Der er enorme kræfter på spil i en raket

Det kræver enorme kræfter at nå i kredsløb om Jorden. Raketter er indtil videre vores eneste mulighed. Alle raketter udnytter samme princip – lige fra nytårsraketter til rummissionernes løfteraketter. En kemisk reaktion producerer gasser, der først udvider sig med stor fart og derefter presses ud af rakettens dyse. Det skubber raketten i den modsatte retning, og raketten bevæger sig fremad.

Raketter blev først udviklet til militære formål

De første raketter kan spores tilbage til omkring år 1200, hvor kineserne brugte dem til både fyrværkeri og krigsførelse. Men det var først i midten af 1900-tallet, at raketter kunne bygges så store, at de kan bruges til rummissioner.

Derfor er moderne raketter mere effektive

Derfor er det farligt at opsende raketter

Raketter under 2. Verdenskrig

Under 2. Verdenskrig udviklede Tyskland de første effektive raketter til krig. Her stod den tyske raketforsker, Wernher von Braun, i spidsen for udviklingen af en ny type raket, V-2 raketten. Tidligere var raketter fyldt med fast brændstof, som ikke var så effektivt. Men som noget nyt var V-2 raketterne fyldt med flydende brændstof. Prototypen for V-2 fløj første gang i 1942, og i efteråret 1944 blev V-2 raketterne første gang brugt som våben og sendt af sted mod blandt andet London, hvor de på splitsekunder kunne jævne en boligblok med jorden.

Raketter som våben førte til rumraketter

De allierede lande, som blev ledet af Storbritannien, Sovjetunionen og USA, fandt hurtigt ud af, at disse raketter var effektive. Efter krigen overtog USA en del af de tyske raketter. Wernher von Braun og hans stab af raketspecialister overgav sig til USA, hvor de blev en del af USA’s program for videreudvikling af raketter. Her skabte den kolde krig mellem USA og det daværende Sovjetunionen et kapløb, som førte til udviklingen af den type rumraketter, vi kender i dag. I begge lande var militæret interesseret i at kunne fremføre sprænghoveder med raketter - og eventuelt placere atomvåben i rummet.

USA var primært interesseret i spionsatellitter til at overvåge, hvad der foregik i Sovjetunionen. Og Sovjetunionen havde dårlige bombefly end USA, og derfor var de interesserede i raketter, der kunne sende atombomber til USA.

I oktober 1957 lykkedes det for Sovjetunionen at sende verdens første satellit, Sputnik 1, i kredsløb om Jorden.

Kapløb mellem Sovjet og USA

Da det daværende Sovjetunionen blev de første i rummet med Sputnik, satte USA alle kræfter ind på udviklingen af en amerikansk rumraket, der byggede på de eksisterende militære raketter. Den første amerikanske satellit, Explorer 1, blev sendt i kredsløb i januar 1958.

Amerikanerne kom først til Månen

Det næste store skridt i udviklingen af rumteknologien blev taget med Apollo-programmet i 1960'erne. NASA udviklede de kæmpemæssige Saturn V raketter, som skulle løfte de første mennesker til Månen. Det lykkedes i juli 1969, hvor Apollo 11 missionen bragte amerikanerne foran i rumkapløbet ved at lande det første menneske på Månen.

Moderne raketter

Rumsonder og satellitter bliver sendt op af raketter. Der er forskellige typer af raketter, afhængigt at hvor stor lasten er. Og i 2017 kom firmaet SpaceX med en helt ny type raket, som kan lande på Jorden igen. Tidligere styrtede raketterne altid ned, når rumsonder og satellitter var koblet af og sendt videre ud i rummet – bortset fra rumfærgerne, som var et delvist genanvendeligt system. Nu har man begge typer, hvilket kan gøre rumfart og opsendelse af for eksempel satellitter billigere. (Video: ESA-David Ducros).

Balloner og raketter har noget til fælles

En raket er i sin grundform et instrument, som kan smide noget masse bagud, og på den måde udnytte Newtons 3. lov, der siger at aktion er lig reaktion. Det vil sige, for hver aktion er der en lige så stor og modsat rettet reaktion. I princippet er det også det, der sker, når man slipper luften ud af en oppustet ballon.

Tryk kommer fra molekyler

Når du står på Jordens overflade, er du omgivet af en atmosfære, og selv om den er tynd, og du ikke kan se luften, som du f.eks. kan se vand, vejer den alligevel noget. Den består nemlig af molekyler. De luftmolekyler, som er ovenpå dig, trykker ned på din krop med deres samlede vægt. Det kaldes for det atmosfæriske tryk. Jo højere du kommer op i atmosfæren, des lavere bliver trykket, fordi der er færre luftmolekyler oven over dig.

Teknisk udfordring at komme ud af Jordens tyngdefelt

Raketligningen er et udtryk for, hvor meget brændstof man skal have med, for at løfte alt det andet – det vil sige astronauterne og/eller det udstyr, der skal ud i rummet.

Raketligningen siger i sin enkleste form, at rakettens hastighed kan udregnes sådan:

Hastigheden = Udstødningshastigheden gange med den naturlige logaritme til forholdet mellem startmassen af hele raketten - divideret med slutmassen af raketten, når den har brugt al sit brændstof.

Den højre side af ligningen viser de variable, man kan skrue på for at øge hastigheden:

Udstødnings-hastigheden afhænger af trykket i motoren og den energi, der er i brændstoffet. For et givet brændstof er der et maximum for, hvor hurtigt man kan få brændstoffet til at forlade raketdysen. Her skal man altså vælge den kemi man vil arbejde med.

Når man har valgt sit brændstof, kan man kun arbejde med den naturlige logaritme til forholdet mellem startmasse og slutmasse. Man kan reducere slutmassen ved at lave lettere rumskibe. Og når man reducerer slutmassen, så bliver startmassen også mindre. Derfor kan man nøjes med mindre brændstof – og så bliver det hele igen mindre. Så meget ingeniørarbejde i forbindelse med rumfart handler om, hvordan man kan gøre teknologierne lettere.

Meget brændstof der udnyttes effektivt

Når man vil gøre en raket effektiv gælder det om, at den procentdel, som brændstoffet udgør, er meget høj, det vil sige at forholdet m₀/m_f (se raketligningen) bliver så højt som muligt. For jo mere vægt man kan smide bagud – jo mere effektiv bliver raketten. Men den må ikke være så høj, at der ikke er plads til astronauterne og/eller udstyr.

Desuden skal man udnytte sit brændstof så effektivt som muligt. Det betyder, at jo højere tryk og temperatur, man kan skabe inde i afbrændingskammeret – jo højere hastighed får udstødningsgasserne ud af dysen (v_e), og det øger også rakettens effektivitet. Det vil nemlig sige, at for den samme brændstofmængde får man mere løftekraft. Og så kan man have mere med, men det er en materialeteknisk udfordring at sørge for, at motoren og dysen ikke bare smelter eller eksploderer.

Når man skal optimere på denne måde, så bliver raketten alt andet end simpel. For så tæller hvert eneste lille gram vægt.