Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

raket

Oprindelige forfattere P-EK og TAEA Seneste forfatter Redaktionen

Raket. Snittegning af en Ariane 5-raket på affyringsrampen. Ariane 5 er den europæiske rumfartsorganisation ESAs nyeste løfteraket. Efter tre testopsendelser blev den i 1999 erklæret for fuldt operationel. Raketten kan bringe en nyttelast på 6800 kg i geostationær bane eller ca. 18.000 kg i en lav bane.

Raket. Snittegning af en Ariane 5-raket på affyringsrampen. Ariane 5 er den europæiske rumfartsorganisation ESAs nyeste løfteraket. Efter tre testopsendelser blev den i 1999 erklæret for fuldt operationel. Raketten kan bringe en nyttelast på 6800 kg i geostationær bane eller ca. 18.000 kg i en lav bane.

raket, genstand eller fartøj, som drives frem af en eller flere motorer, der udnytter princippet om impulsens bevarelse: Ved at udstøde masse (medbragt drivstof) med høj hastighed får raketten en impuls i den modsatte retning ("aktion lig reaktion"). En raketmotor er i modsætning til fx en jetmotor ikke afhængig af luftens ilt til forbrænding, og den kan derfor benyttes i det tomme rum. Raketter anvendes til opsendelse og styring af satellitter og rumfartøjer, til udforskning af Jordens atmosfære (se sounding-rocket) og som våben (se missiler). Små raketter bruges til fyrværkeri og som rednings- og nødraketter. Se også rumfart.

Ordet raket kommer af ital. rochetto 'garnrulle, spole', dim. af rocca 'spinderok', beslægtet med da. rok.

Typer

Efter motorens virkemåde opdeles raketter i kemiske, elektriske og mere avancerede typer som atomraketter, soldrevne raketter og fotonraketter.

Kemiske raketter

Kemiske raketter udnytter den kemisk bundne energi i drivstoffet ved at lade brændstof (reduktionsmiddel) reagere med et medbragt oxidationsmiddel. Forbrændingsprodukterne udstødes af raketten med høj hastighed og giver fremdrift. Den kemiske raket er den eneste rakettype, der i praksis kan anvendes som løfteraket fra Jorden. Raketterne kan benytte fast drivstof (faststofraketter), flydende drivstof eller en kombination (hybride raketter).

Annonce

Elektriske raketter

Elektriske raketter benytter elektrisk energi fra fx solceller til at give brændstoffet en høj udstødningshastighed. I arc-jet-raketter sker dette ved at lade brændstoffet passere en elektrisk lysbue, mens ionraketter virker ved at ionisere fx xenon-atomer og derefter accelerere dem i et elektrisk felt, inden de gøres elektrisk neutrale igen med elektroner fra en elektronkilde og udstødes. Disse to typer er kommercielt tilgængelige. De er svagere 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 benyttes endvidere til fremdrift i det interplanetariske rum (fx på NASAs rumsonde Deep Space 1, opsendt 1998). Der eksperimenteres med plasmaraketter, hvor man af en neutral gas vha. radiobølger skaber et plasma, der accelereres og fokuseres med elektriske og magnetiske felter.

Atomraketter

Atomraketter blev udviklet i 1960-70'erne og benytter fissionsenergi (se kerneenergi) til at opnå de høje temperaturer og udstødningshastigheder af drivstoffet. Sikkerhedsproblemer har medført, at atomraketter ikke anvendes kommercielt.

Raketligningen

Den fundamentale ligning, der beskriver en rakets bevægelse, blev opstillet af K. Tsiolkovskij i 1903. Ligningen udtrykker, at den samlede impuls af systemet bestående af raket og drivstoffer er konstant (Newtons 2. lov, idet man i ligningen ser bort fra tyngdekraften). I løbet af et lille tidsrum Δt ændrer den udstødte mængde drivstofs impuls sig fra 0 til Q·Δt·vu (hvor Q er den masse, der udstødes pr. tidsenhed, og vu udstødningsprodukternes hastighed i forhold til raketten). Denne impulsændring må derfor modsvares af en hastighedsændring Δv af raketten, således at M·Δv+Q·Δt·vu = 0. Her er M massen af raketten. Rakettens trykkraft er så F = -Q·vu. Hvis raketten skal løfte sig fra jorden, skal trykkraften overstige den samlede tyngdekraft på raketten.

Den opnåelige forøgelse af rakettens hastighed afhænger af udstødningshastigheden og forholdet mellem rakettens start- og slutmasse (M0 og M1) gennem ligningen v = vuln(M0/M1). At øge udstødningshastigheden giver derfor en større effektivitetsforøgelse end at øge mængden af drivstof. Dette forhold udnyttes i elektriske raketter. Hvis Q er lille, vil det dog tage meget lang tid at nå sluthastigheden.

