest kilpidest. Seda aga ka seepärast, et kuumuskaitse ja isolatsiooni materjalide tehnoloogia on ajaga palju arenenud.

IXV valmib ESA vabatahtliku programmi Future Launchers Preparatory Programme - FLPP egiidi all, millest võtavad osa 14 ESA liikmesriiki. IXV pole projekteeritud küll inimeste veoks, kuid selle pardal saab Maa ja kosmose vahel siiski väärtuslikke kaubalaste ning vajalikku uurimistehnoloogiat vedada. Kuigi käesoleva aasta testlend lõpeb pärast ESA kosmodroomilt Prantsuse Guajaanast, Lõuna-Ameerikast starti 1 tunni ja 40 minutilise lennu järel Vaiksesse ookeani sulpsatades, planeeritakse sõiduk hiljem siiski varustada ka võimega ennast tavalisele lennuväljale maandada.

IXV on 5 m pikk, 1,5 m kõrge, 2,2 m lai ning kaalub ca 2 tonni, mahtudes seega napilt VEGA raketi kandevõime alla nii oma kubatuurilt kui kaalult.

2014-07-29-IXV final tests-by-ESA
Foto: ESA 2014. IXV rakisele monteerimine ennem testimist ESTEC-i uurimiskeskuses.

Poolorbitaalsete kosmoselendude sooritamiseks vaja ka kosmodroome. Kosmodroomide rajamist on maailmas mitmel pool juba ka alustatud. Üheks tuntuimaks on firma Virgin Galactic poolt New Mexico osariiki rajatud kosmodroom Spaceport America. Kuid kosmodroome on viimastel aastatel hakanud rajama ka Euroopa riigid. 


Suurbritannia avalikustas hiljuti kaheksa võimalikku asukohta, mille hulgast valitakse lähiajal koht, kuhu rajatakse 2018 aastaks saareriigi esimene kosmodroom koos reisiterminali ja vajaliku taristuga, teatas 2014 a juulis UK Space Agency.

2014-07-28-UK-Space-port
Illustratsioon: UK Space Agency 2014.

Igapäevaste kosmoselendude ajastu on koidikul. Seda tõendab hiljutine samm Suurbritannia valitsuse poolt rajada kosmodroom, mis saab koduks täna veel inseneride joonistuslaual ja juba reaalses katsetuses olevatele kosmoselennukitele. Kavandataval kosmodroomil hakkavad tõenäoliselt tegutsema operaatorfirmad, kes opereerivad 9-10 erineva firma poolt väljatöötatavate kosmoselennukitega. Võimalike teenustena planeeritakse pakkuma hakata nii lõbusõitu kosmose piirile, turistide ja personali vedamist orbiidile rajatavatesse kosmosehotellidesse ja tagasi. Paralleelselt inimeste veole hakatakse orbiidile saatma ka satelliite. Samuti valmistatakse aktiivselt ette vajalikku õigus- ja sertifitseerimisregulatsiooni kosmoselennukite sertifitseerimiseks regulaarlendudeks, mis peavad üheaegselt vastama nii lennuki kui raketi nõudmistele. See on vajalik kontinentidevaheliste poolorbitaalsete kosmose liinilendude läbiviimiseks. Poolorbitaalne lend Inglismaalt Austraaliasse võtaks tänase 20 tunni asemel kosmoselennukiga aega umbes 2 tundi.

Kosmodroomi asukoha valik pole aga sugugi lihtne otsus ning seda eriti veel nii suurele riigile nagu seda on Suurbritannia. Kosmoselennuks vajalike kõrgete nõudmiste tõttu ei sobi selleks otstarbeks iga lennuväli. Uuel kosmodroomil peab olema minimaalselt 3000 meetri pikkune hoovõturada, see peab asuma aastaringseks opereerimiseks võimalikult sobiva ilmastikuga piirkonnas, ümberkaudsete elanike rahu ja turvalisuse efektiivsemaks tagamiseks peab see olema eemal tihedalt rahvastatud aladest ning väga hea ligipääsuga erinevatele transpordiliikidele. Samuti peab kohalik regionaalne majanduskeskkond suutma pakkuda võimalikult palju kvalifitseeritud tööjõudu ning toetavaid teenuseid, mida uus suurkompleks igapäevaselt vajama hakkab.

Võimalike asukohtadena on välja pakutud 8 tänast lennuvälja, millest enamus on kas praegused või endised sõjaväelennuväljad, mis kõik asuvad rannikule suhteliselt lähedal ning millest kõik omavad täna ka 2,2 kuni 3 km pikkust lennurada. Kuna otsus kosmodroomi ehitamiseks ja vajaliku õigusregulatsiooni väljatöötamiseks on vastu võetud ja sellesuunaline töö ka juba käib, jääb vaid brittidele takistustevaba organiseerimist soovida ning loota, et peagi paljud eestlasedki loodaval kosmodroomil tihedad reisijad saavad olema.

skylon hangar 1l
Illustratsioon: Reaction Engines 2014. Brittide kosmoselennuki SKYLON kontseptsioon.