raket

Kemiske raketter udnytter kemisk bundet energi ved at lade et brændstof reagere med et medbragt oxidationsmiddel. Forbrændingsprodukterne udstødes af raketten med høj hastighed og giver dermed raketten fremdrift i den modsatte retning. Kemiske raketter kan underinddeles i følgende typer:

• faststofraketter
• flydende brændstofraketter
• hybridraketter

Faststofraketter er de simpleste – dybest set er de et rør med krudt i. De hvide boostere på siden af den amerikanske rumfærge var fx faststofraketter, der kørte på en fast blanding af ammoniumperklorat og epoxy. Faststofrakettens store ulempe til rumfartsbrug er, at de ikke kan reguleres eller stoppes og startes igen; når de først er antændt, brænder de, indtil der ikke er mere brændstof tilbage. Derfor anvendes faststofraketter til rumfart primært som boostere, dvs. hjælperaketter. Faststofrakettens evne til at kunne ligge på lager i lang tid, og så med meget kort varsel findes frem og affyres, gør dem til gengæld egnede til militære formål.

Flydende brændstofraketter er de mest almindelige til store løfteraketter, og i forhold til faststofraketter har de den fordel, at de kan reguleres op og ned og stoppes og startes igen. Typisk anvendes en slags petroleum eller flydende hydrogen som brændstof, mens man som regel anvender flydende oxygen som iltningsmiddel. SpaceX’ Raptor-motorer anvender metan som brændstof.

Til hybridraketterne anvendes der typisk fast brændstof, mens oxidationsmidlet er flydende eller gasformigt.

Elektriske raketter benytter elektrisk energi fra fx solceller til at give brændstoffet en høj udstødningshastighed. Langt de fleste elektriske raketter er ionraketter, som virker ved at ionisere fx xenon-atomer og derefter accelerere dem i et elektrisk felt, inden de udstødes med meget stor fart. De har meget lavere motorkraft end store kemiske raketter, men benyttes i stigende grad til styring af satellitter pga. deres høje brændstoføkonomi, som er ca. 10 gange højere end i en kemisk raket.

Ionraketter har endvidere været anvendt til fremdrift i forbindelse med missioner til Månen eller i solsystemet. Der eksperimenteres med plasmaraketter, hvor man opvarmer en neutral gas med radiobølger – ligesom i en mikrobølgeovn – og dermed skaber et plasma, der accelereres og fokuseres med elektriske og magnetiske felter.

Atomraketter blev udviklet i 1960−1970'erne og benytter fissionsenergi til at opnå de høje temperaturer og udstødningshastigheder af drivstoffet. Atomraketter har typisk ca. dobbelt så høj udstødningshastighed som de bedste kemiske raketter, men ingen atomraket er endnu blevet anvendt i praksis.

Fotonraketter er en teoretisk mulighed. Udsendelse af fotoner (lys eller anden elektromagnetisk stråling) bevirker en trykkraft, men den er meget lille.

Raketter, der anvendes til opsendelse til kredsløb, konstrueres normalt som flertrinsraketter, dvs. første rakettrin bortkastes, når det er udbrændt, mens andet rakettrin bringer nyttelast og eventuelt øvrige rakettrin videre.

Første trin består ofte af en raket med flydende brændstof, hvorpå to eller flere hjælperaketter (boostere) med fast eller flydende brændstof kan være monteret. Oven på sidste trin sidder de elektroniske styreenheder samt allerøverst nyttelasten, som er beskyttet af en kappe, rakettens spids (fairing). Fairingen sikrer et aerodynamisk flow af luft rundt om raketten, mens den er inde i Jordens atmosfære. Når raketten kommer så højt op, at fairingen ikke længere er nødvendig, kastes den bort.

I en motor med flydende brændstof pumpes eller presses drivstofferne ind i forbrændingskammeret; i en fastbrændstofraket er brændstoffet allerede anbragt i forbrændingskammeret, og efterhånden som brændstoffet bliver forbrændt, vokser forbrændingskammerets volumen. I samme øjeblik, blandingen af brændstof og iltningsmiddel antændes, vokser trykket og temperaturen i brændkammeret voldsomt.

De gasformige forbrændingsprodukter ledes nu ud af brændkammeret via en de Laval-dyse, oprindeligt opfundet af den svenske ingeniør Gustaf de Laval. Dysen er et rør med en indsnævring på midten, så inderdiameteren af det rør, gassen skal bevæge sig igennem, gradvist mindskes, indtil et vist punkt, hvorefter inderdiameteren vokser igen.

På sin vej gennem dysen komprimeres udstødningsgassen, når dysen snævrer ind. Der, hvor dysen er snævrest, kommer forbrændingsprodukterne op på lydens hastighed, og på sin videre vej ekspanderer gassen til en koldere gas med endnu større hastighed. Der afsættes store mængder varmeenergi i selve dysen, hvorfor det er nødvendigt at afkøle den, hvis den skal køre i mere end nogle få sekunder. Det sker typisk ved “omstrømningskøling”, dvs. at man tager noget af det kolde brændstof og leder det igennem rør, der i spiralform dækker ydersiden af dysen.

Den hidtil største raketmotor, Rocketdyne F-1, som blev anvendt på den store måneraket Saturn V, leverede en trykkraft på ca. 7,9 meganewton, svarende til ca. 790 t; hele første trin leverede i alt 3440 t. Ariane 5-rakettens hovedmotor, Vulcain, yder ca. 117 t, og dens to faststofraketter hver 660 t. Falcon 9-rakettens ni Merlin 1D-motorer yder hver 90 t.

Små styreraketter til satellitter yder normalt en trykkraft på blot 1−10 newton (svarende til 0,1−1 kg), og elektriske raketmotorer har endnu mindre trykkraft.