Soldrevne raketter

Soldrevne raketter, der ved at fokusere sollys opvarmer et drivmiddel, vil være velegnede til transport mellem forskellige baner omkring Jorden, hvis en kort transporttid ikke er påkrævet.

Fotonraketter

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

Teknisk opbygning

En raket består af en aerodynamisk formet, ofte cylindrisk, struktur, i hvis nederste ende er placeret en eller flere motorer. Det meste af strukturen af en kemisk raket med flydende brændstof udgøres af tanke til oxidationsmiddel og brændstof. I store løfteraketter udgør drivstofferne 90-93% af startvægten. Man kan med fordel bortkaste et overflødigt rakettrin, så snart det er udbrændt. Raketter konstrueres derfor 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 (boosters) med fast eller flydende brændstof er monteret. Oven på sidste trin sidder de elektroniske styreenheder samt allerøverst nyttelasten, som er beskyttet af en kappe, rakettens spids (fairing).

Motor

En raketmotors ydeevne angives ved dens trykkraft, F (målt i newton), dens brændtid (i sekunder) og dens specifikke impuls, Isp (i sekunder), som er defineret ved ligningen Isp = F/(gQ), hvor g er tyngdeaccelerationen (9,8 m/s2), og Q er drivstofforbruget (kg/s). Isp er den tid, som 1 kg drivstof kan levere en trykkraft svarende til 1 kg i; den er dermed et mål for, hvor effektivt brændstoffet udnyttes. Trykkraften af en raketmotor er størst i det tomme rum. For en raketmotor med et dyseareal på A og ved et atmosfæretryk på p bliver trykkraften pA mindre end i vakuum. Normalt angives trykkraften i vakuum (Fvac).

Raket. Skematisk tegning af forløbet af en Ariane 5-opsendelse fra Kourou-rumcentret i Fransk Guyana. Hovedmotoren antændes først efterfulgt af de to faststofraketter. Efter 2 min er raketten nået op i 70 km højde, og faststofraketterne er brændt ud og frigøres. Hovedtrinnet er brændt færdig efter 10 min og frigøres og brænder op i atmosfæren. Derefter antændes øverste trin, der fortsætter ud i rummet med nyttelasten (en eller flere satellitter).

Raket. Skematisk tegning af forløbet af en Ariane 5-opsendelse fra Kourou-rumcentret i Fransk Guyana. Hovedmotoren antændes først efterfulgt af de to faststofraketter. Efter 2 min er raketten nået op i 70 km højde, og faststofraketterne er brændt ud og frigøres. Hovedtrinnet er brændt færdig efter 10 min og frigøres og brænder op i atmosfæren. Derefter antændes øverste trin, der fortsætter ud i rummet med nyttelasten (en eller flere satellitter).

I en kemisk raket består motoren af et forbrændingskammer med en snæver udgangsmunding (strube), som er forbundet med en næsten kegleformet raketdyse. I en motor med flydende brændstof pumpes eller presses drivstofferne ind i forbrændingskammeret, hvor tryk og temperatur er meget høje. I struben kommer forbrændingsprodukterne op på lydens hastighed, hvorefter de i dysen ekspanderer til en koldere gas med endnu større hastighed, som afhænger af forholdet mellem dysens og strubens areal. I store raketmotorer pumpes de flydende drivstoffer ind i forbrændingskammeret med turbopumper, der drives af en gasturbine. Turbopumperne, som er nedkølede til meget lave temperaturer, er med deres høje effekt og omdrejningstal en stor teknisk udfordring. Den kraftigste turbopumpe i en Ariane 5 har en effekt på 12 MW, og der pumpes i alt ca. 270 kg/s drivstof ind i forbrændingskammeret. I hver af den amerikanske rumfærges tre motorer pumpes ca. 520 kg/s, og i hver af de fem motorer på en Saturn V-raket ca. 2700 kg/s. Den nødvendige afkøling af raketdysen i disse store raketmotorer sker, ved at noget af det kolde brændstof ledes igennem rør, der i spiralform dækker ydersiden af dysen. I mindre motorer, som fx anvendes til styring af satellitter, presses drivstofferne ind i forbrændingskammeret med komprimeret inaktiv gas, fx helium.

En raketmotor til fast brændstof er mere simpel, idet den består af et langt cylindrisk formet forbrændingskammer, hvori brændstoffet er anbragt, samt en raketdyse monteret på forbrændingskammerets strube. Faststofraketten kan i modsætning til de øvrige rakettyper ikke reguleres under drift og brænder, indtil brændstoffet er opbrugt. Man kan dog opnå en tidsligt varierende trykkraft ved en passende blanding af det faste brændstof.

