Rummet Kalder ESA - S. Corvaja, 2011 Baggrundsviden om raketopsendelser Rakettyper, Soyuz-raketten, drivmidler og den rigtige bane for afsendelse. Materialet giver en introducerende baggrundsviden til undervisningen i raketter og de fysiske principper bag raketafsendelser. Baggrundsmaterialet er et supplement til Testotekets forsøg til Dansk Naturvidenskabsfestival og primært henvendt til undervisere og elever i udskolingen. Undervisningsmaterialet Rummet kalder er udviklet af Projekt Rumrejsen 2015.
Raketter den russiske Soyuz-raket ombord i et russisk rumskib, som også hedder Soyuz, så det kan godt være lidt forvirrende. Indtil videre er Soyuz-raketten den eneste, som kan bringe mennesker til eller fra rumstationen. Soyuz: En anden transskribering af det russiske Сою з er Sojuz. Det betyder forening eller sammenslutning, og det er et levn fra Sovjet-tiden, hvor det første ord for nationen på russisk er Soyuz (USSR på dansk, CCCP på russisk). Foto: Soyuz lift off. ESA Det er rigtig smart på film, når et rumskib tager et skarpt drej om et hjørne eller pludselig flyver den modsatte vej, men i den virkelige verden fungerer det ikke på den måde. Vi har indtil videre kun én måde at manøvrere i rummet på, og det er med raketter. Til gengæld er der mange forskellige slags raketter. Nogle virker bedst til opsendelser fra Jorden, nogle til rejser mellem planeterne, og vi kan også spekulere på, hvad der skal til, hvis vi en dag vil rejse mellem stjernerne. Et centralt element i enhver rummission bemandet eller ej er selve raketopsendelsen. Alle bemandede opsendelser til ISS foregår med Soyuzraketten, men ESA har også sit eget raketsystem, som er baseret på Arianeraketterne. Andreas Mogensens rejse til den internationale rumstation ISS foregik med De amerikanske rumfærger blev også brugt på den måde, indtil de blev sendt på pension i 2011. Kina har som den eneste nation ud over Rusland mulighed for at sende mennesker i rummet, men de kinesiske rumskibe kan ikke kobles sammen med ISS. Sammenkobling i rummet er ikke standardiseret. På ISS er der forskellige sammenkoblingsporte til de forskellige typer af rumskibe. Soyuz-raketten Soyuz-raketten er en videreudvikling af en gammel militærraket til atomvåben. Dengang, i 1959, blev den kaldt R-7A eller Semyorka, som blot betyder Syveren. Det er den samme type raket, som blev brugt ved opsendelsen af den første satellit Sputnik 1 den 4. oktober 1957. Til den lejlighed blev raketten døbt om til Sputnik-PS. Siden har rakettypen heddet mange andre ting: Polyot, Voskhod, Vostok og senest Soyuz, som betyder Forening. Raketten er blevet ændret og forbedret mange gange, men det er den samme grundlæggende konfiguration, som udgør Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 2
den del, som løfter raketten den første lange strækning op fra Jorden. Det er en lang cylinder, som bliver tyndere nedad, og som i bunden har 4 store og 4 mindre raketdyser. Uden på denne cylinder er koblet 4 ens hjælperaketter, også med hver 4 store raketter, men med hver 2 mindre raketdyser. I alt starter raketten med 20 store raketmotorer. Oven på dette første og andet trin bygges der så yderligere trin. I Soyuz-versionen er den centrale cylinder meget længere end den oprindelige, gamle raket, og ovenpå monteres først 3. trinnet og så i rækkefølge et instrumentmodul, et landingsmodul og et kredsløbsmodul. Astronauter sidder i landingsmodulet både under opsendelse og landing, og der er plads til tre personer i modulet. Der opsendes også Soyuz-raketter fra den europæiske ESA-rumbase Kourou i Fransk Guyana, men ikke med mennesker ombord. Foto: Soyuz under transport. ESA - S. Corvaja, 2011 Undervejs til og fra ISS Opsendelsen af mission Soyuz TMA-18M skete fra Baikonur-kosmodromen i Kasakhstan; en af de tidligere sovjetrepublikker. Rumbasen kaldes også i dag Tyuratambasen, opkaldt efter den nærmeste by. Baikonur er også et bynavn, men den by ligger meget længere væk. Navnet blev valgt for at skjule den rigtige placering af basen under den kolde krig. Det er herfra, alle bemandede russiske opsendelser er sket. Der opsendes også ubemandede raketter fra basen, og der er flere andre raketbaser i Rusland. Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 3
