En raket er navngivet efter en synal. Ordet kommer fra det italienske rocchetto, der betyder nål, fordi tidlige versioner lignede spindelformede nåle, der blev brugt til at vinde tråd. Det er en mærkelig oprindelseshistorie for en maskine, som til sidst transporterede mennesker ud over atmosfæren.
I sin kerne er en raket simpel: et langstrakt køretøj, der forbrænder det brændstof, det bærer med sig, for at accelerere, uden behov for omgivende luft. Denne eneste designbeslutning er det, der adskiller en raket fra en jetmotor, og det er grunden til, at raketter kan flyve, hvor jetmotorer ikke kan: gennem rummets vakuum, hvor en raketmotor faktisk fungerer bedre end på havets overflade.
Raketens historie strækker sig langt ud over rumtiden. Den strækker sig gennem kinesiske arsenaler, indiske slagmarker, russiske træbygninger og tyske raketbunkers, før den nogensinde bevidst forlod atmosfæren. Her er hvordan et spindelformet fyrværkeri blev til et rumfartøj.
Ikke en jetmotor med et bedre marketingteam
Jetmotorer ånder. De suger ilt fra omgivende luft og blander det med brændstof for at forbrænde. En raket pakker i stedet både brændstof og oxideringsmidler i sin egen krop, så den behøver aldrig at trække vejret. Denne enkeltforskel er det, der giver en raket mulighed for at flyve gennem rummets vakuum, hvor der ikke er luft at trække vejret.
Den kontraintuitive del er, hvad der sker med ydeevnen, når luften forsvinder. Raketmotorer tolererer ikke blot vakuum, de fungerer faktisk mere effektivt der end i atmosfæren. Alt der er designet til at fungere godt på jorden, viser sig at fungere endda bedre, når det forlader det, som er det modsatte af næsten alle andre motortyper mennesker har bygget.
Født i Song-dynastiet Kina
Raketter bygget til krig og fejring går mindst tilbage til 1300-tallet i Kina, hvilket gør raketten til et af de ældste våben, der stadig bruges aktivt i dag, kun rettet mod noget meget mere ambitiøst. Ifølge historiker Joseph Needham havde Song-dynastiets flåde allerede raketter organiseret nok til at bruge dem i en dokumenteret militærvejledning 1245.
Den dato er vigtig, fordi det betyder, at krudiraketter var en etableret del af en stats militær værktøj århundreder før Europa havde noget tilsvarende, med deres oprindelse som en maritim og slagmarksværktøj solidt forankret i Song-Kina.
Dragen der skød fra vandet
Moderne raketter flyver næsten altid i stadier, og kaster tomme brændstoftanke, mens de stiger, så køretøjet bliver lettere og hurtigere. Den idé er ikke en opfindelse fra det 20. århundrede. En kinesisk militærhåndbog fra 1400-tallet kaldet Huolongjing beskriver en enhed kaldet "ilddraken der kommer ud fra vand," som er den ældste kendte flertrinbraket, bygget til brug af den kinesiske flåde.
Selve navnet antyder designlogikken: en raket, der skulle se ud til at eksplodere fra vandet, ved hjælp af et trin til at bevæge sig i gang og et andet til at fortsætte, samme trinvise logik, som hver flertrinsraket bygget siden har fulgt på den ene eller anden måde.
Stålhylstre fra et indisk kongerige
I århundreder efter de første kinesiske raketter var de fleste raketlegemeter lavet af papir eller tynt metal, der kunne sprække under tryk. Det ændrede sig i slutningen af 1700-tallet, da Kongeriget Mysore under Hyder Alis styre byggede Mysorean-raketterne, de første vellykkede stålhylste raketter i historien.
En stålhylse tillod en raket at holde højere internt tryk uden at svigte, hvilket betød mere trækkraft og større rækkevidde. Da designet senere nåede Storbritannien, inspirerede det Congreve-raketprogrammet, hvis største model, 32-pund kassetten, bar en pind 15 fod lang bare for at holde det i flugt. En indisk slagmarksinnovation var inden for en generation blevet til et træk ved europæisk artilleri.
En græsk idé to tusinde år for tidligt
Den ældste kendte enhed til at demonstrere de grundlæggende principper bag raketflyvning var slet ikke et våben. Omkring 400 f.Kr. byggede den græske pytagoreer Arkhydas en træfugl, suspenderede den på tråde og drev den langs dem ved hjælp af damp som drivkraft.