Motorstørrelser. Den hidtil største raketmotor, F-1 fra Saturn V, leverede en trykkraft på ca. 7,9 meganewton, svarende til ca. 790 t; hele første trin leverede i alt 3440 t. Den sovjetiske N-1-raket havde 24 motorer i første trin med en samlet ydelse på 3600 t. Ariane 5-rakettens hovedmotor, Vulcain, yder ca. 117 t, og dens to faststofraketter hver 660 t. Den amerikanske rumfærges tre hovedmotorer yder hver ca. 232 t, og de to faststofraketter hver 1175 t.

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

Brændstof

Raket. Principtegning af en motor med flydende brændstof, her oxygen og hydrogen. To turbopumper pumper brændstoffet frem til forbrændingskammeret, hvor oxygen og hydrogen reagerer under kraftig varmeudvikling. Reaktionsprodukterne udstødes gennem dysen med høj hastighed og giver raketten fremdrift. Dysen køles vha. rør på dens yderside, hvorigennem den flydende hydrogen føres. Små mængder brændstof ledes til reaktion i gasgeneratoren, der driver gasturbinen til de to pumper.

Raket. Principtegning af en motor med flydende brændstof, her oxygen og hydrogen. To turbopumper pumper brændstoffet frem til forbrændingskammeret, hvor oxygen og hydrogen reagerer under kraftig varmeudvikling. Reaktionsprodukterne udstødes gennem dysen med høj hastighed og giver raketten fremdrift. Dysen køles vha. rør på dens yderside, hvorigennem den flydende hydrogen føres. Små mængder brændstof ledes til reaktion i gasgeneratoren, der driver gasturbinen til de to pumper.

Små faststofraketter som fyrværkeri- og signalraketter anvender krudt som drivstof. I større, moderne raketter kan brændstoffet være syntetisk gummi, evt. tilsat aluminiumpulver, og det iblandede oxidationsmiddel kan fx være ammoniumperklorat (NH4ClO4). Drivstoffet kan også være et enkelt stof, der virker som både brændstof og oxidationsmiddel, fx nitrocellulose eller nitroglycerin, tilsat stoffer, som regulerer forbrændingen. Raketter med fast brændstof har en relativt lav Isp på under 300 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 ammoniak, ethylalkohol, petroleum, methyl- eller dimethylhydrazin (se hydrazin) og hydrogen. I atomraketter er ethylalkohol, ammoniak og hydrogen anvendelige; soldrevne raketter anvender hydrogen. Som oxidationsmiddel anvendes især oxygen og nitrogentetraoxid, men også hydrogendioxid (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 Isp på ca. 456 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.

Styringen

Styringen af en raket 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 ved at dreje 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.

Opsendelser

Raketopsendelser kan ske fra fast installerede affyringsramper som fx Kourou-rumcentret i Fransk Guyana, Kennedy Space Center og Vandenberg Air Force Base i USA, Bajkonur i Kasakhstan, Plesetsk i Rusland, Xichang og Taiyuan i Kina, Tanegashima i Japan, Sriharikota i Indien, Palmachim i Israel og Musudan i Nordkorea. De fleste opsendelsessteder ligger nær ækvator, fordi de fleste store satellitter sendes op i en ækvatorial (geostationær) bane. Forskningsraketter opsendes bl.a. fra Nordnorge (Andøya) og Nordsverige (Kiruna). Militære raketopsendelser kan ske fra skjulte, nedgravede raketsiloer, fra mobile ramper og fra ubåde. Kommercielle opsendelser kan også ske fra affyringsramper til søs (se Sea Launch), og raketter kan opsendes fra specielt indrettede fly.

Historie

Raket. To forskellige typer af engelske raketter, konstrueret af oberst Congreve og benyttet ved Københavns bombardement 1807.

Raket. To forskellige typer af engelske raketter, konstrueret af oberst Congreve og benyttet ved Københavns bombardement 1807.

Den første dokumenterede brug af raketter er fra 1232, hvor kineserne brugte "pile af flyvende ild" mod indtrængende mongoler i Slaget ved Kaifeng. Drivmidlet var sortkrudt (se krudt). Mongolerne lærte selv at lave raketter og er muligvis ansvarlige for, at raketterne kom til Europa i slutningen af 1200-t. Raketter blev bl.a. anvendt under Hundredårskrigen af franskmændene ved befrielsen af Orléans i 1429.

I slutningen af 1700-t. 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-t. 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. USAs 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 nye rakettyper, som bygger på dele fra rumfærgerne.

Der udvikles til stadighed traditionelle løfteraketter, men samtidig arbejdes der intenst på udviklingen af et fuldstændig genbrugeligt raketdrevet fartøj, som kan starte og lande på almindelige start- og landingsbaner og bruges til transport ud i rummet.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Poul-Erik Karlshøj, Thomas A.E. Andersen: raket i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 19. oktober 2018 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=148423