Romfart raketter [PDF]

Zitiervorschau

Forord Dette heftet er beregnet som en del av «Romfart valgfag», men kan også brukes som tilvalgsstoff i fysikk, 2 Fy eller 3 Fy. Det inneholder emner fra romfartens historie, om det fysiske grunnlaget for rakettprinsippet, om forskjellige raketter og om oppskytingsstedene. Heftet inneholder også en praktisk eie vakti vitet. Den består i å bygge modellraketter og skyte dem opp. Tilvalgsstoffet i 2 Fy eller 3 Fy skal utgjøre 4 uker eller 20 timers undervisning. Hvis man tar med modellbygging og oppgaveløsning, skulle heftet inneholde tilstrekkelig stoff til dette. Istedenfor å samle alle emner som bør inngå i et «Romfart valgfag» i én bok, vil det i første omgang bli delt opp i flere temahefter. I tillegg til «Raketter», er «Mennesket i rommet» og «Bevegelse i rommet» også utgitt som temahefter. Det er under arbeid et hefte om «Jordobservasjon» og det er dessuten planer om et hefte om «Solsystemet». Det er meningen at temaheftene skal kunne brukes hver for seg som tilvalgsstoff i fysikk, eller flere temahefter kan danne grunnlaget for et «Romfart valgfag». Vi har både som gjennomgangstittel på heftene og som navn på valgfaget brukt uttrykket «romfart» i betydningen all form for romvirksomhet, både om bemannede og ubemannede romfartøyer. Dette er i samsvar med dagligspråkets bruk av ordet. Men etter anbefalinger fra Rådet for teknisk terminologi, bør «romfart» forbeholdes den delen av romvirksomheten som er knyttet til menneskets opphold i rommet. «Romvirksomhet» blir for langt og tungvint som tittel på heftene og som navn på faget i skolesammenheng. Vi har derfor valgt å bruke uttrykkene «romfart» og «romvirksomhet» om hverandre. Enkelte steder har vi brukt kortformen «bemannet romferd» i betydningen «ferd med bemannet romfartøy». Vi har dessuten fulgt anbefalinger fra Rådet for teknisk terminologi om at Sola, Jorda og Månen skal ha store forbokstaver når de blir brukt som egennavn. For å belyse teorien er det til hvert kapittel både teorioppgaver og regneoppgaver. Noen er lette, andre er mer krevende. De fleste bør løses. Stoff som krever matematikk ut over 2 MN, er merket med stjerne *. Enkelte regneoppgaver er hentet fra 2 Fy- eller 3 Fy-stoff uten å være behandlet her. De er også merket med stjerne *. «Bevegelse og kraft» er et kapittel som gir en kortfattet framstilling av bevegelseslikningene og Newtons lover. Dette kommer før vi tar fatt på rakettmotorens fysikk. Kapitlet er tatt med for de elevene som ikke har fått gjennomgått stoffet i fysikk 2 Fy, og som leser dette heftet tidlig på høsten som «Romfart valgfag». De andre kan hoppe over kapitlet. Arbeidet med et «Romfart valgfag» og tilvalgsstoffet i fysikk er kommet i stand i samarbeid med professor Bjørn Landmark, cand. real. Guro Dahle Strøm og informasjons­ sjef Per Torbo ved Norsk Romsenter og lektor Else Alvik ved As videregående skole. Sivilingeniør Erik Tandberg har gått grundig gjennom manuskriptet, rettet opp feil og mangler og ellers kommet med mange verdifulle råd. Vi takker for hans kommentarer. Vi er takknemlige for ti Ibakemeldi ng fra dem som er villige til å prøve ut «Raketter» som del av et romfart valgfag eller som tilvalgsstoff i fysikk.

Tjøme, august 1993 Nils H. Fløttre

NB Paria DepotbibUoteket

Innhold Forord.................................................... 3

Innledning.............................................. 7 Inndeling av romvirksomheten.......... 9 Romforskning................................. 9 Nyttesatellitter............................... 9 Bemannede romfartøyer................. 9 Militære satellitter......................... 9 Hensikten med romvirksomheten..... 9 Menneskets nysgjerrighet.............. 9 Bedre teknologi............................. 10 Praktiske anvendelser.................. 10 Kunnskap om naturen.................. 11 Matproduksjonen på Jorda........... 11 Mennesker i rommet .................... 13 Observasjon av verdensrommet ..13 Nytteverdien.................................. 13 Raketter - en historisk oversikt...... 14 Rakettprinsippet................................ 14 Rakettpionerene................................ 14 Romkappløpet................................... 18 Bevegelse og kraft.............................. 23 Fart og akselerasjon......................... 23 Konstant fart................................ 23 Akselerasjon ................................ 24 Bevegelseslikningene................... 24 Newtons lover................................... 25 Newtons 1. lov............................. 25 Newtons 2. lov............................. 25 Newtons 3. lov............................. 26

Rakettmotorer....................................27 Skyvekraften til rakettmotoren....... 27 Spesifikk impuls........................... 28 * Farten til raketten.......................... 29 Flertrinnsraketter............................. 29 Rakettdrivstoff..................................30 Flytende drivstoff......................... 30 Fast drivstoff................................ 31 Blandingsdrivstoff........................ 33

Andre rakettmotorer......................... 34 Kjernefysiske motorer.................. 34 Elektriske motorer........................ 34 Fotonmotoren............................... 34

Bæreraketter...................................... 36 Amerikanske raketter....................... 36 Russiske raketter.............................. 39 Europeiske raketter.......................... 41 Japanske, kinesiske og indiske raketter............................. 42

Romfly................................................. 43 Romflyetskal bruke oksygenet i atmosfæren............... 43 Europeisk romfly.............................. 43 Amerikansk romfly.......................... 44 Oppskytingssteder............................. 45 USA.................................................. 45 Russland og Kasakhstan..................46 Europa............................................... 47 Japan, Kina og India........................ 48 Norge................................................ 48 Andøya Rakettskytefelt.................... 48 Tromsø Satellittstasjon .................... 50

Modellraketter....................................52 Byggesett.......................................... 52 Faststoffmotorene til modellrakettene............................ 53 Sikkerhet ved bruk av modellraketter.............................. 54 Oppskytingsstedet........................ 54 Drivstoffet.....................................54 Sikkerhetsregler........................... 54 Oppgaver til oppskytingen av modellrakettene................. 55 Sammendrag....................................... 56 Oppgaver............................................. 57

5

Innledning Drømmen om å kunne fly som fuglen og kanskje også få reise i himmelrommet har eksistert så lenge det har vært mennesker på Jorda. Den har også skapt flere fantasiromaner om reiser i rommet lenge før vi hadde utviklet noen teknologi for flygning. Jules Verne (1828-1905) var en fransk forfatter som skrev flere fantasifulle reisebeskrivelser, blant annet om «Reisen til Månen» fra 1865.1 denne romanen ble de reisende skutt ut i en metallkapsel fra en gigantisk kanon og havnet i bane rundt Månen før de returnerte til Jorda. Til tross for at denne og liknende science fiction-romaner inneholdt mange vitenskapelige feil, ble det populær lesning. At Jules Vernes fantasier faktisk ble til en tilnærmet virkelighet ca hundre år senere, var det nok få som den gang våget å tro.

Illustrasjon fra boken «Reisen til Månen». Utskytingen av romkapselen til Månen.

7

Den sovjetiske satellitten Sputnik 1 varden første kunstige satellitten i bane rundt Jorda. Den ble skutt opp 4.oktober 1957. Deretter gikk det nærmest slag i slag. Allerede en måned senere, i november 1957, ble hunden Laika skutt opp i Sputnik 2. Den døde eller ble avlivet etter ca sju dager i rommet. Den første amerikanske satellitten ble skutt opp 31. januar 1958. Noen måneder senere, i mai 1958, ble Sputnik 3 skutt opp. Vel ti år senere, 20. juli 1969, landet de første menneskene på Månen. Det var amerikanerne Neil Armstrong og Edwin Aldrin. I mellomtiden hadde både sovjetiske og ameri­ kanske romkapsler kretset rundt både Jorda og Månen og dessuten kartlagt baksiden av Månen. Romsonder er sendt til våre naboplaneter i solsystemet. Vi har fått nærbilder av samtlige planeter, unntatt Pluto, og dessuten av en rekke måner. Ved observasjon fra satellitter har vi fått ny kunnskap om Sola, andre stjerner og galakser. Observasjon av vår egen klode fra verdensrommet har gitt oss ny kunnskap om Jorda og mulighet til å overvåke vårt eget miljø.

Jorda sett fra rommet

Kunnskap om verdensrommet og romfart har folk flest stort sett fått gjennom aviser, radio, fjernsyn, eller kanskje film. Science fiction-filmer gir ofte gal informasjon om de fysiske lovene som bestemmer hva som er mulig og ikke mulig i rommet. Hensikten med et «Romfart valgfag» er å gi kunnskap om naturlovene som danner grunnlaget for romteknologien, og om anvendelsene av denne tekno­ logien. Romfart som skolefag handler om den historiske utviklingen av

8

raketter som verktøy for å komme ut i rommet, hva satellittene brukes til. hva mennesker kan gjøre i rommet, hvilke fysiske lover som styrer bevegelser i rommet og hvilken nytte vi kan ha av romvirksomheten.

Inndeling av romvirksomheten Romvirksomhet omfatter all aktivitet som har med bruk av raketter, satel­ litter, romsonder, og bemannede romfartøyer å gjøre. Den blir gjerne delt inn i fire hovedgrupper: 1 Romforskning Dette er bruk av ballonger, raketter, satellitter og romsonder til å samle informasjon om atmosfæren, solsystemet, stjerner, rommet mellom stjer­ nene og galaksene. 2 Nyttesatellitter Dette er satellitter som blir brukt til praktiske sivile formål som kommu­ nikasjon, navigasjon, jordobservasjon og værvarsling. 3 Bemannede romfartøyer I tillegg til vanlig romforskning, er astronauter og kosmonauter også opp­ tatt med biologisk og medisinsk forskning og materialforskning i rommet. 4 Militære satellitter De militære satellittene blir brukt på samme måten som de sivile nyttesatellittene, men med hovedvekt på rekognosering, overvåkning og varsling av militær aktivitet fra rommet.

Hensikten med romvirksomheten Hvorfor skal vi bruke penger på romvirksomhet når det er så mange problemer å løse her nede på Jorda? Har vi i det hele tatt noen nytte av romvirksomheten? Det siste spørsmålet kan vi besvare med et ubetinget ja. Det første spørsmålet er det ikke fullt så lett å besvare kort, men vi kan antyde noen argumenter.

Menneskets nysgjerrighet Mennesket er av natur nysgjerrig, og har alltid hatt en trang til å utforske naturen og sprenge grenser. Leiv Eriksson utfordret havet og dro til Amerika for tusen år siden. Brødrene Wright utfordret luftrommet, og lettet fra bakken for første gang med et motordrevet fly i 1903.1 dag utfordrer vi verdensrom­ met. Mennesket har evnen til å nyttiggjøre seg nysgjerrigheten til å utvikle ny kunnskap, og dessuten ta ny viten i bruk. Dette er egenskaper som aldri noen datamaskin kan etterlikne. Mennesket har evnen til å bygge på erfaringer og bruke erfaringene til å forstå og oppfatte nye og uvante situasjoner. Nysgjer­ righeten er en drift, og den har over lang tid drevet fram en teknologi som har gjort det mulig for mennesker å frigjøre seg fra Jorda og reise i verdensrom­ met. Denne utviklingen ville det ikke vært mulig å hindre.

9

Bedre teknologi Store deler av den kunnskapen som vitenskapsmenn og ingeniører har skaffet seg under arbeidet med forskjellige romprosjekter, har også kommet til nytte på andre områder. Det har ført til bedre medisinsk teknologi, bedre værvars­ ling og bedre kommunikasjoner med både skip og fly. Romvirksomheten har gitt oss fjernsynssatellitter, satellittnavigasjon og muligheter for nødpeiling via satellitt. Spionsatellittene overvåker store deler av Jorda og sørger for tidlig varsling av militær aktivitet. I romlaboratorier er det utført forsøk med væsker og faste stoffer i vektløs tilstand. Dette har gi ttoss økt materialkunnskap, og har ført til bedre og mer pålitelige elektroniske komponenter, blant annet på grunn av skjerpet kvalitetskontroll. Eksperimenter i rommet har også gitt oss ny kunnskap innen basisfagene fysikk, kjemi og biologi, og dette har for eksempel kommet til anvendelse innen medisin og farmasi.

Praktiske anvendelser Fra romalderen startet med den første satellitten til i dag, er det markedsført over 800 produkter som direkte kan føres tilbake til romvirksomheten. Bak et produkt som blir markedsført ligger det ofte mange gjennomtenkte ideer, prosesser av forskjellig slag og andre mindre produkter. Tar vi med alt dette også, blir tallet på praktiske anvendelser atskillig større. NASA har hittil registrert over 30 000 anvendelser av romteknologien siden 1963. Mange av disse anvendelsene finner vi innen medisin og materialkunnskap.

Noen medisinske anvendelserfraromvirksomheten: • Muligheter for å kunne lade opp pacemakere uten tilkobling utenfra er hentet fra romteknologien.

• Pasienter med sukkersyke kan slippe sprøyter ved at et datastyrt pumpesy stem sørger for automatisk tilførsel av insulin gjennom tynne slanger.

• Fjerning av kolestrolavsetninger i blodårer kan utføres ved hjelp av laser ogfiberoptikk. • Bildebehandlingen ved NMR-tomografer er forbedret ved å utnytte teknik­ ken fra jordobservasjonsatellittene. • Teknikken med vannavkjølingen av undertøyet i romdrakter kan brukes på barn som er født uten svettekjertler. Andre praktiske anvendelser fra romvirksomheten:

• Borrelåser er en praktisk anvendelse som skriver seg fra romvirksomheten. Det er en lukkemekanisme som består av to forskjellige tekstilbånd som klistrer seg sammen. Slike borrelåser ble første gang brukt av Alan Shepard i den første amerikanske bemannede romferden i 1961. • Fra det amerikanske romfergeprogrammet har man fått nye og lette brannsikre materialer. Disse stoffene bare forkuller uten å avgi giftige gasser når de blir utsatt for flammer. Slike materialer blir brukt til seteputer, til vegg- og takmaterialer i fly, skip, tog osv Romteknologien har også bidratt til utviklingen av en røykfri isolasjon for ledninger.

• En legering av nikkel og titan har en egen evne til å innta sin opprinnelige form etter ytre påvirkninger. Denne legeringen blir brukt til sammenfoldede antenner på satellitter. Men materialet kan også brukes til tannreguleringer.

