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 ja Dragon) tehtiin menestyksellinen miehitetty (testi)lento kansainväliselle avaruusasemalle 30. toukokuuta 2020. Luotainraketit voidaan myös osin käyttää uudelleen, mutta ne ovat paljon pienempiä raketteja kuin kantoraketit.
Rakettiyhtälö.
Tsiolkovskin lain mukaan yksinkertainen raketti saa loppunopeuden
formula_1,
missä "m" on raketin massa ilman ajoainetta (polttoainetta ja hapetinta), "m""p" ajoaineen massa ja "v""p" palamiskaasujen purkautumisnopeus. Suhde
formula_2
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 päästään 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.
Länsimaiden rakettiteollisuuden vaikeudet avoimessa taloudessa.
Kantorakettiteollisuus syntyi 1950-luvulla ballistisia ohjuksia valmistavasta teollisuudesta, siksi raketteja oli pitkään vain Yhdysvalloilla ja Neuvostoliitolla. Muutkin toimijat (Eurooppa, Intia, Kiina, Ukraina) kehittivät omat kantorakettinsa ohjuksista. Myöhemmät toimijat – esimerkiksi 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 (European Space Agency, ESA) – tämä tuki korvaisi suuremman juuri päättyneen monivuotuisen tuen. Kevättalvella Euroopan avaruusjärjestö hyväksyi Arianelle 120 miljoonaa euroa/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 (Boeing 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 oli 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 muun muassa avaruussukkulan käytöstä poistumisen vuoksi.
ULA-yhtiö on ehdottanut viisivuotisen rakettitoimitussopimuksen Yhdysvaltain puolustusministeriön kanssa hinnan nostoa kuudesta miljardista dollarista kymmeneen miljardiin dollariin. NASAlta on – kautena, jolloin Barack Obaman hallinto pyrki vähentämään valtiovelan kasvun kiihtymistä – vaadittu suuren kantoraketin kehittämistä, mutta NASAn budjetin hyväksymisen epäonnistuttua lokakuussa 2010, jolloin uusi fiskaalivuosi alkoi, oli rahoituksen löytyminen 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, olivat pääsääntöisesti republikaaneja. Tästä voisi voinut päätellä republikaanien pyrkineen käynnistämään NASAn kuuohjelman uudestaan, jos valta olisi siirtynyt heille seuraavissa presidentinvaaleissa. 
NASAn rahoituksen ja rahoituksen kohdistaminen on 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 ULA:n 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 julkisissa lausunnoissa ainakin eräissä länsimaissa haluttu eroon. Avaruusalalla tuki usein kohdistuu samalla myös aseteollisuuden pienimpään haaraan.
Keväällä 2011 myös Venäjän rakettiteollisuus väitti julkisesti tehneensä myyntihintaan nähden 50 % tappiota, kun se myi 2000-luvulla RD-180-rakettimoottoreita Yhdysvaltoihin. Viesti kuulosti 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 alkoi 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.