Figur: De forskellige trin under affyringen. NASA Ved opsendelsen tændes alle 20 raketmotorer i 1. trinnet og hjælperaketterne, og desuden bidrager alle de små motorer til styringen. I de første 6-8 sekunder løfter raketten sig næsten ikke, men så tager accelerationen til. Hjælperaketterne brænder ud efter knapt 2 minutter og kastes af i en højde af 45 km, og de fire hjælperaketter falder til Jorden i et sikkerhedsområde 350 km fra opsendelsesbasen. Astronauterne føler accelerationen som et tryk. De ligger i særligt tilpassede sæder, for at blodet ikke skal løbe fra hjernen, så de besvimer, og så de indre organer ikke bliver rystet løse - en raketopsendelse er en meget rystende oplevelse. Trykket svarer normalt til 2-3 gange tyngdekraften på jordoverfladen: 2-3G. Når 1. trin er brændt ud, kastes det også af; besætningen er vægtløs et kort øjeblik, og bliver så banket tilbage i sæderne når 2. trinnet starter. Det sker 170 km oppe. Efter cirka 9 minutter er rumskibet i kredsløb, og derefter tager det normalt omkring 6 timer, før sammenkoblingen med ISS sker. Så først kan astronauter åbne spænderne og komme ud af den meget forkrampede stilling, som de begrænsede pladsforhold betinger. Tilbageturen til Jorden starter med, at man ifører sig rumdragterne og ormer sig ned i de medbragte sæder - hvert besætningsmedlem har sit eget formstøbte sæde, og de skal almindeligvis skiftes ud, for man rejser normalt ikke tilbage til Jorden i det samme rumskib, som man bliver sendt op med. Soyuz bliver koblet fra rumstationen og driver langsomt så langt væk, at man kan starte den kraftige raketmotor, som skal bremse rumskibets fart. Motoren fyres af i bevægelsesretningen, så besætningen for første gang igen mærker tyngdepåvirkning (tyngdekraft og acceleration kan ikke skelnes fra hinanden - tænk på, hvordan man får det sidste yoghurt ud af kartonen!). Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 4
Foto: Raketmotor på Soyuz. ESA Turen ned igennem atmosfærens urolige lag er på ingen måde mildere end turen op. Rumskibet holdes stabilt med varmeskjoldet forrest ved hjælp af styreraketter. Hvis den aktive styring af en eller anden grund svigter, er rumskibet stadig selvstabiliserende, men det falder så i en ballistisk bane, hvor besætningen kommer ud for påvirkninger op omkring 10 G, og hvor rumskibet lander omkring 450 km fra det planlagte landingsområde. I en højde af 9 km, 15 minutter før landingen, udløses den første af fire faldskærme, og ét sekund før landingen fyres 6 små raketmotorer lodret ned for at bremse faldet, så sammenstødet med Jorden bliver noget nær behageligt, men stadig med 3 m/sekund eller 11 km/t. Soyuz lander altid på land, men er også i stand til at klare en landing på vand i en nødsituation. Hvordan virker raketter? Det er simpel newtonsk mekanik, som ligger til grund for, at raketter virker. Loven om aktion og reaktion betyder, at man får fart på fremad, når man kaster noget bagud. Det er ikke forskelligt fra det, man kan gøre, hvis man i en båd har tabt årerne, eller hvis motoren sætter ud lige før landgangsbroen. Man sætter båden i bevægelse ved at smide et eller andet bagud - for eksempel den uduelige motor! Hvis man vil have meget fart på som ved en rumopsendelse, hvor man gerne skulle ende med en fart på mindst 8,3 km/sekund for at komme i kredsløb må man kaste en stor masse bagud med stor fart. Her kommer de andre af Newtons love i spil. Jo tungere afkastet er, og jo hurtigere man kan kaste det bagud, desto mere fart får man på. Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 5