10

Bildebehandlingen ved NMR-tomografer er forbedret ved å utnytte teknikken fra jordobservasjonsatellittene. NMR er en forkortelse for det engelske Nuclear Magnetic Resonance. På norsk kalles tek­ nikken kjernespinn-resonans og har i mange år vært brukt i kjemien til å studere molekyl­ strukturer. Da slipper tannlegen å justere reguleringene i løpet av behandlings­ perioden.

• NASA har også utviklet en rusthindrende maling til bruk på oppskytingsstillasene i Florida. Denne malingen er løselig i vann, den er ikke brennbar og avgir ikke giftige gasser. I løpet av en halv time etter påstrykningen, blir den til et keramisk hardt belegg. Malingen passer godt til båter og oljerigger.

Kunnskap om naturen I tillegg til utvikling av ny teknologi, har romvirksomheten også gitt oss bedre informasjon om miljøet på vår egen jord. Vi trenger større innsikt i naturens regulering av uønskede gasser i atmosfæren, og hvilken virkning disse gassene har på ozoninnholdet. Vi trenger også å vite mer om hvordan hav og atmosfære regulerer innholdet av klimagassen karbondioksid. Målinger fra satellitter vil bidra til å gi oss økt kunnskap om miljøet på land, i havet og i atmosfæren, og dermed også om klimaet på Jorda.

Matproduksjonen på Jorda Både astronauter og romsonder har tatt bilder av Jorda fra verdensrommet. Ser vi på disse bildene, får vi et inntrykk av hvor liten og sårbar denne kloden egentlig er. Jorda er det eneste hjemmet vi har i dette universet, og her bor det fem milliarder mennesker som skal ha mat. Matproduksjonen varierer fra sted til sted på kloden. Vi får mat fra jordbruk, husdyrhold og fiske. Produksjonen kan være effektiv enkelte steder, men drastisk mangelfull andre steder. Med satellitter kan vi skaffe oss løpende oversikt over landbruksområder, vegetasjon og vannressurser. Satellittbildene kan også gi forhåndsinformasjon om avlinger og om fiskefo­ rekomster. De kan varsle om god eller dårlig høst. Denne informasjonen får vi frajordobservasjonssatellittene. De sirkulerer rundt Jorda omtrent 800 - 900 km over bakken og får dermed god overskikt over store land- og havområder samtidig. Fordi de går over polområdene, kan

11

Bilde av både Jorda og Månen, tatt fra Voyager 2.

de dekke hele jordoverflaten i løpet av noen få dager. Hvis vi utnytter all den informasjonen som disse satellittene kan gi oss, vil vi uten tvil kunne øke avlingene på Jorda ganske betydelig, kanskje for flere milliarder kroner hvert år.

Satellittbildefra enjordobservasjonssatellitt som viser noe av isen i en fjord på Svalbard.

12

Mennesker i rommet Hva er egentlig hensikten med å ha mennesker i rommet ? Hvorfor kan ikke aktivitetene i rommet utføres ved hjelp av fjernstyring fra bakken? Svaret er enkelt. For visse oppdrag i rommet er det helt nødvendig at mennesket er tilstede. Det kan være bruk for menneskets kreativitet og evne til logisk tenkning. En astronaut kan foreta spontane avgjørelser på stedet, og utføre reparasjoner av uforutsette feil som kan oppstå. Behovet for vedlikehold kan lettere vurderes av en astronaut enn av en fjernstyrt robot. Mennesker kan også overvåke forsøk og improvisere hvis noe skulle gå galt. Mennesket må selvfølgelig være tilstede når det skal utføres fysiologiske og medisinske forsøk i vektløs tilstand. Slike forsøk har gitt oss grunnleg­ gende biologisk kunnskap.

Observasjon fra verdensrommet Det er en stor fordel å observere andre himmellegemer fra rommet i stedenfor fra jordoverflaten. Jordas atmos­ fære er gjennomsiktig for synlig lys og radiobølger, men ikke for kortbølget stråling som ultrafiolett lys og rønt­ genstråling. Bare en liten del av den ultrafiolette strålin­ gen trenger gjennom atmosfæren. Den er heller ikke gjennomsiktig for store deler av det infrarøde lyset. Dette usynlige lyset gir oss verdifull informasjon om vårt eget solsystem, om stjerner, galakser og resten av universet. Fra romfartøyets bane er det fri sikt mot verdensrommet, vi slipper å måtte «se» gjennom atmosfæren. Derfra kan vi observere all slags stråling fra rommet. Slike observa­ sjoner blir bedre enn fra de beste teleskoper på Jordas høyeste fjelltopper. I tillegg til å observere verdensrommet fra satellitter i bane rundt Jorda, kan vi sende romsonder ut i vårt eget solsystem og ta bilder av våre naboer på nært hold. Dette har gitt oss en fantastisk informasjon, både om Sola og planetene.

Nytteverdien De siste 50 år er det investert kollossale summer til rakettforskning og romvirksomhet. De første V-2 rakettene ble utviklet og brukt under den andre verdenskrigen som våpen. Utviklingen av de store rakettene, både i Sovjetu­ nionen og i USA etterkrigen, var i første rekke beregnet som bærerakettertil kjernefysiske våpen. Dette var en del av den kalde krigen. Sputniksjokket i 1957, og frykt for kjernefysisk storkrig, fikk USA til å satse enorme summer på å rette opp prestisjenederlaget. Men den kalde krigen fikk på en måte også en sivil side, og det var romkappløpet. Romforskningen fikk nyte godt av dette kappløpet. Vi har sendt mennesker til Månen og romsonder til de ytterste planetene. Det har vært flere romstasjoner i bane rundt Jorda. I dag er Mir den eneste romstasjonen, men det er planer om å sende opp flere. Det foreligger også planer om å bygge baser på Månen og dessuten sende mennesker til Mars. Dette koster penger. Vil investeringene stå i et rimelig forhold til nytteverdien? Både dette spørsmålet og spørsmålet i begynnelsen av avsnittet har vi kanskje ikke besvart, men de er belyst. Hva syns du selv ?

13

Raketter - en historisk oversikt Rakettprinsippet

Rakettprinsippet kan demonstreres ved å slippe en oppblåst ballong.

Rakettprinsippet kan enkelt demonstreres ved å blåse opp en ballong og så slippe den. I en oppblåst ballong er det større trykk inne i ballongen enn i lufta utenfor. Når ballongen åpnes, blir ballonglufta skjøvet ut av åpningen, samtidig skyver denne lufta ballongen den andre veien. Lufta og ballongen får fart i hver sin retning. Dette er et eksempel på Newtons 3. lov, og det er denne loven som danner grunnlaget for rakettprinsippet og dermed grunnlaget for all romfart. Rakettmotoren skyver de varme forbrenningsgassene bakover med stor kraft. Forbrenningsgassene skyver raketten framover med like stor kraft. Dette gjelder like godt i luft som i verdensrommets vakuum. Vi skal komme tilbake til Newtons 3. lov senere. Rakettprinsippet var godt kjent lenge før Newtons tid. Bruken av krutt som rakettdrivstoff forekom i Kina helt tilbake til det trettende århundre. Istedenfor pil og bue ble rakettene brukt til militære formål. De kan på mange måter minne om våre dagers nyttårsraketter. Men det var først i det ty vende århundre at rakettprinsippet fikk større sivil anvendelse. Både raketten og jetflyet får energien fra kjemiske reaksjoner mellom et stoff som brenner (brenselet) og oksygen. Brenselet og oksygenet (oksidasjonsmidlet) utgjør sammen det vi kaller drivstoffet. Det som skiller en rakett fra et jetfly, er at raketten har med segdrivstoffet, dvs både brennstoffet og oksygenet, i egne tanker, mens flyet benytter seg av oksygenet i lufta. I begge tilfellene er det Newtons 3. lov som er grunnlaget for framdriften. De varme forbrenningsgassene blir i begge tilfellene skjøvet bakover med stor kraft, og gassene skyver raketten eller flyet framover med like stor kraft.

Rakettpionerene Det var den russiske realfaglæreren Konstantin Tsiolkovskij (1857-1935) som først foreslo å bruke rakettprinsipppet for å få et romfartøy ut i verdensrommet. Han publiserte dette i boken «Utforskningen av verdensrom­ met med reaksjonsapparater» i 1903. Tsiolkovskij foreslo å bruke flytende hydrogen og oksygen som drivstoff. Han utviklet også en teori for flertrinnsraketter og beregnet hvor mye drivstoff som var nødvendig for å overvinne tyngdekraften. Tsiolkovskij var dermed den første som så at det var mulig å skyte opp kunstige satellitter i bane rundt Jorda. Men han gjennom­ førte ingen rakettoppskytninger selv. Vi bruker uttrykket satellitt i betydningen et himmellegeme som kretser rundt en planet. Månen er en naturlig satellitt i bane rundt vår egen jord. Kunstige satellitter er skutt opp av mennesker. Den amerikanske fysikkprofessoren Robert Goddard (1882-1945) fore-

14

tok den første dokumenterte oppskytingen av en rakett med flytende drivstoff. Det var i 1926, og drivstoffet var bensin og flytende oksygen. Turen varte bare 2,5 sekunder, og den ca tre meter høye raketten kom ikke høyere enn 12,5 meter opp i lufta. Goddard fortsatte eksperimentene med flytende rakettdrivstoff og forbedret også stadig rakettene sine. I løpet av ca ti år hadde han utviklet raketter som nådde et par kilometer opp i atmosfæren. De ble etter hvert mer stabile og fikk innebygde fallskjermer, slik at de ikke ble ødelagt da de falt ned. 11941 hadde han lagd en rakettmotor med en skyvekraft på over 4 000 N som varte i ca 40 sekunder. Det var et kraftig «fraspark» på den tiden. Dette var starten på den amerikanske romfartsteknologien. I dag er Goddard Space Flight Center i nærheten av Washington DC et av NASAs viktigste forskningssentre. I Tyskland ble det i 1927 dannet en eksklusiv forening av rakettforskere, «Verein fiir Raumschiffahrt». Fire år senere, i 1931, lyktes det en gruppe fra denne foreningen å skyte opp den første europeiske raketten med flytende drivstoff. Driv­ stoffet i de første tyske rakettene var flytende oksygen sammen med etanol eller bensin. For disse rakettpionerene var motivene bak rak ettforskni ngen først og fremst drømmen om å kunne bruke raketter til romforskning. Men de ble også benyttet til å lage mer effektive våpen. En av de mest kjente medlemer av foreningen «Verein fiir Raumschiffahrt», var den tyske rakettingeniøren Wernhervon Braun (1912-1977). Han ble medlem av foreningen allererde i begynnel­ sen av 1930-årene, da han var student ved Charlottenburgs tekniske høyskole. I 1935 ble det bygd et anlegg for oppskyting og utvikling av raketter i nærheten av landsbyen Peenemiinde ved Østersjøen i Nord-Tyskland. Hit ble den unge ingeniøren von Braun og hans kolleger sendt for å utvikle V-2-raketten som våpen. Betegnelsen er en forkortelse for Vergeltungswaffe Zwei (gjen-

15

Robert Goddard med sin første rakett.

gjeldelsesvåpen nr 2), og dette navnet ble tatt i bruk da våpenet var ferdig utviklet. Raketten ble blant annet brukt mot England ved slutten av den andre verdenskrigen. I krigens sluttfase overgav von Braun seg til de amerikanske styrkene, og ble sammen med flere av sine kolleger sendt til USA for å fortsette arbeidet med raketter til militære formål, og senere også til romforskning. De var nåblitt amerikanske statsborgere. Herblebærerakettene Jupiter og Juno utviklet og så fraktet til Cape Canaveral i Florida for prøveoppskytinger. De trodde de hadde utviklet raketter som ville gi USA lederrollen i romforskningen, inntill nyheten om Sputnik 1 slo ned som en bombe 4. oktober 1957. Først fire måneder senere, 31. januar 1958, var USAs første satellitt, Explorer 1, i bane rundt jorda. Det var den sovjetiske romfartsingeniøren Sergej Koroljov (1907-1966) fra Ukraina som i første rekke var ansvarlig for de tidlige sovjetiske romfartsprogrammene, bl a Sputnik. Han må også tilskrives æren for de første fotografiene av Månens bakside i 1959, den første bemannede romferd med Jurij Gagarin i 1961, det første mennesket utenfor romfartøyet, Aleksei Leonov. i 1965, den første halvmyke landingen på Månen i 1966 og den første krasjlandingen på Venus samme året.

Oppskyting av en V-2-rakett fra Peenemiinde i Tyskland under krigen

16

En modell av Verdens første satellitt, Sputnik 1

USAs første satellitt, Explorer 1

17

Romkappløpet Både i USA og Sovjetunionen var tyske rakettspesialister med og videreut­ viklet V-2-raketten. Det var dermed tysk teknologi som dannet grunnlaget for rakettforskningen i begge landene i årene etter krigen. Men deler av V-2teknologien kan også tilbakeføres til Goddards raketter. I løpet av Det internasjonale geofysiske året, 1957-1958, var det på begge sider planlagt å skyte opp satellitter til geofysiske forskningsformål. I USA arbeidet to grupper parallelt med konstruksjon og bygging av bæreraketter. Den ene gruppen var knyttet til marinen, den andre til hæren. US Naval Res­ earch Laboratory arbeidet med Vanguardrakettene, mens von Brauns gruppe, som var knyttet til Army Ballistic Missile Agency, arbeidet med Redstoneog Jupiter-rakettene. Begge var klare til å skyte opp satellitter. Den ameri­ kanske regjeringen satset på Vanguard.

Den første, og mislykkede, Vanguardoppskytingen 5. desember 1957.

18

Hunden Laika ble skutt opp 3. november 1957 i Sputnik 2. Hun døde etter ca. 7 døgn i rom­ met. Laika er også en fellesbetegnelse på flere russiske hunderaser

Så kom «Sputniksjokket» Den første Vanguardoppskytingen var planlagt 5. desember 1957, bare to måneder etter Sputnik 1. Verdenspressen var invitert til oppskytingen. Det var direktesendinger både i radio og TV. Men oppskytingen ble en fiasko. Raketten eksploderte på bakken. USAs første forsøk på å sende opp en satellitt var mislykket. Amerikanerne henvendte seg deretter til von Braun og hans gruppe. De fikk skutt opp Explorer 1 med en ombygd Jupiterrakett, fire måneder etter Sputnik 1. Også den neste Vanguardoppskytingen var mislykket. Av i alt 11 oppsky tinger i Vanguardprogrammet var det bare tre som var vellykket. Også i Explorerprogrammet var det mange mislykte oppskytinger i starten. Av de ni første var det bare fire som var vellykket. For å kunne ta igjen det sovjetiske forspranget, var det i USA nødvendig å reorganisere romprogrammene. I 1958 undertegnet president Eisenhower den såkalte «Space Act». Samme året ble det opprettet en amerikansk romorganisasjon som fikk navnet «National Aeronautics and Space Administration» med forkortelsen NASA. Organisasjonens rolle var å koordinere amerikansk flyteknisk forskning og romakti viteter under én ledelse. NAS As forskningssentre ble fordelt på flere steder i USA. Hovedkontoret ble i Washington DC. Wernher von Braun ble sjef for NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville i Alabama. Det første levende vesenet i bane rundt Jorda var hunden Laika. Hun ble sendt opp i Sputnik 2 i 1957, men døde eller ble avlivet etter ca sju dager i rommet. Sovjetunionen var også først ute med mennesker i rommet etter å ha foretatt flere oppskytinger med hunder. De sovjetiske romfarere ble kalt kosmonauter, mens amerikanerene kalte sine astronauter. Under Vostokprogrammet hadde kosmonautene Jurij Gagarin og Gherman Titov vært i bane henholdsvis 1 og 17 ganger rundt Jorda før den første astronauten John Glenn gjennomførte sine 3 runder. Tabellene på neste side viser de tre første fra hver nasjon.

