Pealeht » Kosmosest » Üldiselt » Raketitehnoloogia areng kuni esimeste satelliitideni
Prindi

Raketitehnoloogia areng kuni esimeste satelliitideni

Esimesed reaktiivliikumise demonstratsioonid kuuluvad vanadele kreeklastele. IV. sajandil eKr näitas Architas savist tehtud seest tühja ja veega täidetud tuvi figuuri, millesse olid tehtud augud. Kui vesi keema pandi, hakkas figuur auru poolt tekitatud reaktiivjõu tõttu liikuma. Umbes IX. sajandil avastati püssirohi, mida järgmistel sajanditel hakati kasutama ilutulestiku valmistamiseks ja noolte kiirendamiseks (nn tulised nooled). Sõna „rakett“ ilmus esimest korda 1379. a. Itaalias, kus see tähendas ilutulestiku eritüüpi. XVII. sajandil suurtükiväele pühendatud traktaadis kirjeldati juba mitut tüüpi rakette, mille kütusena kasutati püssirohtu. Reaktiivliikumist põhjendav printsiip, ehk 3. Newtoni seadus – ilmus I. Newtoni töös 1687. a.

 

2015-08-aja-800px-Hwacha2

Hwacha, Korea seadeldis tuliste noolte massiliseks laskmiseks. Pilt https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hwacha2.jpg kaudu.

Rakette hakati intensiivselt kasutama sõjanduses XIX. sajandi alguses, kui W. Congreve Inglismaal hakkas neid põhjalikult uurima. Tulemusena ilmusid nn Congreve raketid. Need kujutasid endast püssirohuga täidetud raudsilindrit massiga kuni 10 kg. Lennu stabiliseerimiseks kasutati kuni viiemeetrilist puitvarrast. Sedllised raketid lendasid kuni 3 km kaugusele, olid aga väga ebatäpsed ja osutasid pigem psühholoogilist efekti. Sajandi keskel Congreve rakette täiendati. Stabiliseerimiseks pandi rakett kiiresti pöörlema, mis lubas selle vardast lahti saada ja suurendas täpsust. Ilmusid rakettharpuunid, mille abil sai võimalikuks suurimate vaalade jahtimine.

 

2015-08-aja-Congreve rockets cropped

Congreve raketid W. Congreve skeemil. Illustratsioon: 1814, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Congreve_rockets_cropped.jpg kaudu.

XX. sajandi alguses hakkasid ilmuma raketiteadusele pühendatud teoreetilised uuringud. Üheks esimeseks teoreetikuks oli K. Tsiolkovski Venemaalt, kes avaldas mitu selles valdkonnas suunda näitavat tööd: nt pakkus ta vedelkütusemootori idee kütusega - vedel hapnik ja vedel vesinik; ning samuti avaldas ta mõtte, et kaugplaneete saab uurida vaid rakettide abil. Samal ajal hakkas ameeriklane R. Goddard uurima vedelkütusemootoreid ja kütusekomponente, taotles patente mootorite komponentidele ja mitmeastmelisele raketile. 1920-ndate alguses avaldas sakslane H. Oberth mitu teoreetilist tööd kosmoselendude erinevatest aspektidest, k.a mõju inimese kehale.

Kuni 1920-ndateni oli rakettide kütuseks peamiselt püssirohi. Selle suureks puuduseks oli asjaolu, et tahke kütuse keemia ja tehnoloogia olid veel ebapiisaval tasemel. Seega ei olnud võimalik ennustada vajaliku täpsusega, kuivõrd intensiivselt kütus põleb ja kui kaua rakett lendab. Seetõttu oli rakettide kiiruste määramatus väga suur ja nende täpsus oli väga väike võrreldes suurtükkide täpsusega. Sel põhjusel jäid raketid tol ajal sõjanduses veel üsna ebaefektiivseteks.

2015-08-aja-Classic Goddard2

R. Goddard oma esimese raketiga. Pilt: Esther C. Goddard, 1926, http://history.msfc.nasa.gov kaudu.

Erinevate spetsialistide arvamusel parandaks üleminek vedelkütusele tunduvalt olukorda. Vedelkütuse voolu saab põlemiskambrisse reguleerida klappide abil, mis võimaldab raketi lõppkiirust kontrolli all hoida, suurendades sel viisil selle täpsust. R. Goddard hakkas intensiivselt katsetama erinevaid vedelkütusemootorite skeeme. Tema esimene rakett lendas vedelkütusel 1926 a märtsis. Kütusekomponentideks olid bensiin ja vedelhapnik, lennukaugus vaid 60 m ja lennukõrgus 12 m. Hiljem eksperimenteeris Goddard güroskoopidel põhinevate juhtimissüsteemidega, tüüridega, langevarjudega jms. 1920-ndatel katsetati rakettmootoreid paljudel erinevatel transpordivahenditel, lennukitest autodeni. Varsti selgus, et suure kütusekulu tõttu on enamus nendest mehhanismidest väga ebaefektiivsed.

