Ursan julkaisuja 120

Avaruus lentäjän

käsikirja

Jari Mäkinen

Helsingissä

Tähtitieteellinen yhdistys Ursa

Kuvalähteet

Arianespace

British Aerospace

Bigelow/Boeing

Copenhagen Suborbitals

EADS Astrium

EADS (Deutsche Aerospace)

ESA

Hamilton-Standard

JAXA

JRS

Mikko Juhola

Lockheed

Jari Mäkinen

National Security Space Office

Orbital Sciences

Reaction Engines Ltd

Romanet & Cie

Roskosmos

Rotary Rocket

Scaled Composites

SpaceDev

SpaceX

A. Title (Stanford Lockheed Institute)/TRACE/NASA

United Launch Alliance

Ursa

USAF

Virgin Galactic

www.firstafricaninspace.com

XINHUA

Muut kuvat Nasa

© Jari Mäkinen ja Ursa ry 2010

Kaikki oikeudet pidätetään.

Toimitus ja graafinen suunnittelu: Markus Hotakainen / Kirjavelho

E-kirjan toteutus: Gracevoice 2011

KL 52.4

ISBN-13 978-952-5329-83-4 (sid.)

ISBN-13 978-952-5329-90-2 (epub)

Ursan julkaisuja 120 (ISSN 0357-7937)

Tähtitieteellinen yhdistys Ursa® ry, Helsinki

www.ursa.fi

Sisällys

10 Lukijalle

9 Kahdeksassa minuutissa kiertoradalle

8 Kuinka kaukana avaruus on?

7 Avaruusalukset

6 Työpaikka tähtitaivaalla

5 Miltä tuntuu olla siellä ylhäällä?

4 Avaruussatamasta taivaalle

3 Haluatko avaruuslentäjäksi?

2 Turistina taivaalle

1 Seuraava etappi?

0 Ulos avaruuteen!

Astronautiikan aakkoset

Rymden – Avaruus – fascinerar, lockar och inspirerar runt hela jordklotet. I både bildlig och ordagrann betydelse tycks det vara något som förenar människor i hela världen. Kanske finns det bara en annan sak som intresserar människor mer och det är andra människor. Inte konstigt då att just människor i rymden – astronauter, kosmonauter, rymdfarare, eller vad de nu kallas – och deras färder blir så omskrivna.

Jag tillhör en de få som haft den fantastiska turen och möjligheten att få uppleva rymden på plats. Upplevelsen av att sväva runt i tyngdlöshet utanför den Internationella Rymdstationen under rymdpromenader samtidigt som den underbart vackra jorden glider förbi 350 km under mig är obeskrivbar. Jag kan bli lycklig bara av att tänka på det oskattbara minnet.

Dessa minnen och erfarenheter vill rymdfarare gärna dela med sig och även berätta om så mycket annat spännade som hör samman med rymdfarte. Men det är inte så lätt att skriva och förklara bra. Det är därför mycket glädjande när duktiga journalister och skribenter tar sig för denna utmaning. Jag känner Jari Mäkinen sedan många år och vi har gjort otaliga intervjuer tillsammans; trevliga samtal som alltid har resulterat i utmärkta och intressanta artiklar. I alla fall de jag kunnat läsa när de varit på engelska eller svenska, men jag betvivlar inte att de finska är minst lika bra. Jari kan rymdfart och han kan skriva. Följ med hans nedräkning från ”take-off” till framtidens rymdfärder mot nya världar!

* * *

Avaruus kiehtoo, houkuttelee ja innostaa ihmisiä kaikkialla maapallolla. Se myös yhdistää ihmisiä ympäri maailman sekä kuvaannollisesti että kirjaimellisesti. Ehkä vain me ihmiset olemme vielä kiinnostavampi aihe ja siksi ei olekaan ihme, että avaruudessa käyneiden – kutsutaanpa heitä sitten astronauteiksi, kosmonauteiksi tai avaruuslentäjiksi – matkoista kerrotaan niin paljon.

