Kantoraketti

Kantoraketti on raketti, jolla laukaistaan hyötykuorma Maan pinnalta avaruuteen, tavallisesti vähintään kiertoradalle. Tyypillisiä hyötykuormia ovat satelliitit, luotaimet ja miehitetyt avaruusalukset. Kantorakettia käytetään vain laukaisun aikana, jonka jälkeen se irrotetaan hyötykuormasta.

Karkeistaen kantoraketti koostuu ajoainesäiliöistä, joiden nokassa on hyötykuorma ja perässä rakettimoottorit.

Avaruuslentojen alusta alkaen kantoraketit ovat olleet kertakäyttöisiä, mutta 2010-luvulla uudelleenkäytettävät kantoraketit tulivat voimakkaan kehityksen kohteeksi. Pisimmällä näistä on Falcon 9, joka oli 2020-luvulle tultaessa jo laajassa käytössä. SpaceX on tällä hetkellä ainoa yhtiö, joka tarjoaa monikäyttöisillä Falcon-perheen eri versioilla kaupallisia lentoja. Hyötykäytössä on kuitenkin edelleen laajasti myös kertakäyttöisiä raketteja.

Valtaosa kantoraketeilla avaruuteen lähetettävistä lasteista on miehittämättömiä satelliitteja. Miehitettyjen avaruusalusten laukaisemiseen käytetään vain varmatoimisiksi rakennettuja kantoraketteja. Uudelleenkäytettävällä kantoraketilla (Falcon+Dragon) tehtiin menestyksellinen miehitetty (testi)lento kansainväliselle avaruusasemalle 30.5.2020. Luotainraketit voidaan myös osin käyttää uudelleen, mutta ne ovat paljon pienempiä raketteja kuin kantoraketit.

Rakettiyhtälö 
Tsiolkovskin lain mukaan yksinkertainen raketti saa loppunopeuden

,

missä m on raketin massa ilman ajoainetta (polttoainetta ja hapetinta), mp ajoaineen massa ja vp palamiskaasujen purkautumisnopeus. Suhde

on raketin massasuhde, ja kehittyneimmissä raketeissa se on luokkaa 4–5. Osoittaja on laukaisumassa ja nimittäjä loppumassa. Käytettäessä vetyä polttoaineena on Vp tyypillisesti noin 4 km/s.

Monivaiheisuus 
Kun pakonopeus maan pinnalta avaruuteen on noin 11 km/s, ei sitä yksivaiheisella raketilla hevin saavuteta. Tämän vuoksi kantoraketteina käytetäänkin monivaiheraketteja, jotka koostuvat useammasta erillisestä mutta toisiinsa kytketystä vaiheittain käytettävästä raketista eli vaiheesta. Kun avaruusalus laukaistaan, aluksi käytetään vain ensimmäisen vaiheen ajoainetta. Kun se on palanut loppuun, voidaan ensimmäinen vaihe säiliöineen ja moottoreineen irrottaa kyydistä, jolloin päästää eroon suuresta kuolleesta massasta. Näin jatketaan, kunnes viimeisenkin vaiheen polttoaine on käytetty. Tällä tavalla saadaan raketti, jonka massasuhde on yksittäisten rakettien eli vaiheiden massasuhteiden tulo.

Lisäksi monivaiheisuus mahdollistaa optimoinnin ympäristön mukaan. Ensimmäinen vaihe lentää suurelta osin ilmakehässä, kun taas ylemmät vaiheet toimivat isolta osin jo tyhjiössä. Tämä vaikuttaa etenkin rakettimoottorin paisuntasuuttimen muotoon ja kokoon.

Kertakäyttöisissä kantoraketeissa käytetään tavallisesti useampia kertakäyttöisiä rakettivaiheita. Kantoraketissa voi olla jopa viisi tai useampia rakettivaiheita, mutta tyypillisesti niissä on korkeintaan 3–4 rakettivaihetta. Uudemmissa, Falcon 9:n kaltaisissa kantoraketeissa on vain kaksi vaihetta. Ballistisista ydinohjuksista muunnetuissa kantoraketeissa on tyypillisesti kaksi rakettivaihetta. Varsinaisten rakettivaiheiden lisäksi joissakin raketeissa käytetään tarpeen mukaan raketin kylkeen kiinnitettäviä booster-raketteja, joita käytetään rinnan pääraketin kanssa. Boosterit pudotetaan kyydistä ensimmäisenä. Varsinkin boostereita käyttävistä kantoraketeista voidaan kasata tarpeen mukaan lukuisia erilaisia laukaisuvariantteja. Avaruussukkula oli omanlaisensa laukaisukonfiguraatio: siinä oli ikään kuin yksi vaihe, itse sukkula, sekä kaksi booster-rakettia. Monivaiheisuuden virkaa toimitti irrotettava ajoainesäiliö, jossa itsessään ei ollut moottoreita vaan siitä syötettiin sukkulan moottoreita.