19

Vostokfartøyet

Fra det sovjetiske Vostokprogrammet: 12.april 1961 6. aug 1961 11. aug 1962

Vostok 1 Vostok 2 Vostok 3

Jurij Gagarin Gherman Titov A G Nikolajev

1 runde 17 runder 64 runder

Fra det amerikanske Mercuryprogrammet: 20. feb 1962 24. mai 1962 3. okt 1962

Friendship 7 Aurora 7 Sigma 7

John H Glenn M S Carpenter W M Schirra

3 runder 3 runder 6 runder

En suborbital bane.

20

John Glenn var den første amerikaneren i bane rundt Jorda, men han var ikke den første astronauten i rommet. Aret før ble først Alan Shepard og deretter Virgil Grisson sendt opp i såkalte suborbitale baner. Det betyr at rakettene bare så vidt var ute i rommet før de falt ned igjen. De kom ikke i bane rundt Jorda. En suborbital bane er vist i figuren i margen. Begge turene varte omtrent i 15 minutter, og de kom ca 190 km opp. Sovjetiske romsonder hadde både krasjlandet og tatt bilder av Månens bakside før den første amerikanske sonden traff Månen. Den første ameri­ kanske romsonden som landet mykt på Månen var Surveyor 1, i mai 1966. Det var et halvt år etter den første russiske landingen med Luna 9.1 løpet av 1966 hadde begge land plassert sonder i bane rundt Månen. I Sovjetunionen ble Vostokromfartøyene med plass til en kosmonaut etterfulgt av Voskhod, med plass til tre. Parallelt med dette ble Mercuryprogrammet i USA etterfulgt av Gemini-, Apollo- og Skylabprogrammene. Geminifartøyene hadde to astronauter, Apollo og Skylab hadde tre. Den første kosmonauten utenfor en romkapsel var Aleksei Leonov med Voskhod 2, i mars 1965. Den første astronauten utenfor en romkapsel var Edward White med Gemini 4 i juni samme året.

Alan Shepard blir plukket opp av havet etter landing

21

Under det sovjetiske Veneraprogrammet ble flere romsonder sendt til Venus. Noen havnet i bane rundt Sola, andre krasjlandet på planeten. I 1975 landet Venera9 og tok de første bildene av overflaten. Under det amerikanske Marinerprogrammet ble det sendt romsonder til både Venus, Merkur og Mars. Den første landingen på Mars med romsonden Viking 1 foregikk 20. juli 1976, på dagen sju år etter at det første mennesket landet på Månen. USA hadde nå tatt igjen sovjetiske forspranget i romkappløpet.

Radarbilde av Vemisoverflaten tatt fra den amerikanske sonden Magellan i 1991

Marsoverflaten, sett fra den amerikanske romsonden Viking i bane rundt Mars.

22

Bevegelse og kraft Fart og akselerasjon Likninger som forbinder fart, strekning, tid og akselerasjon blir kalt bevegelseslikningene. De blir grundig behandlet i fysikkkurset 2 Fy. For dem som ikke fått bevegelseslikningene og Newtons lover gjennomgått, blir det gitt en kort oppsummering av dem her. Regneeksemplene er plassert bak i heftet som øvingsoppgaver.

Konstant fart Fart eller hastighet er definert som tilbakelagt strekning per tid. Da kan vi måle fart med målebånd og klokke. Vi måler opp 50 meter og tar tiden en bil brukerpå denne strekningen. Bruker den 2 sekunder, blir bilens gjennomsnittsfart på denne strekningen 50 m/2 s = 25 m/s. Vi kan måle farten over enda kortere strekninger på tilsvarende måte, for eksempel for hver tiende meter. Finner vi at bilen har samme fart uansett hvordan vi måler, er farten konstant. Vi bruker symbolet v for fart, 5 for strekning og t for tid. Da kan vi skrive uttrykket for konstant fart med symboler:

s v- t Meterbyrået er det internasjonale byrået for vekt og mål, og holder til i Paris. Dette byrået bestemmer hvordan enhetene for de fysiske størrelsene skal defineres og hvilke symboler som skal brukes for enhetene. Det internasjonale enhetssystemet blir kalt SI etter Systéme International d’Unités. Enheten for lengde er meter, med symbolet m, og enheten for tid er sekund, med symbolet s. Da blir enheten for fart m/s, og det får vi som et regneresultat av definisjonen. For biler er det vanlig åbruke enheten kilometer per time eller km/h. Symbolet for time skal være h og ikke t, i alle land som har vedtatt SIenheter. Timesymbolet h er ikke fra det engelske hour, men fra det latinske hora som betyr time. I Norge blir symbolene km/t ofte brukt som enhet for fart, både i aviser og på veiskilt. Men dette betyr egentlig kilometer per tonn, og er en meningsløs enhet for fart! Setter vi h = 3 600 s og km = 1 000 m, får vi sammenhengen m/s 3,6 km/h. For raketter og andre himmellegemer det vanlig å bruke enheten km/s - 10? m/s. Små og store hastigheter: Sneglefart Vanlig gange Rask løper Lydfarten Fartsrekord for jetfly Satellitter Jordas fart Lysfarten

10'3 m/s 0,5 m/s 10 m/s 340 m/s 980 m/s 8 km/s 30 km/s 300 000 km/s

23

Akselerasjon Når en rakett skytes opp, og farten øker fra 0 til flere tusen meter per sekund, akselererer raketten. Den akselererer også når den blir bremset av atmosfæren på vei nedover, men da regner vi akselerasjonen som negativ. Akselerasjon er en størrelse som forteller hvor fort farten endrer seg. Hvis farten til en bil øker fra 26 km/h til 80 km/h, er fartsendringen 54 km/h. Det er stor forskjell på akselerasjonen om denne fartsøkningen foregår i løpet av 5 sekunder eller i løpet av en formiddag. Akselerasjonen er stor når fartsendringen tar liten tid. Vi finner den gjennomsnittlige akselera­ sjonen feller middelakselerasjonen) i løpet av 5 sekunder ved å dividere fartsendringen med tiden:

(54 km/h)/5 s = (15 m/s)/5 s = 3 m/s2. Vi definerer den gjennomsnittlige akselerasjonen i løpet av en viss tid som fartsendringen dividert med denne tiden. Med symboler kan vi skrive defini­ sjonen slik:

a-

v~vo

t

Her er a akselerasjonen, v - v er fartsendringen og t er tiden. SI-enheten for akselerasjon blir (m/s)/s = m/s2, og den kommer som et regneresultat av definisjonen. Legemer som faller fritt i nærheten av jordoverflaten har akselerasjonen 9,8 m/s2. Denne akselerasjonen blir kalt tyngdeakselerasjonen og for den er det vanlig å bruke symbolet g. Måler vi den gjennomsnittlige akselerasjonen over kortere og kortere tider, og finner den samme verdien for akselerasjonen uansett hvordan vi måler, sier vi at akselerasjonen er konstant. Uttrykket for konstant akselera­ sjon blir da det samme som i definisjonen ovenfor. Noen akselerasjoner: Tyngdakselerasjonen på Jorda Tyngdeakselerasjonen 400 km over jordoverflaten Tyngdeakserasjonen på Månen Romfergens akselerasjon under oppstigning Den største akselerasjonen et menneske bør utsettes for i korte tidsrom

g = 9,8 m/s2 8,7 m/s2 1,6 m/s2 29,4 m/s2 = 3g 980 m/s2= 10

g

Bevegelseslikningene Bevegelseslikningene er sett med fire likninger som forbinder fart, strekning, tid og konstant akselerasjon. Den første av bevegelseslikningene er definisjonslikningen for akselerasjon. Vi løser den med hensyn på v og får:

v = v 0+ at Tilbakelagt strekning v for et legeme som øker farten fra v0 til v i løpet av tiden /, er gjennomssnittsfarten, (v + v0)/2, multiplisert med tiden t. Dette fører til neste bevegelseslikning:

s— 24

v+vo

.

t

Setter vi den første likningen inn i den andre, får vi den tredje bevegelseslikningen:

s = vot + f at2 Den siste bevegelseslikningen får vi ved å finne r av den første likningen og sette det uttrykket inn i den andre:

v2 - v02 = 2as Kontroller bevegelseslikningene ved å gjennomføre utledningene.

Newtons lover Newtons tre lover beskriver sammenhengen mellom krefter og bevegelse. Disse lovene danner det teoretiske grunnlager for rakettprinsippet. Newtons lover blir behandlet grundigere i fysikkurset 2 Fy, men siden vi skal bruke lovene i dette kapitlet, tar vi dem med her.

Newtons 1. lov Newtons 1. lov forteller hva som skjer hvis det ikke virker krefter på et legeme eller hvis summen av kreftene er null. Det er umulig å fjerne kreftene som virker på gjenstander her på Jorda, for tyngden har vi allitd med oss. Men hvis flere krefter opphever virkningen av hverandre, sier vi at summen av kreftene er null. Det er tilfelle for et legeme som beveger seg på et friksjonsfritt og vannrett underlag. Hvis legemet er i ro til å begynne med, vil det fortsatt være i ro. Hvis legemet er i fart, vil det fortsette å bevege seg med konstant fart, helt til det støter mot et annet legeme. Disse erfaringene kan vi formulere som Newtons 1. lov:

Hvis summen av kreftene som virker på et legeme er null, vil legemet enten forbli i ro eller fortsette å bevege seg i en rettlinjet bane med konstant fart. Dette kan vi også si med symboler:

F = 0 => v = konstant der F betyr summen av kreftene og v farten.

Newtons 2. lov Newtons 2. lov forteller hva som skjer hvis det virker krefter på et legeme. Det skal krefter til for å sette et legeme i bevegelse. Det skal krefter til for å stoppe bevegelsen også. Siden enhver fartsendri ng er en akselerasjon, kan vi si at det skal krefter ti 1 for å akselerere et legeme. Jo større kraft vi bruker på et legeme, desto større blir akselerasjonen. Men massen har også noe å si. Det skal ikke store kraften til for å akselerere en pingpongball. Det skal større kraft til for å akselerere en blykule. Disse erfaringene kan formuleres som Newtons 2. lov:

Summen av kreftene som virker på et legeme er produktet av legemets masse og akselerasjon.

25

Det tilsvarende matematiske uttrykket kan vi skrive slik:

F = ma Her betyr F summen av kreftene som virker på legemet, m massen av legemet og a akselerasjonen. Denne likningen kan omformes hvis vi setter inn uttrykket for konstant akselerasjon , a = (v - vf/t:

Ft = mv- mv0 Den siste likningen blir også kalt impulsloven . Produktet av kraft og tid, Ft, heter kraftstøt eller impuls. Produktet av masse og fart, mv, heter bevegelsesmengde. Impulsloven kan da formuleres med ord slik:

Kraftstøtet er lik endringen av bevegelsesmengden. Newtons 1. lov kan vi oppfatte som et spesialtilfelle av Newtons 2. lov. Det ser vi hvis vi setter akselerasjonen a - 0 i F = ma. Er akselerasjonen lik null, er legemet enten i ro eller det har konstant fart.

Newtons 3. lov Newtons 3. lov og rakett­ prinsippet.

Newtons 3. lov forteller om de kreftene som virker mellom to forskjellige legemer, for eksempel mellom knyttneve og bord, når vi slår i bordet. Da virker det en kraft fra knyttneven på bordet, men samtidig må det virke en kraft fra bordet på knyttneven. Det kjenner fordi det gjør vondt. De to kreftene kaller vi kraft og motkraft, og Newtons 3. lov sier at disse er like store og motsatt rettet. En kraft har alltid med to legemer å gjøre. Hvis en kraft virker fra A på B, virker en motkraft fra B på A, som er motsatt rettet og like stor.

eller kortere:

kraft = - motkraft Rakettmotoren som virker i vakuum er et godt eksempel på Newtons 3. lov. Motoren skyver forbrenningsgassene bakover med stor kraft. Motkraften skyver motoren og raketten framover med like stor kraft.

26

Rakettmotorer Skyvekraften på rakettmotoren De fleste rakettmotorene bruker kjemisk drivstoff. Energien kommer da som regel fra kjemiske forbrenningsprosesser. Til alle forbrenningsreaksjoner trengs oksygen O2, som oksidasjonsmiddel. Det stoffet som brenner blir oksidert. Det kan være et organisk stoff som for eksempel etanol C2H5OH, bensin eller det kan være hydrogen Hn. Når vi skal se på selve prinsippet for rakettmotoren, velger vi flytende hydrogen og oksygen som drivstoff. Den kjemiske reaksjonen som gir raketten energi, er den samme som vi kjenner som knallgassreaksjonen: 2 H2 + O2^ 2 H2O

I forbrenningskammeret er alle tre stoffene i gassform, og H.O er forbrenningsgassen. Den har meget høy temperatur og presses gjennom en

Rakettprinsippet. Forbrenningsgassene skyves bakover av kraften K slik at de får farten V ut av motoren. Motkraften F skyver raketten fremover.

smal åpning, en dyse, og ut av forbrenningskammeret med stor fart. Figuren under viser en prinsippskisse av forbrenningskammeret der den kjemiske reaksjonen foregår. Pilene mot veggene på kammeret viser trykkreftene fra 1 ufta på utsiden og trykkreftene fra den varme forbrenningsgassen på innsiden. Under forbrenningsprosessen blir trykkreftene mot den indre veggen mye større enn trykkreftene fra utsiden. Temperaturen i forbrenningskammeret kan bli over 3 000 K og trykket rundt 4 000 kPa. Farten som forbrenningsgassene forlater raketten med, kan være fra to til fire km/s. På grunn av den høye temperaturen er det nødvendig med et effektivt kjølesystem. I de motorene hvor flytende hydrogen og oksygen er drivstoffet, blir også flytende hydrogen med temperatur på 30 K, brukt som kjølevæske i veggene i forbrenningskammmeret og i dysen. Forbrenningsgassene akselereres bakover av kraften K og denne er avhengig av farten ve som gassen har i forhold til raketten, og av massen m

27

Trykkreftene som virker i rakettmotoren

av gass som per tid t strømmer ut av forbrenningskammeret. Motkraften F, som er like stor og motsatt rettet, virker på raketten og akselererer denne framover. Det er Newtons 3. lov. Av impulsloven får vi uttrykket for skyvekraften på raketten:

F= F er summen av alle trykkreftene mot innsiden og utsiden av forbrenningskammeret. Den farten ve som forbrenningsgassene får i forhold til raketten, er avhengig av både gasstrykket og temperaturen i kammeret, lufttrykket og tverrsnittsarealene i dysen. Farten er også avhengig av molekylmassen til forbrenningsgassene. Jo mindre molekylmasse, desto større blir farten. I rommet er trykket mot utsiden av forbrenningskammeret, null og da er det lettere å oppnå større fart på forbrenningsgassene. Rakettmotoren virker derfor bedre i rommet enn nede i atmosfæren.

