En raket är uppkallad efter en spole. Ordet kommer från det italienska rocchetto, som betyder spole, eftersom tidiga versioner såg ut som spindelformade spolar som användes för att vinda tråd. Det är en märklig ursprungshistoria för en maskin som slutligen förde människor bortom atmosfären.
I sitt väsen är en raket enkel: ett långsträckt fordon som bränner det bränsle det bär med sig för att accelerera, utan att behöva omgivande luft. Detta enda designbeslut är det som skiljer en raket från en jetmotor, och det är anledningen till att raketer kan flyga där jetmotorer inte kan: genom rymdvakuumet, där en raketmotor faktiskt fungerar bättre än vid havsnivå.
Raketens historia sträcker sig långt längre än rymdsåldern. Den sträcker sig genom kinesiska arsenaler, indiska slagfält, ryska trähyddor och tyska raketbunkrar innan den någonsin avsiktligt lämnade atmosfären. Här är hur ett eldradsfyrverkeri i spolform blev ett rymdskepp.
Inte en jetmotor med ett bättre marknadsföringsteam
Jetmotorer andas. De suger syre från omgivande luft och bländar det med bränsle för att brinna. En raket emballerar istället både bränsle och oxideringsmedel i sin egen kropp, så den behöver aldrig andas in något. Denna enda skillnad är det som gör att en raket kan flyga genom rymdvakuumet, där det inte finns luft att andas in.
Den kontraintuitivade delen är vad som händer med prestandan när luften försvinner. Raketmotorer tolererar inte bara vakuumet, de fungerar faktiskt mer effektivt där än i atmosfären. Allt som är utformat för att fungera bra på marken visar sig fungera ännu bättre när den lämnar det, vilket är motsatsen till nästan alla andra motortyper människor har konstruerat.
Född i Song-dynastins Kina
Raketer byggda för krig och fest går minst tillbaka till 1300-talet i Kina, vilket gör raketen till ett av de äldsta vapnen som fortfarande är aktivt i bruk idag, bara riktad mot något mycket mer ambitiöst nu. Enligt historikern Joseph Needham hade Song-dynastins flotta redan raketer organiserade nog för att använda dem i en dokumenterad militärövning 1245.
Det datumet är viktigt eftersom det innebär att kruttraketer var en etablerad del av en stats militärverktyg århundraden innan Europa hade något motsvarande, med sitt ursprung som ett maritimt och slagfältsverktyg fast förankrat i Song-Kina.
Draken som sköt från vattnet
Moderna raketer flyger nästan alltid i etapper, och slänger tomma bränsletankar när de stiger så att fordonet blir lättare och snabbare. Den idén är inte en 1900-talsinvention. En kinesisk militär handbok från 1400-talet kallad Huolongjing beskriver en enhet kallad "elddraken som kommer från vattnet", vilket är den äldsta kända fleretappraketen, byggd för användning av den kinesiska flottan.
Själva namnet antyder designlogiken: en raket som såg ut att explodera från vattnet, med hjälp av en etapp för att börja röra sig och en andra för att fortsätta, samma etappade logik som varje fleretappraket byggd sedan dess har följt på något sätt.
Järnskal från ett indiskt kungarike
I århundraden efter de första kinesiska raketterna var de flesta raketskropen gjorda av papper eller tunnt metall som kunde brista under tryck. Det förändrades i slutet av 1700-talet, när Kungariken Mysore under Hyder Alis styre byggde de mysorhinska raketterna, de första framgångsrika järnskaliga raketterna i historien.
Ett järnskal tillät en raket att hålla högre internt tryck utan att misslyckas, vilket innebar mer dragkraft och längre räckvidd. När designen senare nådde Storbritannien inspirerade det Congreve-raketprogrammet, vars största modell, 32-punds kassetten, bar en käpp 15 fot lång bara för att hålla den på flykt. En indisk slagfältsinnovation hade blivit en egenskap hos europeisk artilleri inom en generation.
En grekisk idé två tusen år för tidigt
Den äldsta kända enheten för att demonstrera grundprinciperna bakom raketflygning var inte ett vapen alls. Omkring 400 f.Kr. konstruerade den grekiske Pythagoraern Arkhydas en träduckn, upphängde den på trådar och drev den längs dem med ånga som drivkraft.
