Uudelleenkäytettävä ensimmäinen vaihe

Paitsi että avaruusasemalla olevat kuusi avaruuslentäjää odottaa   rahtialuksen saapumista, on lento erityisen jännittävä siksi, että Space X yrittää saada tällä lennolla kantoraketin ensimmäisen vaiheen palautettua ehjänä takaisin Maan pinnalle.

Nyt käytännössä kaikki avaruuteen aluksia laukaisevat kantoraketit ovat kertakäyttöisiä, eli suuri ja kallis kantoraketti tuhoutuu kokonaan laukaisussa. Tyypillisesti vaiheista koostuvan raketin ensimmäinen vaihe putoaa mereen ja ylemmät vaiheet tuhoutuvat pudotessaan takaisin ilmakehään. 

Jo se, että raketin suurin yksittäinen osa, ensimmäinen vaihe, saataisiin takaisin uudelleenkäytettäväksi, olisi olennainen askel eteenpäin ja auttaisi säästämään raketin laukaisukustannuksissa.

Esimerkiksi Falcon 9:n tapauksessa ensimmäinen vaihe on 42 metriä korkea ja 3,7 metriä halkaisijaltaan oleva lieriö, jonka massa ilman polttoainetta on noin 18 tonnia ja jonka sisälle mahtuu 385 tonnia polttoainetta ja nestemäistä happea. Sen alaosassa on yhdeksän kappaletta Merlin 1D -rakettimoottoria, joiden yhteinen työntövoima on 5 886 kilonewtonia.

Tarkkaan ottaen nyt käytössä oleva kantoraketin versio on Falcon 9 v1.1, eli Falcon 9 Reusable, ja se on alkuperäistä Falcon 9:ää voimakkaampi ja kyvykkäämpi. Lisäpotkua tarvitaan muun muassa ensimmäisen vaiheen maahan palaamisessa tarvittavien laskeutumisjalkojen, ohjaimien sekä ylimääräisen polttoaineen kuljettamiseen.

Kriitikoiden mukaan juuri tämä kullakin lennolla kuljetettava “ylimäätäinen” massa tekee uudelleenkäytettävyydestä kannattamatonta, mutta Space X -yhtiön johtaja ja perustaja Elon Musk on tojunut kritiikkiä jo vuosien ajan laskelmillaan, jotka osoittavat laukaisuhinnan putoavanmahdollisesti jopa neljännekseen jo nyt edullisesta Falcon 9:n laukaisuhinnasta.

Falcon 9:n tapauksessa yhden kilogramman laukaiseminen avaruuteen maksaa noin 3500 euroa, ja mikäli ensimmäisiä vaiheita voidaan käyttää uudelleen suunnitellulla tavalla noin 40 kertaa, voi hinta olla noin 950 euroa kilogrammalta.

Toinen kriitiikin kohde on se, että vaikka ensimmäinen vaihe saataisiin onnistuneesti alas, voi sen kunnostaminen uutta lentoa varten olla vaikeaa.

Vaikka Space X on nuori avaruusyhtiö, on sillä kuitenkin jo pitkä kokemus rakettitekniikasta ja ennen kaikkea modernista sellaisesta: koska se on pystynyt suunnittelemaan kantorakettinsa puhtaalta pöydältä ilman historian painolastia, on tuloksena ollut erinomaisia laitteita.

Yhtiön ensimmäinen kantoraketti oli pieni Falcon 1, joka teki ensilentonsa maaliskuussa 2006. Raketti toimi kunnolla vasta neljännella laukaisyrityksellä, mutta se kehittämään nyt käytössä olevan Falcon 9:n. 

Falcon 9 ei ole yhdeksäs Falconin versio, vaan yhdeksikkö tarkoittaa ensimmäisessä vaiheessa olevien moottorien määrää. 

Moottorit sinällään ovat raketin eräs vahvuus, sillä ne on tehty yksinkertaisiksi ja uudelleenkäytettäviksi. Lisäksi yhdeksän pienemmän moottorin käyttäminen on edullisempaa ja turvallisempaa kuin yhden suuren moottorin: jopa kaksi moottoreista voi rikkoontua lennon aikana ilman, että raketti putoaa Maahan. Muilla raketeilla yleensä moottorin rikkoontuminen tarkoittaa kantoraketin ja sen hyötykuorman tuhoutumista. 

Space X on tutkinut jo vuosien ajan erilaisia tapoja tuoda ensimmäinen vaihe ehjänä alas ja on testannut koetilallaan Teksasissa ensin pienempää Grasshopperiksi kutsuttua automaattisesti lentoonnousevaan, lentävää sekä laskeutuvaa rakettia ja sittemmin myös täysikokoista Falcon 9:n ensimmäistä vaihetta, mihin asennettiin rungon alaosaan neljä ohutta, juuri ennen laskeutumista avautuvaa jalkaa.