Små faststofraketter som fyrværkeri- og signalraketter anvender krudt som drivstof. I større, moderne raketter kan brændstoffet være syntetisk gummi, evt. tilsat aluminiumpulver, og som oxidationsmiddel bruges ofte ammoniumperklorat (NH₄ClO₄). Raketter med fast brændstof har en relativt lav effektiv udstødningshastighed på under 3 km/s, men er lette at opbevare og gøre startklare, og bliver derfor i vid udstrækning anvendt militært. En stor faststofraket forbrænder omkring 2−4 t drivstof pr. sekund.

Der findes et stort antal flydende drivstoffer. Som brændstof kan anvendes ethanol, raffineret petroleum (kaldet RP-1), methyl- eller dimethylhydrazin (se hydrazin) og hydrogen. Som oxidationsmiddel anvendes især oxygen og nitrogentetraoxid, men også hydrogenperoxid (brintoverilte) og salpetersyre kan anvendes. Flydende fluor er mere effektivt end oxygen, men anvendes ikke pga. dets kemiske aggressivitet. Det mest effektive af de anvendte kemiske raketdrivstoffer er blandingen hydrogen/oxygen, der har en effektiv udstødningshastighed på omkring 4,5 km/s.

Visse stoffer, fx hydrazin, kan bringes til at reagere spontant ved heterogen katalyse, og er specielt velegnet til små styreraketter, som skal affyres hyppigt gennem mange år.

Små ikke aktivt styrede raketter styres af den luft, der strømmer omkring raketten; det kræver dog, at raketten er aerodynamisk stabil; nytårsraketter styres fx af en pind.

Styringen af store raketter sker ved hjælp af et computersystem, som udregner rakettens position, hastighed og orientering (se inertinavigation). Computeren er på forhånd programmeret til at følge en ganske bestemt bane, og nødvendige korrektioner foretages automatisk ved, at computeren drejer motoren og dermed raketdyserne. Hvis raketten kommer ud af kontrol, bringes den til eksplosion enten af et automatisk system i raketten eller ved fjernkommando fra opsendelsesbasen, således at størrelsen af de nedfaldende vragdele begrænses.

I slutningen af 1700-tallet blev briterne mødt med raketvåben under kampe mod Tipu Sultan i Indien. Som en følge heraf begyndte de i 1801 under ledelse af artilleriofficeren William Congreve (1772−1828) at udvikle raketvåben, som blev brugt mod Napoleon og under Københavns bombardement i 1807. I 1844 patenterede den britiske ingeniør William Hale (1797−1870) den rotationsstabiliserede raket; før da blev raketter stabiliseret med en træpind ligesom en fyrværkeriraket.

Den moderne raketvidenskab tog sin begyndelse i slutningen af 1800-tallet. Russeren K. Tsiolkovskij viste i 1883, at en raket kan fungere i det tomme rum, og i 1898 fremkom han med idéen om udforskning af rummet vha. raketter; i 1903 foreslog han brugen af flydende raketbrændstoffer.

Amerikaneren R.H. Goddard fandt i 1909 frem til, at flydende hydrogen og oxygen ville være velegnet som raketbrændstof og foretog i 1926 den første opsendelse af en raket med flydende brændstof (benzin og flydende oxygen). Tyskeren H. Oberth var den første til at foreslå brugen af elektriske raketmotorer til rumrejser (1929).

Fra 1932 arbejdede man i Tyskland på udvikling af raketter, bl.a. den senere V2. Efter 2. Verdenskrig begyndte både Sovjetunionen og USA militære raketudviklingsprogrammer med hjælp fra tilfangetagne tyske raketingeniører og med erobrede V2-raketter.

USA's indsats blev ledet af Wernher von Braun, og Sovjetunionens af Sergej Koroljov. De militære anvendelser var primære, men kapløbet om at sende den første satellit op og den efterfølgende bemandede rumfart havde stor prestigemæssig betydning. I den første fase havde Sovjetunionen de kraftigste raketter. USA vandt med en lille margin kapløbet mod Månen med den gigantiske Saturn V-raket (se også Apolloprojektet); Sovjetunionen valgte efter fire fejlslagne opsendelsesforsøg (1969−72) endeligt i 1974 at skrinlægge den lige så ambitiøse N-1-raket.

Den europæiske raketudvikling mislykkedes i første omgang, da man i European Launcher Development Organization (ELDO) udviklede Europa-raketten (1961−71). Efter seks mislykkede opsendelser i træk blev projektet opgivet og overført til en ny organisation, European Space Agency (ESA). Det resulterede i den meget vellykkede Ariane (1979).

Efter Apollomissionerne indstillede USA Saturn V-programmet og begyndte at udvikle en stort set genbrugelig løfteraket (rumfærgen). Sovjetunionen udviklede et tilsvarende system baseret på raketten Energeja, som dog senere blev opgivet. Efter eksplosionen af rumfærgen Challenger i 1986 satte USA atter fart på udviklingen af engangsløfteraketter (expendable launch vehicles, ELV). NASAs planer om nye bemandede flyvninger til Månen og senere Mars, har fra 2005 sat gang i udviklingen af raketten SLS, som bygger på dele fra rumfærgerne.

Der udvikles til stadighed traditionelle løfteraketter, men i de senere år har især det private, amerikanske rumfirma SpaceX markeret sig – først med den delvist genbrugelige raket Falcon 9, senere med verdens hidtil største raket, Starship. Det er meningen, at Starship skal være 100% genbrugelig. Hvis det lykkes at få Starship til at fungere efter planen, ventes det at kunne revolutionere rumfarten fuldstændig ved at sænke priserne på opsendelser til rummet dramatisk.