2015-08-aja-hqdefault

S. Koroljov ja W. von Braun, kollaaž. Illustratsioon: Arte Documentaire, 2015, https://www.youtube.com/watch?v=8_TSwfKMZL8 kaudu.

1930-ndatel töötati intensiivselt rakettide kallal ka NSVL-s ja Saksamaal. NSVL-s organiseeriti nn GIRD-i («Группа изучения реактивного движения», Reaktiivliikumise uurimisrühm), kus töötasid tulevased NSVL kosmonautika rajajad S. Koroljov, P. Gluško, M. Tihhonravov jt. Nende töö keskendus väikestel rakettidel, reaktiivsetel purilennukitel ja reaktiivmiinipildujatel. Saksamaal juhendas töid W. von Braun, kes hiljem sai esimese Ameerika kanderaketi ja kuuprogrammi isaks. Von Brauni juhendamisel toimus Aggregate ballistiliste rakettide perekonna väljatöötamine, kusjuures projekt sai toetuse sõjaväest. Toetus oli põhjendatud järgmise asjaoluga. Vastavalt Versailes’ rahu tingimustele oli Saksamaal peale I. maailmasõja lõppu teiste relvaliikide hulgas keelatud ka suurtükiväe arendamine. Ballistilised raketid ei olnud aga keelatud, kuna tol ajal peeti rakette liiga väikesteks ja ebatäpseteks selleks, et sõjas suurt rolli mängida. Von Braunil õnnestus sõjaväejuhtkonda veenda selles, et ta suudab ehitada tõesti võimsa ja täpse raketi, mis saaks lõpuks suurtükiväe asendada. Tegelikult mõtlesid nii von Braun kui ka Koroljov rohkem kosmoselendudele kui relvadele, kuid sõjaväelaste toetus oli nende jaoks ainsaks võimaluseks rakette arendada. Mõlemad lootsid, et tulevikus õnnestub raketinduse sõjalistest rakendustest üle minna kosmose uurimisele.

2015-08-aja-V-2 rocket

V-2 raketi diagramm. Illustratsioon: Imperial War Museum, http://www.mpoweruk.com/figs/V2%20Rocket.htm kaudu.

Enne II. maailmasõda hakkas Saksamaa investeerima von Brauni rakettidesse märgatavaid rahasummasid ja varsti ilmusid ka tulemused. Esimesed Aggregate rakettide (A-1 ja A-2) massid olid vaid mõnikümmend kilogrammi, A-3 aga oli juba tunduvalt suurem: mass üle 700 kg, pikkus üle 6 m, lennukaugus ületas 10 km. Tööd järgmise mudeli kallal algasid 1930-ndate lõpus. Tema esialgne nimetus oli A-4, aga rakett on palju rohkem tuntud nimetuse V-2 all, täht V tuleneb sõnast Vergeltungswaffe, „kättemaksurelv“. Sellest sai tollal maailmas suurim rakett: stardimass üle 12 t (s.h 8,7 t kütus), pikkus 14 m, lõhkepea mass ca 1 t. Raketi lennukaugus ületas 320 km. Lennu jooksul ületas rakett 88 km kõrguse, maksimaalne kiirus oli ca 5,8 km/s. Seega saab V-2 nimetada esimeseks ballistiliseks raketiks. Rakett oli varustatud vedelkütusemootoriga, oksüdeerijaks oli vedel hapnik, redutseerijaks etanool-vee segu (suhtes 3:1). Vesi lisati selleks, et alandada põlemiskambris temperatuuri, sest muidu ei olnud seda võimalik tolleaegsel tehnikatasemel jahutada. Esimene edukas testimine toimus 1942 a, masstoodang algas 1944. a. V-2 lasti mobiilsetelt stardiplatvormidelt. Raketi suuremateks puudusteks oli selle kõrge hind isegi vaatamata sellele, et tootmisel kasutati sõjavange. Samuti madal töökindlus ja väga suur ebatäpsus. Raketi võimalik kõrvalekalle sihtmärgist võis ületada mitut kilomeetrit ja sellega ei olnud võimalik tabada konkreetset sihtmärki - tehast, transpordisõlme jms. Ainsaks võimalikuks sihtmärgiks olid suured linnad. Sel põhjusel lasti V-2 linnade pihta. Kõige rohkem Antwerpeni ja Londoni pihta. Sisuliselt ei kasutatud raketti mitte sõjaliste eesmärkide saavutamiseks, vaid elanikkonna hirmutamiseks. Raketid plahvatasid elamukvartalites ja nende vastu ei olnud kaitset. Kokku valmistati üle 5000 eksemplari, nende kasutamise tulemusena said surma mitu tuhat inimest. Kuigi raketi tootmisel suri isegi rohkem sõjavangidest töölisi. V-2 kasutamise praktika näitas, et ballistilised raketid on liiga kallid ja ebaefektiivsed võrreldes traditsiooniliste lõhkeainete kasutamisega.