Avaruuslentokone vai kantoraketti
Avaruusaikaa suunniteltaessa 1920–1950-luvuilla kaavailtiin lähinnä miehitettyjä avaruuslentokoneita. Tämä johtui osin ohjauselektroniikan puutteista, joiden takia avaruusraketin lentäjä nähtiin välttämättömäksi. Miehittämätön kantoraketti kehittyi V-2-ohjuksen kehitystyön pohjalta nopeasti. Satelliittien ja ihmisten laukaisuissa avaruuteen käytettiinkin miehittämättömiä kantoraketteja.

Teoriassa uudelleenkäytettävän avaruuslentokoneen tai kantoraketin etuna olisi lentokoneilmailuun verrattava kustannussäästö, mutta käytännössä tämä säästö ei ole osittainkaan realisoitunut. Avaruussukkula-järjestelmä oli uudelleenkäytettävä sen ulkoista ajoainetankkia lukuun ottamatta. Käytännössä vaati kuitenkin hyvin paljon työtä saada alus uudelleen laukaisukuntoon. Avaruudessa käyneitä uudelleenkäytettäviä avaruuslentokoneita ovat amerikkalaiset X-15 (vuosina 1959–1968) ja SpaceShipOne (2004), mutta ovat alikiertorata-sarjassa, kuten myös kapseli-rakenteinen New Shepard (2015). Falcon 9:n ensimmäinen vaihe käy laukaisun aikana yli avaruuden rajana pidettävän 100 kilometrin ja palaa takaisin toisen vaiheen jatkaessa kiertoradalle.

Kantoraketteja

Nykyisin käytössä olevat kantoraketit 

 Ariane 5, kehittäjä: Euroopan avaruusjärjestö (European Space Agency, ESA, valmistaja ja myynti: Arianespace (kaupallinen käyttö ja ESAn suurten avaruusalusten laukaisija)
 Atlas V, Yhdysvallat
 Delta-rakettiperhe – Yhdysvallat (Boeing)
 Delta II, Yhdysvallat (NASAn käyttämä kantoraketti)
 Delta IV, Yhdysvallat (vain sotilaskäytössä)
 Delta IV Heavy, Yhdysvallat (vain sotilaskäytössä)
 Dnepr, Ukrainan avaruusjärjestö
 Falcon 1, Yhdysvallat, yksityinen (ei laukaisuja sitten vuoden 2009)
 Falcon 9, Yhdysvallat, yksityinen
 GSLV, ISRO
 H-II, Japanin avaruusjärjestö JAXA (kaupallista käyttöä)
 Kosmos-3M, Venäjä
 M-V, Japanin avaruusjärjestö JAXA (vain tiedeluotainten laukaisuun)
 Minotaur, Orbital Sciences Corporation
 Molnija, Venäjä
 NI, Japanin avaruusjärjestö JAXA
 Pegasus, Orbital Sciences Corporation, Yhdysvallat (kaupallinen käyttö)
 Pitkä Marssi, Kiinan avaruushallinto, Kiinan kansantasavalta
 Polar Satellite Launch Vehicle, Intian avaruusjärjestö (ISRO (kansallinen käyttö muutamin poikkeuksin))
 Proton, Venäjä
 Rokot, Venäjä
 Štil, Venäjä
 Sojuz, Venäjän avaruusjärjestö
 Taurus, Yhdysvallat
 Titan IV, Yhdysvallat
 Tsyklon, Ukrainan avaruusjärjestö (kirjoitetaan myös Tsiklon). 70 % raketin osista on venäläistä alkuperää.
 Unha, Korean demokraattinen tasavalta
 Zenit, Ukraina, Sea Launch (Ukraina, Venäjä, Yhdysvallat – kaupallinen)

Kehitteillä olevia kantoraketteja
 Angara, Venäjä
 Ares I, NASA
 Ares V, NASA
 Falcon 9 Heavy, Yhdysvallat, yksityinen
 Tsyklon 4, Ukraina
 Vega – ESA, moottoreita testattu vuodesta 2006 alkaen, koelento vuonna 2011 tai 2012
 VLS-1, Brasilian avaruusjärjestö