Spesifikk impuls Farten vy til forbrenningsgassene er en viktig størrelse for rakettmotoren. Av formelen for kraften ovenfor finner vi farten:

Ft _ F m m/t Av dette uttrykket ser vi at farten blir forholdet mellom skyvekraften og strømmen av forbrenningsgasser ut av motoren. Produktet av kraft og tid, F t, har vi kalt impuls. En størrelse som er dividert med massen, får gjerne forstavelsen «spesifikk». Brøken ovenfor skulle da hete «spesifikk impuls». Men i definisjonen av spesifikk impuls er det mer vanlig å bruke tyngden mg av drivstoffet istedenfor massen m. Spesifikk impuls I blir derfor definert slik:

/ = «- p sp

mg

Enheten for spesifikk impuls blir sekunder, fordi Ns/(kgm/s2) = s. Av definisjonen ser vi at spesifikk impuls blir forholdet mellom skyvekraften F i N og drivstofforbruket mg/t i N/s. Tyngdeakselerasjonen som inngår i definisjonen er verdien på stedet. Det betyr at samme motor har større spesifikk impuls i bane rundt Jorda (med f eks g = 8 m/s2 ) enn på jordoverflaten (med g = 9,8 m/s2 ). Stor skyvekraft kombinert med lite drivstofforbruk gir stor verdi for spesifikk impuls. Tabellen under viser noen verdier for spesifikk impuls.

28

Rakett

Drivstoff

Spesifikk impuls

V2-raketten Redstone-raketten Jupiter-raketten Saturn-raketten Romfergen

etanol og 0,(1) etanol og 0,(1) petroleum og 0,(1) H,(l)ogO,(l) H2(l) og 0,(1)

200 s 220 s 80 s 420 s 455 s

Tarten til raketten Rakettdrivstoffet utgjør omtrent 90 % av rakettens startmasse. Når raketten skyter forbrenningsgassene bakover, avtar startmassen raskt. På bakken har raketten med drivstoff massen m0 og startfarten er vQ. Denne er så liten at vi som regel kan sette den lik null. Underveis avtar massen av raketten mens farten øker. Når massen er avtatt til m, er farten økt til v som vi kaller sluttfarten. Ved hjelp av loven om bevaring av bevegelsesmengde (produktet av masse og fart) kan det vise at fartsendringen blir (se oppgave 21 og 24): mn

V-VO = VJ" TfT der Ve er farten til forbrenningsmassene i forhold til raketten, mens V er sluttfarten til raketten i forhold til bakken. I dette regnestykket er det ikke tatt hensyn til raketten ved start fra bakken må overvinne både tyngdekraft og luftmotstand. Strengt tatt gjelder dette uttrykket bare utenfor Jordas gravitasjonsfelt. Tar vi hensyn til tyngdekraften, kan det vises at formelen for fartsendringen blir (se oppgave 25 og 27): .

mn

v~v0 = veln -rf-gt der g er tyngdeakselerasj onen (som vi antar er konstant) og t er tiden fra start til sluttfarten er oppnådd. Luftmotstanden er proporsjonal med kvadratet av farten. Den er også proporsjonal med massetettheten av atmosfæren, og er derfor størst i den nederste delen av atmosfæren. For å redusere lutftmotstanden til et minimum, bør farten være så liten som mulig i begynnelsen. Dessuten bør raketten stige loddrett opp i atmosfæren. Men raketten skal også overvinne tyngdekraften, og da er det ingen fordel å stige loddrett opp. I praksis oppnår man det gunstigste energiforbruket ved oppstigning ved at raketten en tid etter start bøyer av fra vertikalretningen og inntar en mer horisontal bane. Etter en stund blir banen parallell med den krumme jordoverflaten.

Flertrinnsraketter Vanlige verdier for farten til forbrenningsgassene er rundt 2,5 km/s, og hvis drivstoffet utgjør 90 % av rakettens masse, blir forholdet mellom startmasse og sluttmasse lik 10. Dette ville gi en sluttfart på 5,8 km/s. For å komme i bane rundt Jorda trengs en fart på 7,8 km/s, og for å slippe fri fra Jordas gravitasjonsfelt trengs en fart på minst 11,2 km/s. Med dagens teknologi er det derfor ikke mulig å få en rakett i bane rundt Jorda med bare ett rakettrinn. En fart på 7,8 km/s i atmosfærens nederste del vil føre til en kraftig luftmotstand. Temperaturen vil bli så høy at raketten blir ødelagt. Med en startfart på 11,2 km/s vil raketten antakelig smelte. For å oppnå unnslipningsfarten, må raketten bygges med to eller tre trinn og som kan frigjøres når de har gjort jobben. Mens første trinn virker er farten relativt liten. Dermed unngår en også problemene med temperaturstigningen i den nederste delen av atmosfæren. Når det andre og eventuelt tredje trinnet virker, er atmosfæren tynnere og farten kan økes. På figurene ser vi hvordan en tretrinnsrakett virker.

29

Satellitten eller romsonden frigjøres til slutt fra tredje trinn når dette løsner. Etter første trinn oppnår raketten farten vr Første trinn forsvinner, og med andre trinns rakettmotor oppnås en fartsøkning v2. Så løsner andre trinn. Med tredje trinns motor blir fartsøkningen v3. Sluttfarten til det som er igjen av raketten etter at tredje trinn er løsnet, blir da:

Prinsippskisse av en tretrinnsrakett

v=vl + v2 + v3 Denne summen kan lett bli rundt 8 km/s, og det er tilstrekkelig til at satellitten eller romsonden kommer i bane rundt Jorda.

Rakettdrivstoff Til de kjemiske rakettmotorene blir det brukt flytende, fast eller en blanding av fast og flytende drivstoff. Men det er også rakettmotorer som ikke får energien fra kjemiske reaksjoner.

Flytende drivstoff De fleste kjemiske reaksjonene i forbrenningskammeret er oksidasjoner. De første rakettene, fra V-2 til Saturn, brukte flytende oksygen som oksidasjonsmiddel. Andre flytende oksidasjonsmidler kan være salpetersyre HNO , dinitrogentetroksid N,O4 og fluor E,. Det stoffet som oksideres kan være etanol, bensin, hydrazin N,H. metylderivater av hydrazin eller flytende hydrogen. I spesielle tilfelle er det ønskelig at den kjemiske reaksjonen starter uten noen form for tennemekanisme. Enkelte stoffer reagerer spontant ved direkte kontakt. Det betyr at den termiske energien (varmeenergien) for stoffene er stor nok som aktiveringsenergi. Fluor F, og noen organiske stoffer reagerer spontant. Den samme egenskap har salpetersyre og dinitrogentetroksid N2O4 sammen med hydrazin N,H4. Men ulempen med disse kjemikaliene er at de er giftige. De kan forurense atmosfæren eller forgifte mannskap både i og utenfor romfartøyet.

30

Rakettmotor med flytende drivstoff

Prinsippskisse av en rakettmotor med flytende drivstoff.

Fast drivstoff Krutt er det eldste faste rakettdri vstoffet. Det ble brukt av kineserne allerede for 700 år siden. Det er siden brukt til fyrverkeriraketter og som drivstoff til militære raketter langt inn i forrige århundre. Dette kruttet bestod av

Foto av en Ariane 4-oppskyting.

31

kaliumnitrat KNO3, svovel S og karbon C. En blanding av disse tre stoffene eksploderer hvis den blir antent. Energien kommer fra forbrenningen av svovel og karbon. Oksygentilførslen kommer fra kaliumnitratet. Foråkimne bruke krutt til rakettdrivstoff, må forbrenningen foregå langsomt, og ikke som en rask eksplosjon. Ved å øke karboninnholdet i kruttblandingen, går forbrenningen langsommere.

Brennflate

A ved start B ved 1/3 forbrent q vec| 2/3 forbrent D ved slutt

av drivladning

Prinsippskisse av rakettmotor med fast drivstoff

Nitrocellulose og nitroglyserol har lenge vært brukt som sprengstoff. Disse stoffene blir i dag også brukt som fast rakettdrivstoff. Nitrocellulose er en forbindelse som er lagd av salpetersyre og cellulose, og nitroglyserol er salpetersyreesteren av glyserol. Disse to stoffene trenger ikke noe oksidasjonsmiddel i tillegg. Molekylene spaltes og da frigjøres store mengder energi. Et annet fast drivstoff er blandingen av aluminium og ammoniumperklorat som oksidasjonsmiddel. Rakettmotorer med fast drivstoff er enklere enn motorer som bruker flyt­ ende drivstoff. Faststoffmotorene trenger ingen pumper og ventiler til å kon­ trollere drivstofftilførselen til forbrenningskammeret. Det faste drivstoffeter enklere å behandle og lagre fordi det kan oppbevares ved vanlig temperatur. Når den kjemiske reaksjonen i faststoffmotoren først har startet, er det umulig å kontrollere den eller stanse den. Reaksjonen fortsetter til drivstoffet

Figurene viser hvordan skyvekraften varierer med tiden

32

er brukt opp. Den kan indirekte kontrolleres ved hjelp av utformingen av selve reaksjonskammeret, for eksempel slik at reaksjonen forløper med konstant styrke. Romfergen benytter to faststoffmotorer som er festet til den ytre tanken med flytende hydrogen og oksygen. Disse faststoffrakettene er beregnet til å gi stor skyvekraft i selve startfasen. Når det faste drivstoffet er brukt opp, blir de tomme rakettene frakoplet. De faller ned i havet der de siden blir plukket opp. Så blir de fylt med nytt drivstoff og brukt om igjen. Forbrenningskammeret er som regel sylinderformet og fylt opp med den faste drivstoffblandingen. Selve forbrenningsreaksjonen foregår på overfla­ ten inne i en stjerneformet kanal langs sylinderaksen. Forbrenningsgassene har meget høy temperatur og presses med stor fart langs kanalen, gjennom en dyse og ut av rakettmotoren. I romfergens faststoffmotorer består drivstoffet av 16 % aluminiumpulver, 70 % ammoniumperklorat NH4C1O4. og resten er en plastikkmasse. Under reaksjonen oksideres Al til AEO.. Faststoffmotoren blir antent ved hjelp av en elektrisk tennemekanisme.

Blandingsdrivstoff Blandingsdrivstoff betyr at én av komponentene er fast stoff og den andre er flytende. En rakettmotor med blandingsdrivstoff kan kombinere prinsippene for den enkle faststoffmotoren med muligheten til å kontrollere selve forbrenningsprosessen. Den flytende komponenten er som regel oksygen som oppbevares i en egen tank, mens det faste stoffet er plassert i selve forbrenningskammeret. Under reaksjonen sprøytes oksygenet inn i den faste komponenten. En slik rakettmotor kan. ved å regulere oksygentilførselen, stanses og startes på nytt. Disse rakettmotorene er imidlertid ikke så utbredt i dag. men man regner med at de vil bli mer brukt i fremtiden.

33

Andre rakettmotorer I tillegg til de kjemiske rakettmotorene fins det noen andre prinsipper for rakettframdrift.

Kjernefysiske motorer En kjernefysisk rakettmotor består av en liten fisjonsreaktor som varmer opp drivgassen til meget høy temperatur. Drivgassen bør være flytende hydrogen. Denne skytes bakover med stor fart, og farten kan bli atskillig større enn ved kjemiske rakettmotorer. På grunn av faren for radioaktiv forurensing har slike rakettmotorer til nå ikke vært brukt.

Elektriske motorer Av elektriske rakettmotorer fins det tre hovedtyper. I den elektrotermiske rakettmotoren (motstandsmotoren) blir drivgassen oppvarmet elektrisk av et varmeelement, og så på grunn av den høye temperaturen blir den presset ut av dysen. En slik motor får høy spesifikk impuls, men liten skyvekraft. I en elektrostatisk rakettmotor (ionemotor) akselereres positive ioner i et elektrisk felt. lonestrømmen nøytraliseres av elektroner før den forlater motoren. En slik motor kan oppnå meget høy spesifikk impuls, men skyve­ kraften er liten.

Prinsippskisse av en kjernefysisk rakettmotor (t.v.) og en elektrisk rakett motor (t.h.)

34

Figuren viser prinsippet for en ionemotor I en elektromagnetisk rakettmotor (plasmamotor) er det kraftige elek­ triske og magnetiske felter som akselererer elektriske ladninger i en ionisert drivgass. En slik gass består av positive ioner og elektroner, og kalles et plasma. Motoren kalles derfor også for en plasmamotor. Alle hovedtyper elektriske motorer er prøvd i rommet.

Fotonmotoren I fotonmotoren er det fotoner som strømmer ut av raketten, og disse har lysfarten. Dermed blir spesifikk impuls meget stor, men skyvekraften helt ubetydelig. Fotonene blir produsert av en elektrisk lyskilde i brennpunktet til et paraboloidformet speil. Fotonene blir reflektert fra speilet og får en bevegelsesmengde vekk fra speilet. Raketten får da en like stor bevegelsesmengde i motsatt retning. En slik motor krever en enorm elektrisk energitilførsel.

Prinsippskisse av en fotonmotor

35

Bæreraketter En bærerakett skal bære med seg nyttelasten opp fra bakken og plassere den i riktig bane rundt Jorda. Nyttelasten kan være en satellitt eller en bemannet romkapsel. For å greie dette, må bæreraketten ha tilstrekkelig kraftige motorer som er tilpasset den massen både raketten og nyttelasten har. Jo mer som skal fraktes ut i rommet, desto større og kraftigere må bæreraketten være. Bæreraketten er ofte en tre- eller firetrinnsrakett. Det siste trinnet kan inneholde selve satellitten eller en romkapsel. Nyttelasten og bæreraketten har gjerne forskjellig navn.

Amerikanske raketter

Oppskytningen av Alan Shepard, USA's første astronaut. Han ble skutt opp 5. mai 1961 i en suborbitalhane i en Mecury Kapsel og med en Redstone bærerakett.