Det kom ikke i nærheden af rummet, og ingen byggede på ideen i lang tid. Men det underliggende princip - at at kaste en gasstrøm i en retning skubber et objekt i den anden - er nøjagtigt det, som hver kemisk raketmotor stadig er afhængig af i dag. Arkhydas kom der langt før nogen havde krudt til at prøve det.
Manden der designede rumflyvning på papir
Længe før nogen raket forlod atmosfæren, udarbejdede en lærer i provinsialt Rusland matematikken for, hvordan en i sidste ende kunne gøre det. Konstantin Tsiolkovsky betragtes som rymdflyvningens far, og han var også den første person til at tænke på rumhissen, en idé han kom til i 1895 efter at have set Eiffeltårnet, der netop var blevet bygget.
Hans vigtigste artikel om at udforske rummet med raketdrevne enheder dukket op i maj 1903, årtier før nogen regering havde ingeniørkunskaben eller pengene til at teste hans ligninger. Han udarbejdede fysikken for orbitalraket ved at bruge lidt mere end en tavle, i et land der ikke ville lancere noget ind i kredsløb i endnu et halvt århundrede.
Et våben der ved et tilfælde nåede rummet
Den første raket der bevidst forlod atmosfæren var designet til at ødelægge byer, ikke til at udforske dem. Efter at have lanceret testflyvningen MW 18014 den 20. juni 1944 krydsede V-2 Kármánlinjen og blev det første menneskelavet objekt nogensinde at nå rummet.
Denne milepæl kom midt under en bombningskampagne. Fra september affyrede Wehrmacht over 3.000 af disse missiler mod allierede byer, først rammer London, derefter Antwerpen og Liege. Den samme ingeniørkunst, der først berørte rummet, var på det tidspunkt et værktøj for terror, en sørgmodig påmindelse om, at militærets og videnskabens veje inden for raketforskning aldrig er blevet helt adskilt.
Hvorfor raketter kommer i sektioner
Faseinddeling er ikke bare en historisk kuriøsitet fra Huolongjing, det er stadig arbejdsprincippet bag at nå kredsløb. Mellem 1948 og 1950 testede ingeniører RTV-G-4 Bumper-serien ved White Sands, senere Cape Canaveral, byggede de første høj hastigheds flertrinsraketter fra den moderne tid. En af dem nåede en højde på 393 kilometer over White Sands den 24. februar 1949, den største højde nogen raket nogensinde havde nået der.
Fysikken bag faseinddeling er simpel: at slippe dødvægt halvvejs gennem flyvningen lader de resterende motorer accelerere et lettere køretøj. Det første trin af Saturn V skulle for eksempel løfte hele massen af alt ovenover det, og opnåede alligevel et masseforhold på omkring 10 og et specifikt impuls på 263 sekunder, tal der viser, hvorfor ingeniører fortsætter med at søge det letteste mulige trin der stadig holder sammen.
At presse hver joule ud af udstødningen
Den tørre konstruktion af en raketmotor, alt der står tilbage når brændstoffet er brugt op, er ofte kun 5 til 20% af køretøjets samlede opskydningsmasse. Dette lille stykke hardware, ikke det brændstof det bærer, er det der til slut dominerer omkostningerne for et raketprogram, fordi at bygge tanke og motorer der både er lette og stærke er meget sværere end at fylde dem med brændstof.
At få det mest ud af det hardware kommer ned til mundstykket. Raketmundstykker bruger næsten adiabatiske former med høj ekspansionsforhold som køler og accelererer udstødningsgassen, opnå energieffektivitet på op til 70%. Brændstofvalget betyder også: brint og ilt sammen giver det højeste specifique impuls af nogen kemisk brændstofkombination i brug, men bints tæthed er kun omkring en fjortedel af vand, så motorer der forbrænder det kræver større, tungere turbopumper der reducerer tryk til vægt forholdet, et kompromis synligt når man sammenligner en motor som RS-25 mod en tættere brændstofdesign som NK-33.
Ingen af disse kompromiser er forsvundet i et århundrede af raketforskning. Hver opsendelse er stadig en forhandling mellem hvor meget dødvægt et køretøj kan aflæg, hvor effektivt mundstykket kan forme udstødningen, og hvor tæt et brændstof det tør forbrænde, de samme kompromiser en kinesisk arsenal officer og en russisk skolelærer allerede cirkulerede rundt omkring længe før nogen af dem havde et navn på engelsk.