Käytöstä poistettuja 
Ariane 1, ESA
Ariane 2, ESA
Ariane 3, ESA
Ariane 4, ESA
Atlas, Yhdysvallat
Atlas II, Yhdysvallat
Delta III, Yhdysvallat
Diamant, Ranskan avaruusjärjestö CNES
Energija, Neuvostoliitto/Venäjän avaruusjärjestö
Europa, ELDO
Little Joe II, NASA
N1, Neuvostoliitto, kuuraketin kehitystyö
OTRAGin rakettikehitystyö, Saksan liittotasavalta (1975-1983)
Paektusan, Korean demokraattinen tasavalta (1990-luku)
R-7, Neuvostoliitto
Saturn I, NASA
Saturn IB, NASA
Saturn V, NASA
Starchaser 4 – raketti (?)
Thor, Yhdysvallat
Titan I, Yhdysvallat
Titan II, Yhdysvallat
Titan III, Yhdysvallat
Tsyklon, Neuvostoliitto
Tsyklon 2, Neuvostoliitto, Venäjä, Ukraina
Tsyklon 3, Neuvostoliitto, Venäjä, Ukraina

Kantorakettien valmistajia

Länsimaiden rakettiteollisuuden vaikeudet avoimessa taloudessa
Kantorakettiteollisuus syntyi 1950-luvulla ballistisia ohjuksia valmistamasta teollisuudesta, siksi raketteja oli pitkään vain Yhdysvalloilla ja Neuvostoliitolla. Muutkin toimijat (Eurooppa, Intia, Kiina, Ukraina) kehittivät omat kantorakettinsa ohjuksista. Myöhemmät toimijat – esim. Brasilia, Etelä-Korea – ovat lähinnä ostaneet teknologia Venäjältä.

Teollisuus toimi kullakin talousalueella kylmän sodan loppuun asti suojeltuna. 1990-luvun alusta lähtien Venäjä, Kiina ja pienemmässä määrin Intia ovat alkaneet viedä laukaisupalveluita, jonka jälkeen Yhdysvaltain rakettiteollisuus on keskittynyt palvelemaan vain kansallista NASAn ja puolustusministeriön luomaa markkinaa.

Länsi-Euroopan Arianespace
Arianespace on jäänyt puun ja kuoren väliin. Vuonna 2010 Länsi-Euroopan Arianespace-yhtiö ajautui niin pahoihin talousvaikeuksiin Ariane 5 -kantorakettinsa myynnin ja tuotantokustannusten kanssa, että yhtiö vaatii 100 miljoonaa euroa vuodessa subventioita Euroopan avaruusjärjestöltä – tämä tuki korvaisi suuremman juuri päättyneen monivuotuisen tuen. Kevättalvella Euroopan avaruusjärjestö (European Space Agency, ESA) hyväksyi Arianelle 120 M€/vuosi tuen kahdeksi vuodeksi ja Ranska on panostamassa muutama sata miljoonaa euroa Ariane 5:n seuraajan kehittämiseen. Kesällä 2011 Arianespace alkoi avoimesti mainostaa Ranskan vientiluottoyhtiön Cofacen matalakorkoisten luottojen käyttöä rakettilaukaisujen ostossa, inflaation kiihtyessä matala korko yhdistettynä pitkään maksuaikaan tuo ostajalle alennuksen hinnassa.

Yhdysvaltain kantorakettimarkkinat
Yhdysvaltain 1990-luvulla kylmän sodan lopun aseteollisuuden laman korjauksena kehitetty EEVL, kehittynyt kertakäyttöinen suuri kantoraketti, eli käytännössä ULA-konsortion (Boing ja Lockheed-Martin) Atlas V ja Delta IV -kantoraketit on myös huonossa taloustilanteessa vaikka näitä raketteja ei lainkaan myydä vapailla markkinoilla eli eivät kohtaa kilpailua. Atlas V kantorakettilaukaisun hinta vuosina 1999–2010 oli 100–125 miljoonaa dollaria, mutta syyskuussa 2010 sopimushinta on ollut jopa 334 miljoonaa dollaria. ULA-konsortion myymien rakettien hinta on noussut jopa 50 % neljässä vuodessa, mikä kertoo yritysten tulojen tarpeesta avaruusalus- ja rakettihankkeiden lukumäärän vähetessä mm. avaruussukkulan käytöstä poistumisen vuoksi.

ULA-yhtiö on ehdottanut 5-vuotisen rakettitoimitussopimuksen Yhdysvaltain puolustusministeriön kanssa hinnan nostoa kuudesta miljardista dollarista kymmeneen miljardiin dollariin. NASAlta on – kautena, jolloin Barack Obaman hallinto pyrkii vähentämään valtiovelan kasvun kiihtymistä – vaadittu suuren kantoraketin kehittämistä, mutta NASAn budjetin hyväksymisen epäonnistuttua lokakuussa 2010, jolloin uusi fiskaalivuosi alkoi, rahoituksen löytyminen on hyvin epätodennäköistä. Maaliskuussa 2011 NASAn pääjohtaja kielsi NASAa aloittamasta raskaan HLLV-kantoraketin kehittämistä, jota Yhdysvaltain kongressi oli budjettilakeja säätäessään vaatinut, tämä raketti on saanut pilkkanimen "Congressionally Designed Rocket". Ne kongressin edustajat, jotka pyrkivät estämään Obaman hallitusta puuttumasta G. W. Bushin hallinnon Constellation-ohjelmaan ja siihen liittyviin rakettiohjelmiin, ovat pääsääntöisesti republikaaneja.. Tästä voisi päätellä republikaanien pyrkivän käynnistämään NASAn kuuohjelman uudestaan, jos valta siirtyy heille seuraavissa presidentinvaaleissa. 