I 1945 ble Wernher von Braun og en rekke andre tyske rakettingeniører engasjert av den amerikanske hæren som rådgivere og konsulenter. Gruppen flyttet til det vestlige Texas for å videreutvikle den tyske V-2-raketten. Fem år senere flyttet von Brauns gruppe fra Texas til Redstone Arsenal i Hunstville i Alabama. Gruppen fortsatte arbeidet med rakettvåpen for hæren. De nye rakettene ble kalt Redstone. Den første Redstoneraketten ble skutt opp fra Cape Canaveral i Florida i 1953. Wernher von Braun startet på denne tiden også arbeidet med å bygge om de militære rakettene slik at de kunne brukes til å frakte satellitter ut i rommet. Redstonerakettene ble videreutviklet og bl a brukt ti 1 de to første suborbitale (se side 11) bemannede oppskytinger av Alan Shephard og Virgil Grissom i 1961. I 1955 fikk von Brauns gruppe i oppdrag fra den amerikanske hæren å bygge et tretrinns rakettvåpen med flytende drivstoff. Raketten fikk navnet Jupiter. Første prøveoppskyting foregikk fra Cape Canaveral i 1957. Etter Sputniksjokket ble Jupiterraketten bygd om fra rakettvåpen til bærerakett. Den ble først kalt Jupiter C og siden omdøpt til Juno 1. Dette ble bæreraketten for USAs første satellitt, Explorer 1. Etterfølgeren Juno 2 foretok flere vellykkede satellittoppskytinger. Parallelt med dette arbeidet den amerikanske marinen med et sivilt program for satellittoppskytinger. Marinens rakett ble kalt Vanguard. Det varen tretrinnsrakett. Første og andre trinn brukte flytende drivstoff, og siste trinn var en faststoffrakett. Det varen slik Vanguardrakett som mislyktes i å bringe USAs første satellitt i bane. Raketten eksploderte på bakken. Atlasraketten var opprinnelig bygd som et interkontinentalt rakettvåpen. Etter ombygging til en bærerakett, er den også blitt produsert i flere forskjellige versjoner. Atlasraketten var 42 m høy og hadde en startmasse på 163 tonn. Det var en tretrinnsrakett. De to første trinnene brukte flytende drivstoff, det øverste enten fast eller flytende drivstoff. Av de mest kjente oppskytinger med Atlas er oppskytingen av John Glenn i Mercurykapselen i 1962, og oppskytingen av den interplanetariske romsonden Mariner IV i 1964. Siden er romsonder til Mars, Venus og Månen blitt skutt opp av Atlasraketter. De er fremdeles i bruk.

36

Mercury-Redstone, Mercury-Atlas, Gemini-Titan, Saturn 1 B og Saturn V i samme målestokk Titanraketten var også et ombygd rakettvåpen. Også den er bygd i flere versjoner. De seneste versjoner bruker faststoffmotorer som hjelpemotorer i starten. Den største Titan versjonen har en startmasse på 910 tonn og kan plassere 2,9 tonn i geostasjonær bane. Titan ble brukt i Gemini-programmet. Voyager 1 og 2 ble sendt opp av Titanraketter i 1977. Saturnrakettene ble bygd som bæreraketter til Apolloprogrammet. Disse forekom også i flere versjoner. Saturn 1 var en totrinnsrakett og den minste av dem, men likevel større enn Titan. Den brukte flytende drivstoff. Saturn 1 var en testmodell og ble bl a brukt til å teste de forskjellige trinn i raketten. Den ble også brukt til flere satellittoppskytinger. Saturn IB var en tretrinnsrakett og en litt større og forbedret versjon av Saturn 1. Saturn 1B ble brukt til å skyte opp det første bemannede Apollofartøyet, Apollo 7, i 1968. Tre ganger ble den brukt til å frakte mannskap til romstasjonen Skylab i 1973. Den ble også brukt til å sende opp det Apollofartøyet som ble sammenkoblet med det sovjetiske Sojusfartøyet i 1975. Raketten med Apollofartøyet var 68 m høy. Den hadde en startmasse på 600 tonn og kunne plassere 20 tonn i bane rundt jorda.

Oppskytningen av Voyager 2.

37

Sammenkoblingen av Apollo og Sojus. Saturn Ver den største og kraftigste av Saturnrakettene. I likhet med Saturn 1B var den en tretrinnsrakett med flytende drivstoff. Den var konstruert som bærerakett for måneferdene. Raketten ble brukt 13 ganger, hvorav ti var bemannede romferder. De som ikke ble brukt, ble utstillingsraketter i Huntsville i Alabama, ved Kennedy Space Center i Florida og ved Johnson Space Center i Houston i Texas. Første ubemannede oppskyting med Saturn V var i 1967 med Apollo 4. Den neste var året etter med Apollo 6. Den første bemannede oppskytingen var i julen 1968. Da ble Apollo 8 sendt rundt Månen, men uten å lande. Saturn V ble brukt til resten av Apolloprogrammet. Siste gang Saturn V ble brukt som bærerakett var i 1973, da rakettens to nederste trinn fraktet romstasjonen Skylab i bane rundt Jorda. Saturn V med Apollofartøyet var 111 m høy og hadde en startmasse på 2 900 tonn og kunne plassere 129 tonn i bane rundt Jorda !

Figuren viser hvordan Saturn V er sammensatt. Den består av tre trinn. Første og andre trinn har fem krafige motorer og tredje trinn én. Øverst er redningstårnet og Apollofartøyet som består av kommandoseksjonen, serviceseksjonen og månelandingsfartøyet.

Romstasjonen Skylab

38

På Apollo-romfartøyet, helt på toppen av Saturnrakettene, var det et redningstårn. Det var utstyrt med en faststoffrakett som startet automatisk hvis oppskytingen måtte avbrytes innen de 100 første sekundene. Den kunne også startes manuelt av astronautene. Hvis redningstårnet ikke ble brukt, ble det frakoblet automatisk da andre raketttrinn ble avfyrt.

Russiske raketter Også de russiske bærerakettene har for det meste vært ombygde rakettvåpen. Den meste kjente bæreraketten er SA/ws-raketten. Det er en tretrinnsrakett med flytende drivstoff. En større utgave som er beregnet på interplanetariske romferder har også et fjerde trinn. Bæreraketten Kosmos er mindre og er et om­ bygd totrinns rakettvåpen. Kosmos blir også fort­ satt brukt til militære formål. Bæreraketten Proton er den nest kraftigste russiske raketten som er bygd. Den er den første som ikke er et ombygd våpen. Denne raketten kan plassere 20 tonn nyttelast i bane rundt Jorda.

Sojonsrakett under oppskytning

Tegningene viser størrelsesforholdet mellom Energia, romfergen. Saturn V og Proton

39

Buran og Energia på vei til oppskytingsstedet

De nyeste bærerakettene er Tsyklon, Zenit og Energia. Tsyklon er en mindre tretrinns bærerakett som bruker dinitrogentetroksid og dimetylhydrazin som drivstoff. Tsyklon kan plassere 4 tonn i bane rundt Jorda. Zenit er større enn Tsyklon, en mellomting mellom Sojusraketten og Proton. Det er en tretrinns rakett som kan plassere nesten 14 tonn i bane. Den siste i rekken av russiske bæreraketter er Energia. Den er også den kraftigste. Raketten kan plassere hele 100 tonn nyttelast i bane rundt Jorda. Energia kan brukes både som bærerakett for satellitter og som bærerakett for romfergen Buran. Etter hvert kommer en rekke nye raketter.

Noen av de russiske rakettene tegnet i riktig størrelsesforhold

40

Europeiske raketter USA og Sovjet er ikke alene om å bygge raketter. Både Storbritannia og Frankrike startet rakettprogrammer etter den andre verdenskrigen. De første europeiske rakettene var beregnet til militære formål. Allerede i 1962 startet arbeidet med den europeiske raketten Europa 1. Det var et samarbeid mellom England. Frankrike, Tyskland. Belgia, Nederland og Italia. Det ble foretatt flere prøveoppskytinger med de enkelte rakettrinnene, men det ble aldri noen prøveoppskytinger av den ferdige Europa 1. Raketten ble isteden ombygd til bærerakett for geostasjonære satellitter under navnet Europa 2, men den første oppskytingen i 1971 ble mislykket. Istedenfor å bygge en Europa 3-rakett, ble Europaprogrammet i 1973 erstattet av Arianeprogrammet. Den første vellykkede Arianeoppskytingen ble foretatt i 1979 fra oppskytingsbasen ved byen Kourou i Fransk Guyana i Syd-Amerika, 5° nord for ekvator. Ariane 1 bestod av tre trinn med flytende drivstoff. Denne rakettypen ble

Ariane 3 under opp­ skytingen i 1986

Like før oppskytingen av den første Ariane 4 i 1988

41

bl a brukt til å skyte opp romsonden Giotto i 1985 og den franske jordobservasjonssatellitten SPOT 1 i 1986. Samme år ble også den sven­ ske satellitten Viking skutt opp av en Ariane 1-rakett. Ariane 2 og 3 er begge noe større enn Ariane 1. Ariane 3 har i tillegg to ekstra faststoffmotorer. Ariane 4 har enda større skyve­ kraft enn sine forgjengere, og kan utstyres med opptil fire påspente rakettmotorer. Den kan plassere inn­ til 4 tonn nyttelast i en elliptisk bane som overfører satellitten fra en parkeringsbane et par hundre kilo­ meter over bakken, til en geostasjonær bane som er nesten 36 000 km fra Jorda. En slik ellipsebane blir ofte Ariane 5 kalt geostasjonær overføringsbane. Det siste medlemmet av Arianefamilien er Ariane 5. Den er for tiden under bygging og den første oppsky­ tingen er planlagt til oktober 1995. Også norsk industri leverer deler til Ariane 5. Det er blant annet små separasjonsraketter som skal brukes til å fjerne de to faststoffrakettene fra hovedraketten når de har gjort jobben sin. Ariane 5 vil kunne plassere en nyttelast på 18 tonn i lav bane rundt Jorda og nesten sju tonn i geostasjonær overføringsbane. Den var også beregnet til å skyte opp den planlagte europeiske romfergen Hermes. Ariane 5 kommer i forskjellige versjoner, avhengig av hva slags nyttelast den skal ta med seg. Den nederste delen er identisk for alle versjonene, den øvre delen er tilpasset nyttelasten.

Japanske,kinesiske og indiske raketter Både Japan, Kina og India har skutt opp satellitter. Brasil er også i ferd med å produsere en bærerakett for satellitt. Japan fikk skutt opp en satellitt i februar 1970 med Lambda 4S. Det var en firetrinns bærerakett med faststoffmotorer. Siden da har Japan skutt opp både geostasjonære satellitter og satellitter til romforskning og romsonder. De nyere japanske bærerakettene består delvis av amerikanske rakettrinn, delvis av japanske. Den første kinesiske satellitten ble skutt opp i april 1970 med en CZ1 bærerakett. Denne raketten varet ombygd sovjetisk rakettvåpen. Den bestod av tre trinn og benyttet flytende drivstoff. Kina har videreutviklet denne raketten til kraftigere versjoner med betegnelsen CZ2, CZ3 og CZ4. Symbolene CZ står for Chang Zheng (= Lang Marsj) og skal ha sammenheng med Maos «lange marsj» i 1935. Indias første satellitt ble skutt opp i 1980 med en firetrinns rakett med faststoffmotorer. Raketten hadde betegnelsen SLV3 (Satellite Launch Vehicle).

42

Romfly Et romfly er romfartøy som både kan ta av og lande som et fly, og dessuten brukes om igjen. Vi har tidligere nevnt at den minste farten som et romfartøy må ha for å komme i bane rundt Jorda, er 7,8 km/s. Dette er den teoretiske sirklingsfarten like over jordoverflaten. Under avsnittet om flertrinnsraketter ble det også nevnt at en rakett kunne komme opp i en fart på 5,8 km/s med bare ett trinn. Da regnet vi med at forbrenningsgassene hadde farten 2,5 km/s ut av rakettmotoren og at dri vstofftet utgjorde 90 % av rakettens startmasse. I dette regnestykket var det verken tatt hensyn til luftmotstanden eller tyngdekraften. Teoretisk er det ikke umulig å oppnå tilstrekkelig fart for å komme i bane rundt Jorda med bare ett trinn. Hvis drivstoffet utgjør 99 % av rakettens startmasse og forbrenningsgassene har farten 2,5 km/s ut av motoren, vil sluttfarten komme opp i 11,5 km/s. Den vil bli noe mindre hvis vi tar hensyn til at raketten også skal overvinne tyngdekraften. Men ved slike hastigheter i atmosfæren blir luftmotstanden så stor at raketten sannsynligvis vil bli ødelagt. Ingeniørene har lenge drømt om romfly og ett-trinns bæreraketter. De må nok vente ennå en stund, men at det kommer er temmelig sikkert, men disse vil da bli konstruert etter helt andre prinsipper enn våre dagers raketter.

Romflyet skal bruke oksygenet i atmosfæren Romflyet skal bruke luftoksygenet så lenge det er i atmosfæren, på samme måten som et vanlig jetfly. Den siste fartsøkningen vil det få ved å bruke medbrakt flytende oksygen. Dermed er det ikke nødvendig å ta med så mye oksygen, og romflyets startmasse kan da reduseres tilsvarende. Ved horison­ tal start vil akselerasjonen ta lengre tid slik at romflyets motorer dermed må være i drift over lengre perioder enn dagens rakettmotorer. Slike motorer krever en annen og atskillig mer komplisert konstruksjon. Et romfartøy eller en bærerakett som kan komme i bane rundt Jorda ved egen hjelp i bare ett trinn, har fått betegnelsen SSTO etter Single Stage to Orbit.

Europeisk romfly Storbritanias forslag til romfly har fått betegnelsen HOTOL som står for Horizontal Take-off and Landing. Det skal konstrueres slik at det kan ta av fra en vanlig flyplass og stige til 26 km mens motorene bruker atmosfærens oksygen. På dette stadiet vil HOTOL ha oppnådd en fart på fem ganger lydfarten. Deretter vil oksygentilførselen bli koplet over fra luftoksygenet til en egen tank med flytende oksygen, og HOTOL vil akselerere videre til det kommer i bane rundt Jorda.

43

Det foreligger også planer foren midlertidig utgave av HOTOLogsom ikke skal bruke luftoksygenet. Denne utgaven vil bli utstyrt med vanlige rakettmotorer og skal skytes opp fra ryggen av et stort transportfly. Derfra er det meningen at romflyet skal komme i bane rundt Jorda i bare ett rakettrinn. Hvis det blir gitt klarsignal til å utvikle denne utgaven av HOTOL, tror man at den første oppskytingen vil finne sted i 2005. Britene varde første som bygde et jagerfly som kunne ta av vertikalt. Hvis HOTOL blir bygd, vil britene kanskje bli de første som lager en «rakett» som tar av horisontalt.