Peale II. maailmasõja lõppu tungisid ameeriklased V-2 tootmistsooni, milleks oli Mittelwerki tehas Nordhauseni linna juures. Saadi palju juba valmis tehtud rakette, materjale ja dokumentatsiooni. Paljud saksa spetsialistid eelistasid põgeneda läände. Nende hulgas ka von Braun. Hiljem jäi tsoon NSVLiidu kontrolli alla. Suurim osa materjale oli juba ameeriklaste poolt välja veetud, seega NSVLiidule oli jäänud tunduvalt väiksem osa. NSVLiidul õnnestus kinni pidada ka mõningad spetsialistid.

Nii Ameerikas kui ka NSVL-s hakati uurima Saksamaa raketinduse päritolu. Juba valmis tehtud rakette hakati laskma White Sands baasis New Mexico osariigis. V-2 kasutati ülemise atmosfäärikihtide uurimiseks, selle baasil ehitati isegi mitu kaheastmelist raketti, lisades väikese tahkekütusemootoriga varustatud teise astme. Raketti lennutati vertikaalselt ja ta jõudis kosmosesse, kuid ei jäänud siiski orbiidile. Rekordkõrgus oli 393 km (veebruaris 1949. a.). Von Braun hakkas töötama USAs Redstone Arsenaalis. Kuna tema renomee oli halb, lubati tal töötada vaid väikeste ballistiliste rakettide kallal. Samal ajal arendasid USA firmad oma rakettide projekte. Need tööd ei olnud aga väga intensiivsed ja ei saanud piisavat riigi toetust. Kuigi USA ja NSVL vahel oli alanud juba „külm sõda“ , ei tundnud USA sõjavägi suurt vajadust võimsate rakettide vastu. Nende käsutuses olid suured pommituslennukid ja lennubaasid Lääne-Euroopas. Nendest baasidest pommitajad said jõuda kõikide tähtsate sihtmärkideni NSVL territooriumil ja toimetada sinna vajadusel ka tuumapommi. Tolleaegne õhutõrje ei küündinud seda takistama.

2015-08-aja-18vk7t45t8m8ijpg

R-1 on NSVL-is tehtud V-2 raketi koopia. Pilt http://io9.com/incredible-soviet-rip-offs-of-western-technologies-973280252 kaudu.

Olukord NSVL-is oli aga väga erinev. NSVL-il puudusid piisavalt võimsad pommitajad ja mis veelgi  tähtsam, puudusid Ameerikale lähedased lennubaasid. See tähendas, et NSVL-il puudus võimalus USA territooriumi pommitamiseks. Ainsaks võimaluseks selleks võisid saada raketid - kas ballistilised või ülivõimsad tiibraketid. Seetõttu algatati aktiivseld töid Saksamaa tehnoloogia omandamiseks ja arendamiseks. Kuna Saksamaa oli jõudnud NSVLiidust palju ette, otsustati esialgu kopeerida V-2. Organiseeriti eriinstituudid, peakonstruktoriks määrati Koroljov. Vaatamata sellele, et NSVL ei saanud tervikuna ühtegi V-2 eksemplari, õnnestus dokumentatsiooni alusel ja saksa spetsialistide abiga rekonstrueerida V-2 NSVL tehnoloogia baasil. Tulemusena ilmus R-1, mille esimene lend toimus 1948. a. Järgmistel aastatel töötati välja R-2 kahekordse lennukaugusega. Selles raketis realiseeriti ideed, mida von Braun ei jõudnud veel teostada: lõhkepea eraldus raketilt peale kiirendamisetappi. See suurendas missiooni täpsust. Edasiseks sammuks pidi saama R-3, lennukaugusega 3000 km aga sellest loobuti keerukuse tõttu. Selle asemel valmistati R-5 lennukaugusega 1200 km. Selle stardimass oli ca 29 t (kaks korda rohkem, kui V-2 oma). R-5 sai esimeseks raketiks, mida katsetati tuumalõhkepeaga, aastal 1956. Ainult selline lõhkepea tegi ballistilisest raketist tõesti kasulikku relva: kuigi tolleaegsete rakettide täpsus oli veel väike - kõrvalekalle sihtmärgist oli endiselt mitu km, kompenseeris tuumalõhkepea ülisuur võimsus ebatäpsuse: ka suurel kaugusel sihtmärgist toimunud tuumaplahvatus sai sihtmärgi hävitada.