Når raketter ikke kaster for eksempel bly eller noget andet meget tungt bagud, er det fordi faste stoffer er meget svære at give en stor hastighed. I praksis er det altid varme gasser, som udgør reaktionsmassen. Gasserne varmes kraftigt op ved voldsomme kemiske reaktioner imellem et drivmiddel og et iltningsmiddel, og gasserne udvider sig og trykker tilbage på raketdyserne: rumskibet bevæger sig fremad med en hale af varme gasser efter sig. Når man starter raketten fra Jorden, skal trykket fra motorerne overstige rakettens samlede vægt - ellers nytter det ikke noget. Samtidig med at man accelererer opad, bliver raketten hurtigt lettere, fordi noget af iltningsmidlet og drivmidlet jo kastes bagud, så det bliver lettere og lettere at få farten sat op. Det er for tungt at accelerere en mere og mere tom tank sammen med rumskibet i toppen af raketten. Derfor bruges flertrinsraketter, hvor de tomme tanke kastes af undervejs. Der er grænser for, hvor effektive brændstoffer vi har til rådighed. Det er et spørgsmål om kemi. Brændstof er som oftest væsker, og de skal holdes inde i tanke. Selv hvis tankene fremstilles af lette fibermaterialer, vil de udgøre et problem. Foto: Påfyldning af brændstof på Galileo, copyright: ESA/CNES/ARIANESPACE-Service Optique CSG Raketbrændstof Der bruges flere forskellige raketter og forskellige typer brændstof og iltningsmiddel på Soyuz-raketten og i Soyuz-rumskibet. Alle tre trin i Soyuzraketten bruger det samme drivmiddel og iltningsmiddel: RP-1, som er en type kerosen (petroleum), som meget ligner jetbrændstof. Iltningsmidlet er flydende ilt (LOX). Soyuz-rumskibet har en driv- og bremsemotor og manøvreraketter med Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 6
nitrogen tetroxid (dinitrogentetroxid) og asymmetrisk dimethylhydrazin (UDMH også kaldet heptyl) som henholdsvis iltningsmiddel og brændstof. Lige før landingen, 1 m over Jorden, affyres en fast-brændstofraket nedad. UDMH og nitrogen tetroxid er voldsomt giftige stoffer, men hver for sig er de ret stabile væsker. Hvis de bliver bragt i kontakt med hinanden, sker der dog noget. De to væsker er hypergolske. Det betyder, at de spontant reagerer med hinanden. Fordelen er, at raketmotoren ikke behøver nogen tændingsmekanisme. Ulempen er, at hvis der er den mindste læk i en af tankene, rørene eller pumperne, sker der meget voldsomme ting. Fast brændstof kan være meget forskellige materialer. Det er aldrig krudt som i nytårsraketter, men det kan for eksempel være et gummiagtigt materiale, som er støbt sammen med findelt aluminium. Fast brændstof derimod kræver en tændsats, og når først raketmotoren er startet, kan den ikke stoppes igen, før alt brændstoffet er fyret af. Det er en af grundene til, at fast brændstof kun bruges til starter og landinger, hvor præcisionen ikke er voldsomt kritisk. Der findes også andre typer raketter og raketbrændstof. Selv noget så simpelt som trykluft kan bruges, for eksempel til små styreraketter, som holder en satellit vendt i den ønskede retning. Ion-motorer udsender tungt brændstof, som for eksempel metaller, men trykket er ikke ret stort, så de kan ikke bruges til at starte et rumskib fra Jorden eller en anden planet. Foto: Grafisk præsentation af Soyuz. ESA - CNES/Illus D. Ducros Til gengæld kan de fungere over meget lange tidsrum, så de er meget effektive til langvarige rummissioner ud i Solsystemet eller endda længere væk. Det har også været foreslået for eksempel at bruge en slags atombomber. De eksploderer med voldsom kraft, og de er ret så effektive i forhold til deres vægt. De giver dog andre problemer, for eksempel at de vil give en mildest talt ujævn tur, og at de vil efterlade et spor igennem rummet af ret så ubehagelige stoffer. Er man først i rummet, er der også en række andre manøvremuligheder. De bygger alle sammen på variationer af Newtons love. For eksempel kan store lette solsejl udnytte kraften fra sollyset både til acceleration og opbremsning i baner omkring Solen - lidt ligesom et sejlskib. Magnetfelterne omkring Jorden og i rummet længere væk kan også bruges til at manøvrere rumskibet. Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 7