HOTOL, Storbritanias forslag til romfly.

Amerikansk romfly Amerikanerne hartilsvarende planer for et romfly. Dette har fått betegnelsen NASP etter National Aero-space Plane. En variant er også blitt kalt Orientekspressen fordi den antakelig vil kunne brukes somet langdistanse passasjerfly. Orientek­ spressen skal kunne oppnå en fart på rundt ti ganger lydfarten i den øvre atmosfæren, og da vil den ikke bruke stort mer enn én time fra Washing­ ton til Tokyo. Det har vært planer om å bygge en testmodell, kalt X-30, av det amerikanske romflyet innen utgangen av dette tiåret. Men planene er inntil videre utsatt. Amerikanske romingeniører arbeider også med en helt ny type gjenbrukbart romfartøy som har fått navnet Delta Clipper. Det består av bare ett trinn og skal starte vertikalt som en vanlig rakett, men det skal også lande vertikalt ved å bremse med rakettmotorene.

Det amerikanske romflyet X-30

44

Oppskytingssteder Et oppskytingssted for satellitter og andre romfartøyer må tilfredsstille visse krav til beliggenhet og sikkerhet. Etter oppskytingen faller de første rakettrinnene ned igjen, når de har gjort jobben sin. Det kan også skje uhell ved oppskytingen. Raketten kan enten eksplodere på bakken eller den kan falle brennende ned i nærheten. Stedet bør velges slik at rakettene eller deler av dem ikke skader mennesker eller eiendom når de faller ned. Derfor plasserer man de fleste oppskytingssteder på ubebodde områder og helst ved kysten. Oppskytingsstedene må også ha gode kommunikasjonsmuligheter, for eksempel for transport av rakettene. Spesielt for geostasjonære satellitter er det en fordel at oppskytingsstedet er så nær ekvator som mulig. Jo nærmere stedet er ekvator, desto større hjelp får raketten av jordrotasjonen når den skytes opp østover. Dette betyr for eksempel at en geostasjonær satellitt fra Kourou i Syd-Amerika (5° nord for ekvator) kan være ti prosent tyngre enn en tilsvarende satellitt som skytes opp fra Cape Canaveral (28° nord for ekvator). Satellitter som skal gå i polare baner, kan skytes opp lenger nord. Verdenskartet viser 14 oppskytingssteder for satellitter som skal være i bruk i dag.

Oppskytingesstedene på verdenskartet.

USA De første V-2-oppskytingene i USA ble foretatt i ørkenen i New Mexico. Etter 1950 er alle oppskytinger i USA foretatt ved kysten. USA har tre oppskytingssteder:

Vandenberg Air Force Base. California Wallops Flight Facility, Virginia Cape Canaveral, Florida

45

Vandenberg Air Force Base ligger i California ca 90 km vest for Santa Barbara. Denne baseji er for det meste brukt til militære formål, men også til sivile raketter som skal plassere nyttelaster i polare baner. Fra Vandenberg kan rakettene skytes opp sydover. Wallops Flight Facility i Virginia er en del av NASA Goddard Space Flight Center. Siden 1945 er det her skutt opp over 13 000 raketter, hvorav ca 20 med satellitter. Cape Canaveral er det geografiske navnet på halvøya der NASAs Kennedy Space Center og Cape Canaveral Air Force Station ligger. Cape Canaveral ligger på østkysten av Florida, og er USAs meste kjente oppskytingssted. Ulempen ved Florida som oppskytingssted er den store fuktigheten og de hyppige tropiske stormene. Fordelen ved Cape Canaveral er at stedet er relativt ubebodd og at det har gode kommunikasjonsmuligheter, både fra land og fra sjøen. Rakettene herfra skytes opp i retninger fra sydøst til nordøst. Alle amerikanske bemannede romfartøyer skytes opp fra Cape Canaveral.

En mindre rakett fra Wallops Flight Facility

Romfergen på vei til oppskytingsstedet.

Russland og Kasakhstan Det tidligere Sovjetunionen hadde tre oppskytingssteder for satellitter.

Tj uratam-kosmodromen Kapustin Jar-kosmodromen Plesetsk-kosmodromen

Kosmodrom er den russiske betegnelsen på et oppskytingssted for romfartøyer. Verdens første satellitt, Sputnik 1, ble skutt opp fra Tjuratamkosmodromen. Den ble tidligere kalt Baikonur, og ligger i et ørkenområde i Republikken Kasakhstan. Stedet har et ekstremt innenlandsklima. Det kan være 50 °C om sommeren og - 40 °C om vinteren. Det er herfra de bemannede romfartøyene er skutt opp.

46

Kapustin Jar-kosmodromen ligger ved byen Volgograd i Russland, ca 900 km sydøst for Moskva. Byen het Stalingrad inntil 1961. Selve kosmodromen ligger ved bredden av elven Volga. Dette er det eldste oppskytingsstedet i Russland. Stedet er blitt brukt siden 1947 til å teste militære mellomdistanseraketter. I 1957 trodde man i Vesten at Sputnik ble skutt opp herfra. I dag er denne kosmodromen lite brukt, det blir bare skutt opp et par raketter i året. Det nordligste oppskytingsstedet i Russland er Plesetskkosmodromen. Den ligger ved elven Severnaja Dvina, ca 175 km syd for byen Arkhangelsk. Det skal være et av verdens mest aktive oppskytingssteder, og samtidig et av de meste hemme­ lige pga militær aktivitet. Kosmodromen blir også brukt til å skyte opp satellitter i polare baner. For å slippe å være avhengig av Tjuratam-kosmodromen i Kasakhstan, har Russland planer om å fly tte oppskytingen av bemannede romfartøy er til Plesetsk. Men da må den bygges ut slik at den kan tilpasses større raketter.

Europa Det finnes foreløpig ingen oppskytingssteder for satellitter i Europa. På 1960-tallet hadde britene et oppskytingssted i Woomera i Australia. Basen ble brukt som et testsenter for militære raketter, men også som oppskytingssted for satellitter. To satellitter er skutt opp fra Woomera, den siste i 1971. Oppskytingsstedet ble nedlagt i 1976 og delvis gjenåpnet i 1987. Frankrike hadde på samme tid et oppskytingssted i Sahara-ørkenen i

Oppskytingsstedet for Arianerakettene i Kourou

47

Tjuratam-kosmodromen i Kasakhstan

Algerie. Fire satellitter er skutt opp fra Sahara. I 1967 ble dette oppskytingsstedet nedlagt, og Frankrike opprettet et nytt romfartssenter ved byen Kourou i Fransk Guyana i Syd-Amerika. Italia har et oppskytingssted på en plattform i havet utenfor Kenya. Plattformen heter San Marco og drives av Universitetet i Roma. Fra denne plattformen er det sendt opp små satellitter. Den europeiske romorganisasjonen ESA bruker nå det franske romfartssenteret i Fransk Guyana som oppskytingssted. Denne basen ligger 5° nord for ekvator og dessuten i et ubeboddområde ved Atlanterhavskysten. Herfra kan romfartøyer skytes opp i retninger fra nord til øst uten fare for at raketten skal falle ned og skade mennesker eller eiendom. Dette stedet er bedre sikret mot tropiske stormer enn Cape Canaveral.

Japan, Kina og India Japan Japan har to oppskytingssteder, som begge ligger helt syd i landet. Romsenteret Kagoshima er den viktigste basen. Herfra ble Japans første satellitt skutt opp i 1970. På en øy, bare 100 km lenger syd, ligger Japans andre oppskytingsbase Tanegashima. Her er det skutt opp satellitter i geostasjonærbane.

Kina Kina har tre oppskytingssteder for satellitter, et i ørkenområdene i nord, et i et fjellområde lenger syd i landet og et noe lenger øst. Det nordligste heter Jiuquan, det sydligste heter Xichang og det østligste heter Taijuan.

India India har ett oppskytingssted som blir kalt Sriharikota High Altitude Range (SHAR). Det ligger på øskysten ca 100 km nord for byen Madras.

Norge Andøya Rakettskytefelt Andøya Rakettskytefelt (ARS) ble bygd i 1962 og er det nordligste perma­ nente oppskytingsstedet for raketter til studier av den øvre atmosfæren. Til nå (april 1993) er det skutt opp 580 raketter fra ARS. Mange av bærerakettene er fra militære overskuddslagre, blant annet NIKE-raketter. De er atskillig billigere enn spesialbygde forskningsraketter. Foreløpig er det ikke skutt opp satellitter fra Andøya. Andøya Rakettskytefelt er en del av Norsk Romsenter og har 24 ansatte. Nærmeste tettsted er Andenes med rundt 4 000 innbyggere, hvorav en god del er knyttet til forsvaret. Her er dessuten Norges største NATO-flyplass. Andøya har karakterisktiske strandflater med store myrområder og bratte fjell opp til 700 meter over havet. Øya er ellers kjent for lundefugl, spermasetthval og sin geologi, med blant annet Norges yngste sedimentære bergarter. I dag kan det fra Andøya Rakettskytefelt skytes raketter på 3 tonn opp til en høyde på 1 000 km. De skytes opp i retninger som ligger innenfor en vinkel fra vest til nordvest og faller ned i Norskehavet. Der kan nyttelasten bli

48

Dobbeloppskyting av raketter i mørket fra Andøya Rakettskytefelt.

plukket opp av skip. Det blir brukt både flytende og fast drivstoff i rakettene. Det flytende drivstoffet består av parafin og flytende oksygen. Det faste drivstoffet består av nitroglyserol eller nitrocellulose. Det er planer for en utbygging av skytefeltet til et oppskytingssted for satellitter på opptil 250 kg i polare baner. Med en slik utbygging kan Norge få Europas første oppskytingssted for satellitter. På skytefeltet regner man med at første satellittoppskyting kan finne sted i 1996 - 1997. Det er nettopp bygd en ny kombinert montering- og klargjøringshall for

Andøya rakettskytefelt, sett fra «Mount Alomar».

49

raketter. Det er en avlang murbygning med solid fundament for oppskyting i den ene enden av bygningen. Her kan rakettene monteres innendørs i vanlig romtemperatur, og dessuten være godt beskyttet mot vær og vind. Før oppskytingen blir taket trukket til side og raketten kan reises opp i skyteklar stilling på 3 minutter. Disse manøvreringene foregår hydraulisk og fjernstyrt fra et kontrollrom et par hundre meter unna. Her er det mulig å skyte opp innti 1 20 tonns raketter og dessuten små satellitter til polare baner. Denne nye oppskytingsplattformen blir operativ i oktober 1993.

LIDAR På Andøya Rakettskytefelt finner vi også et LIDAR-observatorium. LIDAR er en forkortelse for Light Detection And Ranging og er et instrument som sender kraftige grønne laserpulser over 100 km opp i atmosfæren. Ved hjelp av et teleskop blir det spredte lyset i atmosfæren registrert og analysert. Med denne metoden kan man måle atmosfærens massetetthet i forskjellige høyder, temperatur, vindhastigheter og innholdet av forskjellige stoffer i atmosfæren. LIDAR-instrumentene tilhører Universitetet i Bonn og hittil har 10 tyskere utført den eksperimentelle delen av doktorgraden her.

ALOMAR Dette er en forkortelse for Artic LIDAR Observatory for Middle Atmospheric Research. Det er et prosjekt som skal bygges i samarbeid med Andøya Rakettskytefelt på en fjelltopp bak selve skytefeltet. Det eratmosfæreforskere fra Universitetene i Bonn og Oslo som har tatt initiativet til ALOMAR. Fjellet har alllerede fått klengenavnet Mount Alomar. Observatoriet vil bestå av fem eller seks LIDAR-instrumenter som kan operere samtidig. Ved å bruke ultrafiolett laserlys, kan man også måle innholdet av ozon i atmosfæren og dessuten i hvilken høyde ozonet befinner seg. Det er fremdeles manger ukjente forhold i den midlere og øvre atmosfæ­ ren, som ALOMAR kan bidra til å oppklare. Både norske og utenlandske universiteter og forskningsinstitusjoner har vist interesse for ALOMAR.

Tromsø Satellittstasjon Tromsø Satellittstasjonen er også en del av Norsk Romsenter. Stasjonen har 22 ansatte og er i drift døgnet rundt. Det er en nasjonal stasjon for nedlesing av data fra jordobservasjonssatellitter i polare baner, men har også oppdrag for den europeiske romorganisasjonen ESA. Stasjonen har verdens raskeste datamaskin for prosessering (behandling) av såkalte S AR-data fra ERS-1 -satellitten. S AR er en forkortelse for Syntetic Aperture Radar og eren spesiell bildedannende radar. Nedlesing, prosessering og distribusjon av radarbilder fra ERS-1 kan gjøres på under 30 minutter, eller i nær sann tid. Selve prosesseringen av en radarscene på 100 km x 100 km tar bare 8 minutter, og ingen maskin kan gjøre det raskere. Vi kommer tilbake til ERS-1 og SAR-instrumentet i heftet Jordobservasjon. Med flere satellitter i virksomhet vil Tromsø Satellittstasjon kunne overvåke blant annet Norges økonomiske sone, iskantens bevegelser og ulovlig oljesøl på havet. Oljesøl kan registreres fra satellitt ved hjelp av den utglattingseffekten oljen har på bølgemønsteret. Etter at satellitten har registrert oljesølet, blir Statens forurensingstilsyn alarmert. Disse kan da sende ut båt eller fly for å undersøke forholdene på stedet, og eventuelt hekte synderen.

50

Postkort som viser antennen ved Tromsø Satellittstasjon, og med frimerker fra ARS og TSS.

I dag leser satellittstasjonen ned data fra den europeiske satellitten ERS-1 og fra den japanske JERS-1. Det er bare disse to radarsatellittene som er i drift i dag. 11995 vil Canada sende opp Radarsat med et S AR-instrument om bord. Ved TSS kan man også bestemme posisjonen til nødpeilesendere ved hjelp av satellitter. Denne teknikken bygger på dopplereffekten. Satellitten måler nødpeilesenderens frekvens som funksjon av tiden (dopplerkurve). Når satellitten passerer over det stedet der signalene kommer fra. endres frekven­ sen. Tidspunktet for denne frekvensforsky vningen blir brukt til å bestemme posisjonen for nødpeilesenderen. Dette gir riktignok to mulige posisjoner som er symmetriske om satellittens baneprojeksjon (fotspor). En entydig posisjonsbestemmelsefårman ved å kombinere dopplerkurverfra to forskjel­ lige satellitter, ved å kombinere data fra én satellitt med kart over området og fornuftig gjetning eller ved å benytte to forskjellige omløp med ca 100 minutters mellomrom. TSS fanger opp signaler med nødpeilefrekvensen via satellitt. Alle fly er for eksempel utstyrt slik at hvis de utsettes for ekstra store akselerasjoner, så vil en bryter slå på nødpeilesenderen. Det skal normalt skje hvis flyet styrter, men det skjer også hvis flyet utsettes for en hard landing. Dermed bl ir det også fanget opp en del falske alarmer. Som en kuriositet kan det nevnes at Tromsø satellittstasjon ved en anledning kunne hjelpe politiet i København med å oppklare et innbrudd i et varelager med nødpeilesendere. En eller flere av senderene ble aktivisert under innbruddet, og posisjonen kunne bestemmes. Men dette var kanskje en noe utilsiktet nytteeffekt av romvirksomheten.