1950ndate keskel kavandas NSVLiit ehitada juba nii suure ballistilise raketi, et selle abil saaks toimetada termotuumapommi USA suurlinnadeni. Kõigepealt New Yorgini ja Washingtonini, kuna nad olid kõige lähedamad. Raketi lennukaugus pidi ületama 8000 km. Tol ajal ei olnud kompaktne tuumapomm NSVLiidus veel valmis. Esialgsete hinnangute järgi pidi lõhkepea mass olema kuni 3 t. Sellest lähtudes valiti raketi stardimassiks 170 t. Hiljemad tõusid hinnangud  lõhkepeamassi osas 5,5 tonnini ja raketi kogumassi suurendati 280 tonnini. Tulevane rakett sai indeksi R-7 (nn „semjorka“), projekt kinnitati Koroljovi poolt 1955. a. Rakett oli kaheastmeline. Esimene aste koosnes 4 plokist, mis käivitati koos tsentraalse plokiga stardiplatvormil ja mis eraldusid lennul. Esimese astme plokkidel olid mootorid RD-107, kus igal mootoril oli neli põlemiskambrit ja düüsi, kütuseks kasutati petrooleumi ja vedelhapnikku. Tsentraalse plokiga mudel oli sellega sarnane RD-108. Juhtimine toimus väiksemate abimootoritega. Esimene start toimus 1957. a. mais ning esimene edukas start sama aasta augustis.

2015-08-aja-redstone 09

Redstone ballistilise raketi start. Pilt http://history.redstone.army.mil/miss-jupiter.html kaudu.

Samal ajal ehitasid USAs erinevad firmad ballistilisi rakette. Esimesena sai valmis von Brauni Redstone, mis kujutas endast V-2 edasiarengut. Selle stardimass oli ca 28 t, lennukaugus 3-tonnilise lastiga kuni 300 km. Seega ta oli 10 korda väiksem, kui R-7.

1956 a. 1. juulil pidi algama Rahvusvaheline geofüüsika aasta, mis kestis tegelikult 1,5 aastat, 1958 a jaanuarini. Selle aasta raames avaldas USA soovi lasta orbiidile esimese satelliidi. Eksisteeris range poliitiline soov, et satelliit jääks puhtalt teaduslikuks saavutuseks. Seetõttu otsustatud mitte kasutada sõjaväe ballistilisi rakette, vaid ehitada spetsiaalne kanderakett. Vastav projekt sai nimetuse Vanguard („Avangard“). Ehitatava kolmeastmelise raketi mass oli vaid 10 t, satelliidi mass vaid 1,4 kg. Von Braun pakkus kasutada laskmiseks oma Redstone raketti neljaastmelises variandis, väikeste tahkekütuserakettide baasil valmistatud kolme lisaastmega. Esimene selline rakett valmis 1956. a. septembris. Von Braunil ei õnnestunud saada luba satelliidi laskmiseks, kuna geofüüsika aasta ei olnud veel alanud ja Redstone oli sõjaväe rakett. Lisaks ei tahtnud poliitikud, et selline saavutus oleks olnud seotud endise vaenlase nimega. Von Braun pidi testima raketti mitte kolme, vaid kahe lisaastmega. See variant sai nimetuse Jupiter-C, ning selle edukas proovilend toimus 20. septembril 1956. a. Rakett jõudis rekordkiiruseni 7 km/s, aga neljanda astme puudus ei lubanud tal jõuda orbiidile.

2015-08-aja-R7ICBM

R-7 ballistiline rakett. Pilt http://www.ninfinger.org/models/vault2006/Russian%20Rockets/index.html kaudu.