NASAn rahoituksen ja rahoituksen kohdistaminen on viimeisen vuoden aikana joutunut kovemman poliittisen kädenväännön kohteeksi kuin koskaan NASAn historiassa. Boeing ilmoitti 800 työntekijän lomauttamisesta rakettitehtaallaan sen jälkeen kun Obaman hallinto viestitti, ettei kongressin painostukseen alistuta NASAn ohjelmavalinnoissa. Huhtikuun alussa 2011 ilmeni, että NASA on lain velvoittamana pakotettu tekemään 500 miljoonan dollarin julkisen sektorin panostus ULA-yhtiön eläkekassaan, jota yksityinen sektori eli kyseinen yhtiö ei ole rahoittanut sääntöjen mukaisesti. Muuten ULAn 11 000 nykyistä ja tulevaa eläkeläistä jäävät ilman työeläkettään. Toukokuussa ULA-rakettikonsortio ilmaisi irtisanovansa noin 2 900 työntekijää elokuuhun 2011 mennessä.

Yhdysvaltain 2000-luvulla ainakin nimellisesti yksityisesti kehitetyt pienemmät kantoraketit ovat jo tuotekehityksen aikana voittaneet NASAlta suuria rakettilaukaisu-urakoita. Rakettien luotettavuus määrittää näiden yhtiöiden taloustilanteen 2010-luvun alkupuolella.

Venäjän rakettiteollisuuden 2000-luku
Maaliskuussa 2011 julkisuuteen nostettiin tarina, jossa venäläiset ovat voittaneet laukaisukilpailun Protonille Venäjän vientitakuulaitoksen Eximbankin tuella Hughesille, joka vuotta hankki Arianespacen laukaisun toiselle satelliitilleen Ranskan vientitukiorganisaation Cofacen tuella. Tämänkaltaisesta suuryhtiöiden nauttimasta valtionavusta on viime aikoina julkisissa lausunnoissa ainakin eräissä länsimaissa haluttu eroon. Avaruusalalla tuki usein kohdistuu samalla myös aseteollisuuden pienimpään haaraan.

Keväällä 2011 myös Venäjän rakettiteollisuus on julkisesti väittänyt tehneensä myyntihintaan nähden 50 % tappiota, kun se myi 2000-luvulla RD-180-rakettimoottoreita Yhdysvaltoihin. Viesti kuulostaa teollisuuden halulta nostaa hintoja katteidensa nostamiseksi.

Yhdysvallat kehittää kiinteäajoainerakettia
Kesällä 2011 Yhdysvaltain kongressi oli päättämässä Yhdysvaltain ilmavoimien avaruusohjelmien kustannusten kasvun vähentämisestä vähentämää GPS:n rahoitusta, kieltämällä useamman tietoliikennesatelliitin tilaukset kerrallaan ja vähentämällä rahoitusta kantorakettien ostoon.

Elokuussa 2011 Utahin osavaltion poliitikot ja rakettimoottoriteollisuus kautta Yhdysvaltojen on alkanut voimakkaan lobbauksen kiinteäajoainerakettien kehittämiseksi. Ballististen ohjusten tuotannon päättyminen, uusien kantorakettien entistä harvempi kehittäminen ja jopa ilmatorjuntaohjusten vähäisempi kysyntä on luonut alalle ylikapasiteettia, mikä merkitsee tuotantolinjojen ja suunnittelutoimistojen hiipumista. Euroopassa Vega-kantoraketti on toiminut alaa elvyttävänä tekijänä, mutta Yhdysvaltojen rakettiteollisuuden koko vaatisi isompia korjaustoimia, joita on vaikea toteuttaa ajankohtana, jolloin valtion kulubudjetteja tulisi leikata kansantalouden tilan vuoksi.

Kiinteäajoaineen mahdolliset ympäristövahingot
Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto varoitti vuonna 2011, että kiinteäajoainerakettimoottoreista tulee rakettilaukaisuissa ja ajoaineen tuotannon aikana Yhdysvaltain vesistöihin ja sitä kautta eläimiin sekä ihmisiin liikaa perkloraattia. Aine on karsinogeeninen ja aiheuttaa kilpirauhasvaurioita.

Katso myös

 Avaruuslentokone
 Ajoaine
 Ohjus

Lähteet

Aiheesta muualla
 Raketteja

Kantoraketit
Seulonnan keskeiset artikkelit