Kuulun niihin harvoihin, joilla on ollut satumainen onni ja mahdollisuus kokea avaruus. On sanoinkuvaamaton kokemus leijua painottomana Kansainvälisen avaruusaseman ulkopuolella sen kiitäessä vain 350 kilometrin korkeudella hämmästyttävän kauniin maapallon yllä. Tulen onnelliseksi pelkästään ajattelemalla tätä unohtumatonta muistoa.

Avaruuslentäjät haluavat jakaa näitä muistojaan ja kokemuksiaan, ja kertoa muistakin avaruusmatkailuun liittyvistä jännittävistä aiheista. Ei ole kuitenkaan helppoa kuvailla niitä kunnolla kirjoittamalla. Siksi on ilahduttavaa, että kyvykkäät toimittajat ja kirjailijat tarttuvat haasteeseen. Tunnen Jari Mäkisen vuosien takaa, ja hän on haastatellut minua lukemattomia kertoja. Ne ovat olleet miellyttäviä juttutuokioita, joiden tuloksena on syntynyt erinomaisia ja mielenkiintoisia artikkeleita. Ainakin niissä tapauksissa, joissa olen voinut lukea ne englanniksi tai ruotsiksi, mutta en epäile lainkaan, etteivätkö ne olisi vähintään yhtä hyviä suomeksi. Jari tuntee avaruuslennot ja hän osaa kirjoittaa. Seuratkaamme siis hänen lähtölaskentaansa kohti tulevia avaruusmatkoja uusiin maailmoihin!

ESTECissä, Noordwijkissä, 24. syyskuuta 2010

Christer Fuglesang

Voisin aloittaa tämän kirjan ylevästi toteamalla, että olemme kaikki avaruuslentäjiä, koska matkustamme ilmattomassa, kylmässä, kuumassa, mustassa ja autiossa avaruudessa pienellä Maa-nimisellä aluksellamme.

Mutta en aloita, koska tiedämme kaikki varsin hyvin, että olemme täällä planeettamme pinnalla painovoiman vangitsemina, tuomittuina liikkumaan pelkästään vaakatasossa omin voiminemme ja käyttämään konevoimaa, kun haluamme pompata hiemankin yläilmoihin. Matkustaminen avaruuteen on ollut vain muutaman sadan valitun ihmisen etuoikeus, ja vaikka avaruusaikaa on kestänyt jo puoli vuosisataa ja vaikka kiertoradalla on nyt pysyvästi kuusi henkilöä, ei meistä miljardeista ihmisistä ole kuin vaivainen 0,00007 promillea päässyt katsomaan kotiplaneettaamme avaruudesta omin silmin.

Kyllä, olen wannabe-astronautti – lähtisin tältä istumalta avaruusmatkalle, jos joku tulisi kysymään. Vaikka olenkin utopisti ja optimisti, olen kuitenkin sen verran realisti, että ymmärsin jo varsin varhain, ettei minulla ole käytännössä lainkaan mahdollisuuksia avaruuslentäjäksi, vaikka fyysisesti ja taidollisesti todennäköisesti kelpaisinkin. Se ei ole kuitenkaan estänyt tutustumasta asiaan syvällisemmin, ja vaikka en suoranaisesti mitään urasuunnitelmaa ole tehnytkään, ovat erilaiset sattumaketjut ohjanneet minut onnekkaasti astronomin uralta tiedetoimittajaksi, jolle monet ovet ovat avautuneet. Tutkijana tai insinöörinä olisin tuskin Suomesta päässyt näkemään ja kokemaan avaruuslentämisen maailmaa näin läheltä.