51

Modellraketter Byggesett

og sikrer at raketten lander uten skader. C Rakettkroppen. Hoveddel som

andre elementer festes til. D Lederør. Sikrer rakettens kurs. E Halefinne. Gir raketten stabil

flukt i luften. F Motor. En pappsylinder med

fast drivstoff.

Sammensetningen av en modellrakett

52

De rakettene og rakettmotorene som vi hittil har beskrevet, er enormt store og kraftige. De kan beskrives ved hjelp av tekst, bilder eller film, men å se hvordan de fungerer på nært hold, er forbe­ holdt bare noen få. Vi kan isteden bygge og skyte opp våre egne raketter. Modellrakettene er små og er lagd av papp, plast og den lette tresorten balsa, og de er utstyrt med sikre faststoffmotorer. De illustrerer godt prinsippene for de store rakettene. Noen av modell­ rakettene kan også bringe med seg nyttelast, for eksempel et kamera som kan ta oversiktsbilder over oppskytingsstedet fra opp til 600 meters høyde. Dette er en enkel form forjordobservasjon. De mest avanserte modellrakettene kan også ut­ styres med måleinstrumenter som nyttelast. Slike rakettbyggesett produseres bl a ved Estes Industries i USA. De kan fås i forskjellig vanske­ lighetsgrad, både som ett- og totrinnsraketter. I USA er dette en populær hobby både for ungdom og voksne og dessuten en del av undervisningen i romfartsfag. Disse rakettene faller ned i fallskjerm og kan derfor brukes flere ganger.

Oppskytingen av en modellrakett

Rakettmotorene inneholder eksplosivt stoff, men de er likevel trygge å arbeide med fordi det skal meget høy temperatur til for å avfyre raketten. Det nytter ikke med fyrstikker. Faststoffmotorene er lagd slik at de antennes elektrisk via en fem-seks meter lang ledning. Dessuten er de merket med opplysninger om skyvekraft og tiden som skyvekraften virker.

Faststoffmotorene til modellrakettene Koden på motorene består av én bokstav (A.B.C og D) og to tall. Bokstaven er et symbol for motorens impuls, dvs hvor «kraftig» den er. A er den minste motoren, D er den «kraftigste» motoren. Motorens impuls fordobles fra én bokstav til neste. Det første tallet betyr motorens gjennomsnittlige skyvekraft i ne wton. Det andre tallet betyr tiden i sekunder fra skyvekraften slutter å virke til den andre ladningen utløser fallskjermen.

Rakett­ motor

Impuls Ns

Masse drivstoff

g

A8-3 B4-2 B4-4

5,00

8,33 8,33

B6-2 B6-4

5,00 5,00

6,24 6,24

2,50 5,00

3,12

B8-5

5,00

6,24

C5-3 C6-3

10,00 10,00

12,70 12,48

C6-5 A8-5

10,00 2,50

12,48 3,12

B4-6 B6-6 C6-7

5,00

8,33 6,24

B6-0 C6-0 D12-3 D12-5 D12-7

D12-0

53

5,00 10,00 5,00 10,00 20,00

12,48 6,24 12,48 24,93

20,00

24,93

20,00 20,00

24,93 24,93

Sikkerhet ved bruk av modellraketter Oppskytingsstedet Modellrakettene kan bygges innendørs, men de skal skytes opp utendørs ! Til oppskytingene er det nødvendig med et stort og åpent område med god oversikt. Arealet bør minst være 150 m x 150 m. For de minste rakettene, med A-motorer, kan man greie seg med mindre areal, for eksempel 50 m x 50 m. Det bør ikke være tørt gress på oppskytingsstedet, det kan antennes av den brennende rakettmotoren. Oppskytingene må ikke foregå i nærheten av steder hvor det oppholder seg mange mennesker. De måheller ikke foregå i nærheten av høyspentledninger, bygninger eller flyplasser.

Drivstoffet I Norge er aldersgrensen 18 år for å bruke eksplosive stoffer. Denne aldersgrensen gjelder også motorene i modellrakettene. For dem som er under 18 år, må oppskytingen overvåkes av en voksen person. Modellrakettene bruker faststoffmotorer, hvor drivstoffet er en kruttblanding som er pakket inn i et papprør. Rakettmotorene er derfor både brann- og eksplosjonsfarlige. men ved riktig bruk regner vi dem allikevel som ufarlige. Riktig bruk betyr at sikkerhetsreglene blir fulgt. Prøv ikke å lage ditt eget drivstoff! Det har ivrige amatører gjort før, med vekslende hell. Du får aldri samme kontroll over sel vlagde drivstoffblandinger som originalmotorene. Med selvlagd drivstoff er det stor sannsynlighet for at raketten kan eksplodere på bakken, og skade personer i nærheten. Dødsulyk­ ker har også forekommet som følge av uvettig forsøk med eksplosive stoffer.

Sikkerhetsregler Tilrakettbyggesettene følger det som regel med informasjon fra produsenten, Estes Industries i USA. Der er det omtale av rakettypene, motorene og sikkerhetsreglene, på engelsk. Men mesteparten av denne informasjonen er oversatt til norsk og følger med byggesettene som kjøpes her i landet. Her er de viktigste sikkerhetsreglene for bruk av Estes modellraketter:

1 Bruk bare originale materialer som papp, plast og balsa i rakettene. Deler av rakettene må ikke erstattes av metaller. 2 Bruk bare originale rakettmotorer. De er éngangsmotorer, og må ikke åpnes etter bruk og fylles med annet drivstoff.

3 Rakettene skal utsyres med fallskjerm eller annen form for luftbremsing slik at de faller trygt tilbake til bakken uten å gjøre skade. Mellom motor og fallskjerm i raketten skal det brukes original brannhindrende tekstil (wadding).

4 Raketten med motor skal ikke ha større masse enn 1,5 kg ved oppskytingen, og motoren skal ikke inneholde mer enn 125 g drivstoff. Følg anbefalingene fra produsenten ved valg av motor.

54

5 Det er ikke tillatt å bruke dyr som nyttelast i rakettene. Det er heller ikke tillatt å bruke brannfarlige stoffer som nyttelast. 6 Oppskytingene skal foregå utendørs på åpent område, uten trær, kraft­ linjer eller bygninger. De må ikke foregå i nærheten av flyplasser. Sørg for at folk i nærheten er oppmerksomme på at det foregår oppskyting av raketter. Si tydelig fra når oppskytingen skal foregå, ved å telle ned de siste 5 sekundene.

7 Bruk original oppskytingsplattform og ledemast, slik at raketten blir styrt i riktig retning i starten. For å unngå å få spissen av masten i øyet under monteringen av raketten, skal sikkerhetshetten plasseres godt synlig på toppen av masten. 8 Rakettmotoren skal antennes elektrisk med originale tennsatser som følger med byggesettet. Til sikkerhetshetten er detfesteten sikkerhetsnøkkel som må brukes for at den elektriske tennemekanismen skal virke. Før og etter oppskytingen skal sikkerhetshetten være plassert på toppen av ledemasten. Da unngår man at raketten blir avfyrt ved et uhell. Ved oppskytingen skal tilskuere stå minst 10 meter fra raketten.

9 Når raketten er klar for oppskyting, må ingen nærme seg oppskytingsplattformen uten at sikkerhetsnøkkelen er tatt ut av fjernkontrollen eller at ledningene er frakoplet. Vent ett minutt med å undersøke raketten hvis motoren ikke vil tenne ved første forsøk. Fjern sikkerhetsnøkkelen før raketten undersøkes.

10 Rakettoppskytinger må ikke foretas når vindhastigheten er større enn 8 m/s, i tåke eller når skydekket er så lavt at man mister øyekontakt med raketten. 11 Rakettene kan skytes rett opp eller innenfor en vinkel på 30° fra vertikalretningen. De må aldri skytes horisontalt eller i retninger hvor de kan treffe gjenstander eller personer. 12 Hvis raketten blir hengende fast i en kraftledning eller et sted der det er farlig eller vanskelig å tak i den igjen, så la den være og kjøp heller en ny rakett.

Oppgaver til oppskytingen av modellrakettene a Foreslå en metode til å måle rakettens maksimale høyde. Bestem høyden når raketten skytes opp.

b Mål tiden raketten bruker på veien opp. Bruk dette til å vurdere hvilken betydning luftmotstanden har.

c Bruk tabellen over rakettmotorene til å beregne motorens spesifikke impuls. d Foreslå en metode til å beregne farten til raketten i det øyeblikket drivstoffet er brukt opp. Se bort fra luftmotstand.

55

Sammendrag Rakettpionerene Konstantin Tsiolkovskij (1857-1953), russisk realfaglærer. Robert Goddard (1882-1945), amerikansk fysikkprofessor. Wernher von Braun (1912-1977), tysk rakettingeniør. Sergej Koroljov (1907-1966), sovjetisk romfartsingeniør. Romkappløpet Sputnik 1 Vanguard Explorer 1 Gagarin Glenn Leonov White Apollo 11 Venera 9 Viking 1

Sovjetunionen USA USA Sovjetunionen USA Sovjetunionen USA USA Sovjetunionen USA

1957 1957 mislykket 1958 1961 1962 1965 1965 1969 1975 1976

Rakettprinsippet bygger på Newtons 3. lov. Forbrenningsgassene blir akselerert bakover av kraf­ ten K. Motkraften F er skyvekraften på raketten. Den er like stor og akselererer raketten framover. Skyvekraften på raketten er summen av alle trykkreftene mot innsiden og utsiden av forbren­ ningskammeret. Den kan uttrykkes ved strømmen m/t av forbrenningsgassene som har farten ve ut av motoren:

F = ~T~ t Ve Spesifikk impuls er forholdet mellom rakettmotorens skyvekraft og drivstofforbruket i newton per se­ kund. Det er også et uttrykk for farten ve til forbrenningsgassene ut av rakettmotoren. Enhet for spesifikk impuls er s.

Ft V I =---- = -ssp mg g

56

^Fartsendringen for en rakett med startmasse m og sluttmassem er gitt ved:

v - v=v In — ° 0 e m Flertrinnsraketter For å komme i bane rundt Jorda, må raketten oppnå en fart på 7,8 km/s. Med dagens teknologi må den bestå av flere trinn, som hver for seg gir raketten en fartsøkning. Sluttfarten blir summen av disse fartsøkningene.

Rakettdrivstoff De fleste kjemiske reaksjonene i forbrennings­ kammeret er oksidasjoner. Flytende: H og O2, bensin og O, eller etanol og O, Fast: AlogNH4ClO4 nitrocellulose, nitroglyserol Andre rakettmotorer Kjernefysiske motorer Elektriske motorer Fotonmotorer

Bæreraketter Amerikanske: Redstone, Atlas, Titan, Saturn Russiske: Sojus, Kosmos, Proton, Tsyklon, Zenit. Energia Europeiske: Ariane Oppskytingssteder USA: Cape Canaveral, Florida Vandenberg Air Force Base,California Wallops Flight Facility, Virginia SUS: Tjuratam-kosmodromen, Baikonor i Kasakhstan Kapustin Jar-kosmodromen, Volgograd i Russ­ land Plesetsk-kosmodromen, Arkhangelsk i Russland ESA: Kourou, Fransk Guyana

Oppgaver Innledning 1 a Foreslå argumenter mot romvirksomhet. b Foreslå argumenter for romvirksomhet. c Nevn noen praktiske anvendelser av romvirk­ somheten. d Foreslår argumenter for og i mot planene om å sende mennesker til Mars ? e Diskuter om det ville blitt noen satellitter eller mennesker i rommet uten rustningskappløpet mellom Sovjetunionen og USA ?

Bevegelse og kraft. Raketter og rakettmotorer 2 a 11903 fly amerikaneren Orville Wright for første gang 36,5 meter på 12 sekunder. Hva var gjennomsnittsfarten for flyet ? Gi svaret i m/s og km/h. b Samme dag fløy brødrene Orville og Wilbur Wright 260 m på 59 s. Hva var gjennom­ snittsfarten. Gi svaret i m/s og i km/h. Kommenter svarene i a og b

3 a For å slippe fri fra Jordas gravitasjonsfelt, trengs en fart på 11,2 km/s. Regn om denne farten til km/h. b Finn farten til Jorda i sin bane rundt Sola, både i m/s og i km/h. c Finn farten til Månen i sin bane rundt Jorda, både i m/s og i km/h. 4 a Romfergen har farten 26 500 km/h i bane rundt Jorda. Den bruker 60 minutter på å vende tilbake til Jorda. Like før den tar bakken er farten avtatt til 350 km/h. Finn romfergens gjennomsnittlige akselerasjon (i m/s2) under oppbremsingen i at­ mosfæren.

b Finn akselerasjonen på rullebanen hvis den bru­ ker 1,2 km for å stoppe. c Hvor lang tid bruker romfergen fra den tar bakken til den står stille ?

5 a Jules Verne foreslo å skyte mennesker til Månen i en metallkapsel fra en gigantisk kanon. For å få dette til, måtte farten ved kanonutløpet vært enda større enn unnslipningsfarten på 11,2 km/s. Hvorfor ? b I følge en tegning av kanonen i Jules Vernes bok, ser det ut som om selve kanonløpet kunne har vært 2,5 km langt. Vis at metallkapselen da måtte ha akselerasjonen 2,51 • 104 m/s2 for å oppnå farten 11,2 km/s ved kanonutløpet. c Hvordan ville det da gå med passasjerene ? d Den største akselerasjonen som mennesker kan tåle er kanskje 100 m/s2. Vis at kanonløpet måtte ha vært 627 km langt hvis akselerasjonen bare var 100 m/s2. e Vi vil sammenlikne akselerasjonen i b) med en kollisjon mellom en bil og en fjellvegg. Bilfører og passasjer beveger seg 1 m under kollisjonen. Vis at den farten bilen måtte ha for å få samme akselerasjon var 807 km/h. f Hva tror du ville skje med en metallkapsel som fikk farten 11,2 km/s ut fra kanonløpet ?