Ka NSVLiidus valmistati ette satelliidi üleslaskmiseks. Esialgsete plaanide järgi pidanuks see olema suur teaduslik satelliit massiga ca 1,3 tonni. Kuna aga selle valmistamine venis ja geofüüsika aasta jooksul ei osutunud üleslaskmine võimalikuks, pakkus Koroljov toimetada ameeriklastest varem orbiidile palju väiksema ja lihtsama objekti. Pakkumine kiideti heaks ja juba 1957. a. käisid tööd 80-kilogrammise satelliidi valmistamisel. Satelliidi süsteemide hulgas oli patarei, raadiosaatja (vastuvõtja puudus), ventilaator temperatuuri reguleerimiseks ja temperatuuri ning rõhu andurid. Satelliit pidi edastama piiksudest signaale raadioamatööride sagedustel, piiksude ja vahemike pikkused sõltusid temperatuurist ja rõhust. Objekt sai nimetuse PS-1 («Простейший спутник», ehk „lihtsaim satelliit“). Peale R-7 esimest edukat starti augustis selgus, et lõhkepea termokaitse oli ebapiisav, lõhkepea makett põles atmosfääris ära ja nõudis mitu kuud täiendustöid. Järel olid veel mõned raketi eksemplarid katsetamiseks ja Koroljov pakkus kasutada üht neist satelliidi üleslennutamiseks. Ta sai loa ja PS-1 edukas start toimus 4. oktoobril 1957. a. Satelliit jäi orbiidile 1958. a. jaanuarini. See oli liiga pisike palja silmaga vaatlemiseks, kuid orbiidile sattunud raketi 2. aste oli hästi jälgitav.

2015-08-aja-satell-1

Esimese satelliidi PS-1 mudel. Pilt http://www.energia.ru/en/history/brief/01.html kaudu.

Satelliidi edukas üleslennutamine NSVL-i poolt kutsus USA-s esile peaaegu paanika: ameeriklased said aru, et nad ei saa edasi elada rahus, kuna NSVLiidul ilmus vahend tuumapommi toimetamiseks nende territooriumile. Poliitikud tahtsid kuidagi teada anda, et USA-l on olemas piisavalt võimsad raketid. Juba järgmisel päeval, ehk 5. oktoobril lubas von Braun lasta esimese Ameerika satelliidi kolme kuu jooksul peale loa saamist, aga jällegi oli otsustatud, et esialgu tuleb anda võimalus Vanguard meeskonnale. Vanguardi esimene katselend pidi toimuma 6. detsembril. Vaatamata asjaiolule, et selleks ajaks ei olnud rakett veel täielikult katsetatud, sai eelseisev start suure reklaami ja see transleeriti otse eetrisse. Klapi avarii tõttu oli katse aga ebaedukas: rakett plahvatas kohe peale õhkutõusu stardiplatvormilt. Ainult peale fiaskot sai von Braun lõpuks loa oma raketi kasutamiseks ja satelliidi laskmiseks. Selleks läks kaks kuud; 1. veebruaril 1958. a. toimus edukas 4-astmelise Redstone kanderaketi (nimetuse Juno I all) start, mille tulemusena toimetati orbiidile Ameerika esimene satelliit Explorer 1. Selleks ajaks toimus NSVLiidus juba teise satelliidi laskmine Laika koeraga pardal. Tänu radiatsioonidetektorile Explorer 1 pardal toimus Maa radiatsioonivööndite avastus. Samal ajal oli Juno I 10 korda väiksem võrreldes „semjorkaga“, ja Ameerikal kulus mitu aastat mahajäämuse kompenseerimiseks. Seda tehti edukalt 1960-ndate keskpaiku tänu suurtele pingutustele ja investeeringutele. Vanguard raketi esimene edukas start toimus 1958. a. märtsis. Sama aasta juulis asutati USA kosmoseagentuur NASA (National Aeronautics and Space Administration), mis võttis üle riigis 1915 aastal asutatud ning vaid lennunduse arendamisele pühendatud organisatsiooni NACA (National Advisory Coomittee for Aeronautics) rollid.

2015-08-aja-800px-Launch of Jupiter C with Explorer 1

Juno I start Explorer 1 satelliidiga pardal. Pilt: NASA, 1958, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Launch_of_Jupiter_C_with_Explorer_1.jpg kaudu.

Nii algas kosmoseajastu.

 

Autor: Vladislav-Veniamin Pustõnski / Green Vironia OÜ

Viited:
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/TRC/Rockets/history_of_rockets.html
http://www.space.com/29295-rocket-history.html
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_rockets
http://spacerockethistory.com/