Det kom inte i närheten av rymden, och ingen byggde på idén på länge. Men den underliggande principen - att att slinga ut en gasstråle i en riktning trycker ett objekt i den andra - är exakt vad varje kemisk raketmotor fortfarande förlitar sig på idag. Arkhydas kom dit långt innan någon hade krutt för att försöka det.
Mannen som designade rymdflygning på papper
Långt innan någon raket lämnade atmosfären, utarbetade en lärare i provinsiell Ryssland matematiken för hur en så småningom kunde göra det. Konstantin Tsiolkovsky anses vara rymdflygningens fader, och han var också den första personen som tänkte på rymdhissen, en idé han kom till 1895 efter att ha sett det nybyggda Eiffeltornet.
Hans viktigaste artikel om att utforska rymden med raketdrivna anordningar dök upp i maj 1903, årtionden innan någon regering hade tekniiken eller pengar för att testa hans ekvationer. Han arbetade ut fysiken för omloppsraketer med bara lite mer än en svart tavla, i ett land som inte skulle skjuta upp något i omloppsbana på ännu ett halvsekel.
Ett vapen som nådde rymden av en slump
Den första raketen som avsiktligt lämnade atmosfären var designad för att förstöra städer, inte utforska dem. Med en testflygning MW 18014 skjuten på 20 juni 1944, korsade V-2 Kármánlinjen och blev det första människotillverkade objektet någonsin att nå rymden.
Denna milstolpe kom mitt under en bombningskampanj. Från september avfyrade Wehrmacht över 3 000 av dessa missiler mot allierade städer, träffade först London, sedan Antwerpen och Liège. Samma teknik som först rörde vid rymden var vid denna tid ett verktyg för terror, en dyster påminnelse om att militär och vetenskaplig väg för raketteknik aldrig helt har varit åtskilda.
Varför raketer kommer i avsnitt
Staging är inte bara en historisk kuriositet från Huolongjing, det är fortfarande arbetsprincipen bakom att nå omloppsbana. Mellan 1948 och 1950 testade ingenjörer RTV-G-4 Bumper-serien vid White Sands, senare Cape Canaveral, och byggde de första höghastighets-fleretappraketterna från modern tid. En av dem nådde en höjd på 393 kilometer över White Sands den 24 februari 1949, den största höjd någon raket någonsin hade nått där.
Fysiken bakom staging är enkel: att släppa död vikt halvvägs genom flygningen gör att de återstående motorerna kan accelerera ett lättare fordon. Första etappen av Saturn V, till exempel, var tvungen att lyfta hela massan av allt ovan det, och ändå uppnådde en massförhållande på cirka 10 och en specifik impuls på 263 sekunder, siffror som visar varför ingenjörer fortsätter att jaga den lättaste möjliga etappen som fortfarande håller samman.
Att pressa varje joule ut av avgasen
Torkonstruktionen av en raketmotor, allt som återstår när drivmedel är slut, är ofta bara 5 till 20% av fordonets totala uppskjutningsmassa. Denna lilla hårdvara, inte det bränsle den bär, är det som slutligen dominerar kostnaden för ett raketprogram, eftersom att bygga tankar och motorer som både är lätta och starka är mycket svårare än att fylla dem med bränsle.
Att få det bästa ur den hårdvaran kommer ner till munstycket. Raketmunstycken använder nästan adiabatiska former med högt expansionsförhållande som kyler och accelererar avgasen, vilket uppnår energieffektivitet på upp till 70%. Bränslevalet är också viktigt: väte och syre tillsammans ger det högsta specifika impulserna för någon kemisk bränsleblandning i bruk, men vätes densitet är bara ungefär en fjortondel av vattens, så motorer som bränner det behöver större, tyngre turbopumpar som minskar dragkraft-till-vikt-förhållandet, en kompromiss synlig vid jämförelse av en motor som RS-25 mot en tätare bränsledesign som NK-33.
Ingen av dessa kompromisser har försvunnit under ett århundrade av raketteknik. Varje uppskjutning är fortfarande en förhandling mellan hur mycket död vikt ett fordon kan släppa, hur effektivt dess munstycke kan forma avgasen, och hur tätt ett bränsle det vågar bränna, samma kompromisser en kinesisk arsenal officer och en rysk lärare redan cirkulerade runt långt innan någon av dem hade ett namn på engelska.