Baner i kredsløb ISS falder rundt omkring Jorden i en kredsløbsbane (se dokumentet om vægtløshed), men selv i ca. 480 km højde er der en smule atmosfærisk luft, og det bremser hele tiden rumstationen. Det betyder, at den taber omkring 2,5 km højde pr. måned, og det kan jo ikke blive ved. Desuden er det somme tider nødvendigt at ændre banen eller retningen for den enorme rumstation. Det gør man med en motor på det russiske Zvezda-modul, som var det første element til rumstationen, som blev sendt op. Figur: Forløb fra kredsløb om jorden til landing på jorden. NASA Zvezda bruger det samme brændstof som Soyuz-raketterne, så når en ny raket kommer op, pumper man det overskydende brændstof over i ISS's tanke. Desuden er der altid mindst et rumskib mere koblet på i en position, så det kan bruges til manøvrer, hvis den store motor skulle svigte. Andre raketter Soyuz-raketten og den kinesiske Lange March-raket er for tiden og langt ind i fremtiden de eneste, som kan anvendes til at sende mennesker i rummet. I USA er man i gang med at afprøve en ny generation raketter til astronautopsendelser, SLS. Den forventes at være klar i 2021. SLS vil dog være alt for stor og tung til at blive brugt til opsendelser til ISS i normale tilfælde. Der er også andre private firmaer, som arbejder på at bygge raketter, som kan sende mennesker i rummet. De europæisk byggede Ariane-raketter vil måske også kunne godkendes en gang omkring 2020, men det er ikke endeligt besluttet. Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 8
Inspirationsmateriale om raketopsendelser Raketforsøg Japansk raketforsøg ikke af den vellykkede slags! Se videoen her. Efter linket er der blandt andet videoer af flertrins-vandraketter. Byg en raket, drevet af vand og luft. Se videoen her. SRP om raketforsøg og vandraketter. Find det her. Kræver adgang til Studienet.dk. Sky Lights. Animation hvor kredsløb er forklaret som en kobling imellem lodret fald og vandret hastighed for rumfærgen. ESA-video på YouTube. The Soyuz launch sequence explained. ESA launchers: Samlet oversigt over afsendelser I ESA-regi. ESA Space i videoer: - Whoosh bottle - animation af Ariane raketter. - Mini whoosh bottle The tyranny of the rocket equation: Don Pettit om grundlæggende fysik, drivmidler, masse og raketafsendelse. Spacelaunchreport: Faktuel side om Soyuz-raketten, bl.a. med specifikationer. Soyuz launch: For Spaceships, there is no business class: Don Pettit, om at bliver sparket ud i rummet i toppen af en raket. DR Skole ud i rummet. Med baggrundsoplysninger, quizzer, henvisninger, spil, videoklip og elevopgaver. Spil raketsimulatorspillet. ESA teachers corner, education: Rockets and technology resources Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 9
Generelle links om rumforskning På dansk Rumrejsen.dk - den danske side om Andreas Mogensens IRISS rummission. Her kan du også finde inspiration til din undervisning. DR Skole har afviklet en konkurrence, hvor elever har kunnet foreslå forsøg, som Andreas Mogensen skal udføre, mens han er ombord på ISS. Se de indkomne forslag Dansk Selskab for Rumfartsforskning har en del interessante artikler her samt et godt tidsskrift, som kan findes på bibliotekerne. Rumtema på Science Guide Playliste med videoer til undervisning på gymnasieniveau. ESA eduspace. Især telemålingsforsøg til større elever. Undertemaer: Vejr og klima, globale forandringer og naturkatastrofer m.v. Niveauopdelt til folkeskolen og gymnasiet. Aarhus Universitet og Københavns Universitet har hver sin spørgetjeneste, hvor man også kan finde svar på spørgsmål om rummet, rumforskning og astronomi. På engelsk ESA Kids. Her er både eye openers, simple forsøg, pdf-filer til satellitmodeller, nyheder og sjov. ESA Space for educators. Portal for lærere til alle niveauer. ESA-portalen Teacher's Corner. Indeholder links til alle ESEROafdelingerne samt henvisninger til lærerkurser, elevforsøg og store mængder af baggrundsmaterialer, deriblandt en række nyere videoer og andre ressourcer til undervisningen. DTU s læringsportal Rummet.dk. Her ligger en del ressourcer, svar på spørgsmål, små fine spil, animationer ESERO Irland Classroom Resources. Struktureret samling af forsøg. Rummet kalder, temaforløb om raketopsendelser - www.rumrejsen.dk 10