Lisäksi edellisillä lennoilla oikeat, avaruuteen satelliitteja vieneet Falcon 9 -raketit ovat testanneet maahanpaluun eri vaiheita. Ensin korkealla yläilmakehässä tehtävää jarrutuspolttoa ja lentoradan muutosta, ja sitten myös laskeutumista alas. Viimeisimmällä koelennolla raketin ensimmäinen vaihe laskeutui onnistuneesti mereen ja lähetti mittaustietoja koko lennon ajan aina siihen saakka, kun vaihe upposi mereen noin kahdeksan sekuntia laskeutumisen jälkeen.

Mikäli nyt käytössä oleva jalkapallokentän kokoinen, kauko-ohjattu lautta olisi ollut tuolloin meressä laskeutumispaikalla, olisi vaihe saatu tuolloin jo tuotua takaisin. 

Öljynporauslautan kaltainen laite pystyy pitämään paikkansa satelliittinavigoinnin ja tehokkaiden vesisuihkumoottorien avulla oikeassa paikassa ja asennossa kolmen metrin tarkkuudella voimakkaassakin merenkäynnissä. 

Laskeutumisen jälkeen rakettivaihe kiinnitetään lautan kannelle ja tuodaan sillä takaisin maihin huollettavaksi ja tarkistettavaksi ennen uutta laukaisua.

Lennon vaiheet (T tarkoittaa laukaisuhetkeä)

T-3 sek
Ensimmäisen vaiheen yhdeksän moottoria käynnistyvät

T-0 sek
Moottorit saavuttavat täyden työntövoimansa ja 68,4 metriä korkea raketti nousee lentoon

T+20 sek
Falcon 9 alkaa kääntyä vähitellen vaakasuoraan lentoon noustuaan ensin lähes suoraan ylöspäin. Raketti suuntaa 51,6° pohjoiseen, samalle radalle avaruusaseman kanssa.

T+1 min 10 sek
Falcon 9 rikkoo äänivallin

T+2 min
Ensimmäisen vaiheen moottorien työntövoimaa pienennetään, jotta moninkertaisella äänen nopeudella lentävään rakettiin kohdistuva aerodynaaminen paine ei kasvaisi liian suureksi.

T+2 min 37 sek
Ensimmäisen vaiheen moottori sammuvat. Raketti on noin 80 km:n korkeudessa ja lentää Mach 10:n nopeudella.

T+2 min 41 sek
Toinen vaihe irtoaa ensimmäisestä vaiheesta, käynnistää muutamaa sekuntia myöhemmin oman moottorinsa ja jatkaa kohti kiertorataa. Toisen vaiheen moottori toimii kuusi minuuttia ja 38 sekuntia, minkä jälkeen Dragon on avaruudessa.

Ensimmäinen vaihe nousee lentoradallaan jopa 140 kilometrin korkeuteen, kunnes sen rakettimoottorit syttyvät, hidastavat sen nopeutta ja kääntävät vaiheen putoamaan haluttuun kohtaan suoraan alaspäin.

Ennen ilmakehän paksumpiin osiin saapumistaan noin 70 kilometrin korkeudesta noin 40 kilometriin saakka kolme yhdeksästä moottorista toimii ja jarruttaa edelleen vauhtia. Yhdessä ilmanvastuksen kanssa moottorit hidastavat nopeuden noin viisinkertaisesta äänen nopeudesta noin 900 kilometriin tunnissa. Ilmakehään saapumisen aikaan pitkän ja hoidan sylinterin asentoa hallitaan myös sen yläosasta avautuvilla neljällä ritilämäisellä vakaajalla.

Ensimmäisen vaiheen keskimmäinen moottori käynnistyy noin 15 sekuntia ennen laskeutumista. Neljä laskeutumisjalkaa avautuvat vain muutamaa sekuntia ennen lavetille osumista. Teoreettisesti laskeutumisnopeus on vain kaksi metriä sekunnissa, siis kävelyvauhtia, ja laskeutumisen tarkkuus on kymmenisen metriä – siis juuri sopiva jalkapallokentän kokoiselle (91 x 52 metriä) lavetille osumiseen.

Avaruuteen noussut Dragon-alus telakoituu avaruusasemaan kahden vuorokauden kestäneen lennon jälkeen. Se asettuu odottamaan aseman vierelle ja astronautit siirtävät sen avaruusaseman robottikäsivarren avulla kiinni aseman telakointiporttiin.