6 For å få en robåt til å bevege seg, skyver vi vannet bakover med årene. Arene skyver da båten fram­ over. Propellene på en båt skyver vannet bakover. Vannet skyver båten framover. Propellene på et fly skyver lufta bakover. Lufta skyver flyet framover, a Hvilken lov er beskrevet her ? b Hvordan lyder loven ? c Hva er det som skyver en bil framover ? d Hva er det som skyver et jetfly framover ? e Hva er det som skyver en rakett framover i luft?, i vakuum ? f Hvorfor virker rakettmotoren bedre i vakuum enn i luft ?

57

7 For å få en satellitt i bane rundt Jorda, må den minst oppnå en fart på 7,8 km/s fra jordoverflaten. For å komme helt fri fra Jordas gravitasjonsfelt, må den komme opp i en fart på 11 km/s. Den største farten et jetfly har oppnådd er i under­ kant av 1 km/s (3 529,56 km/h). Hvordan har vi da greid å sende raketter ut i rommet?

8 Den amerikanske rakettpioneren Robert Goddard irriterte både naboer og opinion med sine forsøk med rakettoppskytinger rundt 1930. Og i tillegg harselerte New York Times over hans teorier om å benytte raketter til Månen. Redaktøren skrev belæ­ rende at forbrenningsgassene fra rakettmotoren måtte ha noe å skyve fra på, og at Goddards raketter derfor ikke ville virke i verdensrommets vakuum. Hva var galt med redaktørens påstand ? 9 Sovjetunionen hadde planer om å markere 100årsdagen for Tsiolkovskijs fødsel, 17. september 1957, men ble 17 dager forsinket. Hvordan hadde de tenkt å markere dagen ?

10 Romsonden Viking 1 kom i bane rundt Mars 19. juli 1976, og en instrumentkapsel fra sonden landet på planeten dagen etter, 20. juli 1976. Dette var nøyak­ tig på 7-årsdagen foren annen begivenhet i romfartens historie. Hvilken ?

11 a Hvem var den første som hevdet at kunstige satellitter rundt Jorda var mulig ? b Hvem var den første som gjennomførte en rakettoppskyting med flytende drivstoff ? c Hvem var den første i Europa som gjorde forsøk med rakettoppskytinger med flytende drivstoff ? d Hvem var hovedingeniøren bak den første kun­ stige satellitten i bane rundt Jorda ? e Hvem var hovedingeniøren bak oppskytingen av Ex pl orer 1 ? f Hvem var det første mennesket i rommet ? g Hvem var den første astronauten i rommet ? h Hvem var den første astronauten i bane rundt Jorda ?

58

12 Når ble NASA opprettet og hvorfor ?

13 a På en måte kan vi si at «Sputniksjokket» ble en fordel for amerikansk romforskning. Hvordan vil du begrunne denne påstanden ? b Finn ut hva ordene Sputnik og satellitt betyr.

14 Skriv reaksjonslikningen for forbrenningsprosessen når etanol og flytende oksygen blir brukt som rakettdrivstoff.

15 Hvilken sammenheng er det mellom summen av alle trykkreftene på veggene i rakettmotorens forbrenningskammer og motorens skyvekraft ? 16 Temperaturen i forbrenningskammeret kan bli over 3 000 K, og det er nok til at materialene vil smelte. Hvordan blir veggene i forbrenningskammeret be­ skyttet mot den høye temperaturen ? 17 Vis at vi kan utlede uttrykket for skyvekraften på side 16 av Newtons 2. lov F = ma. 18 a Vis at spesifikk impuls kan skrives:

v / = — sp g der V er forbrenningsgassenes fart og g er tyngdeakselerasjonen. b Hvorfor er spesifikk impuls større i verdens­ rommets vakuum enn på jordoverflaten ? c Finn spesifikk impuls for en rakettmotor i bane rundt Jorda, når spesifikk impuls for samme rakettmotor på bakken er 300 s, og forholdet mellom tyngdeakselerasjonene på disse to stedene er 1,2

19 En rakettmotor skyter 150 kg forbrenningsgasser bakover hvert sekund og disse har farten 3 km/s. a Hva er skyvekraften på raketten ? b Hva er motorens spesifikke impuls ?

20 En satellitt har massen 1 050 kg og farten 8,0 km/ s i forhold til Jorda. Så skyter den i én porsjon 50 kg forbrenningsgasser bakover med farten 2,0 km/s i forhold til raketten. a Hva er farten til forbrenningsgassene i forhold til Jorda ? b Hva er endringen m - Am av rakettens masse ? c Hva var rakettens bevegelsesmengde før motoren ble avfyrt ? d Hva er bevegelsesmengden til de forbren­ ningsgassene som ble skutt ut ? e Loven om bevaring av bevegelsesmengden (3 Fy) sier: Den samlede bevegelsesmengde foret isolert system av legemer er konstant. Det betyr i dette tilfellet at bevegelsesmengden til raketten før motoren ble avfyrt er lik den samlede bevegelses­ mengde for forbrenningsgassene og raketten etter at motoren ble avfyrt. Bruk dette og finn den nye farten til raketten.

21 Vi skal gjenta resonnementet fra forrige oppgave, men med symboler istedenfor med tall: En satellitt med massen m - Am har farten v og skyter ut i én porsjon en masse på - Am av forbren­ ningsgasser bakover med farten V i forhold til raketten. Rakettens masse avtar da til m, og samti­ dig får den en fartsøkning lik Av. a Hva er farten til forbrenningsgassene i forhold til Jorda? b Bruk loven om bevaring av bevegelsesmengde og vis at rakettens fartsøkning blir:

22 Et romfartøy har massen 2 500 kg. Så avfyres rakettmotoren og den skyter i én porsjon 100 kg forbrenningsgasser bakover med farten 3,0 km/s i forhold til romfartøyet. Hvilken fartsøkning får raketten ?

23 Rakettmotoren i et romfartøy skyter i én porsjon ut 1/5 av romfartøyets masse med farten 2 km/s i forhold til raketten. Hvor stor fartsøkning får romfartøyet ?

*24 (3 MN) Rakettmotorene skyter ikke forbrenningsgassene bakover i porsjoner. Det foregår kontinuerlig. Det betyr at vi må gjøre om A‘ene i oppgave 21 til differensialsymboler:

dv=-v e m Integrer denne likningen fra v() til v på venstre side og fra mf) til m på høyre side og vis at:

v — v = v In 0 e m når vi regner ve som konstant. Bruk det ubestemte integralet:

f d/77 . _ — = h m+ C j m 25 a Vis at endringen av bevegelsesmengden for satel­ litten i oppgave 21 er:

mAv +Amve b Nå skal vi anta at satellittens rakettmotor arbei­ der i tyngdefeltet. Forklar at kraftstøtet på satel­ litten er:

- mg • At c Bruk impulsloven og vis at raketten får fartsøkningen:

. Am Av = - v------ gAt e m 26 En liten rakett har massen 2 500 kg og skal ta av fra bakken. Motoren avfyres og i løpet av det første sekundet har den skutt ut 100 kg forbrenningsgasser bakover med farten 3 km/s. Hva blir rakettens fartsøkning det første sekundet, når tyngdeakselerasjonen er konstant lik 9,8 m/s2 ?

*27 (3 MN) Vi skal gjenta resonnementet i oppgave 25 og er­ statte alle A‘ene i denne oppgaven med differensialsymboler:

dv= -v------- q dt em v

59

a

Vis at det ubestemte integralet blir:

v = - t/Jn/77 - gt+ C b

Vis at

C= vj+ vjnm, c

31 a I Apolloprogrammet var romfartøyene numme­ rert fra 1 til 17. Apollo 2 og 3 ble brukt på prøver som ikke ble omtalt i mediene. Hvilke av Apolloferdene brukte Saturn V som bærerakett? b Saturn V ble brukt én gang uten redningstårn. Når var det?

Sett dette inn i uttrykket i a) og vis at vi får:

v - 1/0 = ve I n — - gt m *28 Et romfartøy har massen 1 000 kg og beveger seg med konstant fart utenfor Jordas gravitasjonsfelt. Så avfyres rakettmotoren. Forbrenningsgassene får farten 2 km/s i forhold til romfartøyet, og i løpet av en viss tid er det brukt 50 kg drivstoff. a Hvor stor fartsøkning får romfartøyet ? b Hvor mye drivstoff ville gått med hvis romfartøy ets fart økte med 1 km/s ? *29 En rakett med startmassen 10 tonn inneholder 8 tonn med drivstoff. Drivstofforbruket under oppstignin­ gen er 160 kg/s og motorens spesifikke impuls er 400 s. Raketten starter med farten 0 og stiger loddrett opp. Vi ser bort fra luftmotstanden under oppskytingen, og vi setter tyngdeakselerasjonen konstant lik 9,8 m/s2. a Hvilken fart har forbrenningsgassene ? b Hvilken fart har raketten fått når drivstoffet er oppbrukt ? b Hvor høyt kommer raketten ? c Hvor stor er skyvekraften ?

Bæreraketter og opp­ skytingssteder 30 En geostasjonær satellitt som blir skutt opp fra Kourou, 5° nord for ekvator, kan være 10 % tyngre enn en tilsvarende satellitt som blir skutt opp fra Cape Canaveral som ligger 28° nord for a) Hva er forklaringen på dette ? b Hvor er Cape Canaveral ? c Hvor er Kourou ?

60

Andøya Rakettskytefelt og Tromsø Satellittstasjon 32 a Hva er en LIDAR ? b Hva er det man måler med en LIDAR ? c Hva er ALOMAR? 33 a Hvilken funksjon har Tromsø Satellittstasjon ? b Hvilket prinsipp bruker TSS til å bestemme posisjonen til en nødpeilesender ?

Modellraketter 34 a En rakettmotor for en modellrakett har betegnel­ sen D12-3. Hva er rakettmotorens gjennomsnitt­ lige skyvekraft ? b Hvor lang tid tar det fra skyvekraften slutter å virke til fallskjermen blir utløst ? c En motor med betegnelsen A8-3 haren impuls på 2,50 Ns. Hvor stor impuls har da en motor med betegnelsen Dl2-3 ?

35 a Hvorfor må man ikke lage drivstoffet til modellrakettene selv ? b Hvorfor må ikke deler av modellraketten erstattes med metall ? c Hvorfor er det en øvre grense for tyngden av modellraketten? d Hvorfor skal sikkerhetshetten alltid være festet til ledemasten, bortsett fra ved selve oppskytin­ gen ? e Hvor lenge skal du vente med å undersøke modellraketten ved eventuell feiltenning ? f Hvor skal du ikke skyte opp raketter ? g Hva er hensikten med den brannhindrende teksti­ len mellom motor og fallskjerm ?

Indeks Akselerasjon 24 Aldrin, Edwin 8 ALOMAR 50 Aluminium 32 Amerikanske raketter 36 Ammoniumperklorat 33 Andøya Rakettskytefelt 48 Apollo 21 Ariane 41, 42 Armstrong, Neil 8 Astronauter 20 Atlas 36 Aurora-7 20 Baikonur 46 Bevegelse og kraft 23 Bevegelseslikningene 24 Bevegelsesmengde 26 Blandingsdrivstoff 33 Braun, Wernher von 15, 36 Bæreraketter 36

Cape Canaveral 46, 46 Carpenter, M S 20 Chang Zheng 42 Delta Clipper 44 Dinitrogentetroksid 30

Elektriske motorer 34 Energia 39, 40 ERS-1 50 ESA 50 Europa 41 Europeiske raketter 41 Explorer 1 16, 18 Fart 23 Faststoffmotorer 32 Flertrinnsraketter 29 Fluor 30 Flytende drivstoff 30 Forbrenningsgasser 27 Forbrenningskammer 27 Forbrenningsreaksjoner 27 Fotonmotoren 34, 35 Friendship 7 20

Gagarin, Jurij 16 20 Gemini 21 Giotto 42 Glenn, John 20,21 Goddard Space Flight Center 46 Goddard, Robert 14, 15 Grisson. Virgil 20

HOTOL 44 Hunstville 36 Hydrazin 30

Impuls 26, 28 Impulsloven 26 Indiske raketter 42 Japanske raketter 42 JERS-1 51 Jiuquan 48 Juno 1 36 Jupiter C 36

Kagoshima 48 Kapustin Jar 46, 47 Kinesiske raketter 42 Kjernefysiske motorer 34 Koroljov, Sergej 16 Kosmonauter 20 Kosmos 40 Kourou 47 Kraftstøt 26 Laika 8, 19 Leonov, Aleksei 20 LIDAR 50 Luftmotstand 29 Luna 20

Magellan 22 Mariner 22 Mars 22 Mercury 21 Merkur 22 Meterbyrået 23 Militære satellitter 9 Modellraketter 51

61

Tsiolkovskij, Konstantin 14 Tsyklon 40

NASA 19 NASP 44 Newtons 3. lov 26 Newtons lover 25 Nikolajev, A G 20 Nitrocellulose 32 Nitroglyserol 32 NMR 11 Norsk Romsenter 48, 50 Nyttesatellitter 9 Nødpeilesendere 51

V-2-raketten 15, 16 Vandenberg Air Force Base 45 Vanguard 36 Venera 22 Venus 22 Verein fur Raumschiffahrt 15 Viking 22 Voskhod 20 Vostok 20 Voyager 37

Oppskytingssteder 53

Wadding 54 Wallops Flight Facility 45 White, Edward 21

Peenemiinde 15, 16 Plesetsk 46 Posisjonsbestemmelse 51 Proton 40

X-30 44 Xichang 48

Rakettdrivstoff 30 Rakettmotorer 27 Rakettpionerene 14 Rakettprinsippet 14 Redstone 36 Romfergen 33 Romfly 43 Romforskning 9 Romkappløpet 18 Russiske raketter 39

Zenit 40

Fasit til regneoppgavene

Salpetersyre 30 SAR 50 Satellitt 14 Saturn 1 B 37 Saturn V 38 Schirra, WM 20 Shepard, Alan 10, 21 SI 23 Sigma7 20 Skylab 21,38 Skyvekraft 27 Sojus 39 Spesifikk impuls 28 SPOT 42 Sputnik 8, 17 Sputniksjokket 19 SSTO 43 Suborbital bane 20, 21 Surveyor 21 Taijuan 48 Tanegashima 48 Titan 37 Titov, Gherman 20 Tjuratam 46 Tromsø Satellittstasjon 50

62

2

a b

3,0 m/s 11 km/h 4,4 m/s 16 km/h

3

a b c

40 320 km/h 29 900 m/s 107 600 km/h 1 022 m/s 3 679 km/h

4

a b c

2.0 m/s2 - 3,9 m/s2 25 s

18

c

360 s

19

a b

450 kN 306 s

20

a b c d e

6,0 km/s - 50 kg 8,4 106kgm/s 3.0 105kgm/s 8,1 km/s

22

125 m/s

23

0,5 km/s

26

115 m/s

28

a b

103 m/s 393 kg

29

a b c d

3 920 m/s 385 m/s 17,2 km 627 kN