Rakkaus avaruutta, lentämistä ja erityisesti avaruuslentämistä kohtaan on ollut tämänkin kirjan lähtökohta, mutta se on samalla ollut pääsyy siihen, että kirjaa on tehty noin vuosikymmenen ajan. Oikeastaan on ollut hyvä, että näin on käynyt, sillä juuri nyt olemme kiinnostavassa taitekohdassa avaruuslentojen historiassa: avaruusturismi on nyt oikeasti alkamassa. Se tuo avaruuslentämisen lähemmäksi meitä kaikkia. Itse asiassa olen hyvin toiveikas sen suhteen, että pääsen sen ansiosta itsekin käymään avaruudessa. Siis ihan oikeasti kiertoradalla, ei vain pikaisella pomppauksella ilmakehän ja avaruuden rajamailla. Se saattaa tapahtua pikemmin kuin uskonkaan, tai sitten jäädä haaveeksi.

Mutta vielä muutama sana tästä kirjasta. Siinä on paljon asiaa, mutta samalla paljon on jäänyt pois. Historiaa on kuitenkin käsitelty monissa kirjoissa – myös suomeksi viime aikoina – ja yksityiskohtaisempia tietoja kaipaavat löytävät niitä ylitsepursuavasti netistä. Kirja onkin tarkoitettu katsaukseksi ja yleiskuvaukseksi avaruuslentämisestä.

Kirjan tekeminen on ollut siis pitkähkö projekti, eikä se olisi tässä ilman suurta määrää muita ihmisiä. Kuten Markku Sarimaata Ursasta, joka on jaksanut odotella kärsivällisesti vuosikymmenen ajan, ja Markus Hotakaista, jonka tuleminen mukaan kirjan taittajaksi avusti sen toteuttamisessa olennaisesti – ilman hänen lievää painostustaan, tarinan selkiyttämistään, "no, tehdään se kirja nyt pois" -toteamustaan ja erinomaista yhteistyötä hänen kanssaan tätä kirjaa olisi odotettu varmasti toiset 10 vuotta. Heille siis erityskiitokset.

Jättimäisen suuri kiitos Euroopan avaruusjärjestölle, jonka avustamana olen päässyt paikkoihin ja tapahtumiin, joista olen osannut vain uneksia. Muutamia nimeltä mainitakseni: Heidi Graf, Franco Bonacina, Michel van Baal, Rosita Suenson…Danke, grazie, dank u ja tack.

Kiitokset myös Yleisradiolle, Tekniikan maailmalle ja Tähdet ja avaruus -lehdelle, jotka ovat olleet pääasiallisia työnantajiani ja tehneet mahdolliseksi tiedetoimittajana toimimisen ja kiinnostavissa paikoissa käymisen. Erityisesti tässä kumarran Yleisradion sekä siellä olleiden ja olevien monien ystävien ja kollegoiden suuntaan.

Kumarrus myös monille astronauteille, etenkin Christer Fuglesangille, jotka ovat jaksaneet jutella ja vastata tyhmiin kysymyksiin – jotkut jopa moneen kertaan ja pitkissä illanistujaisissa.

Kiitos samoin Marko Pekkolalle, jonka kanssa käydyt noin miljoona keskustelua ovat lukuisten yhteisten projektien ja maailmanparantamisen lisäksi muun muassa auttaneet ymmärtämään sen, että lehtijutuissa ei tarvita kaikkia yksityiskohtia. Hänen kanssaan yhteistyössä syntyneet (lue: hänen erinomaisesti editoimansa) lehtijutut ovat myös auttaneet hiomaan tämän kirjan kirjoittamista. Ja kiitoksia niin ikään Mikko Suomiselle, joka on lukenut niin edeltäviä kirjan versioita kuin tätä lopullistakin läpi ja poiminut sieltä monia asioita korjattavaksi ja täsmennettäväksi.

Ja vielä kiitoksia vanhemmilleni, jotka kestivät nuoren miehen rakettikokeita kotipihalla ja antoivat hänen kurottaa Kuuhun. Erityiskiitokset lopuksi Philippelle, joka on jaksanut innostua, ymmärtää, auttaa ja vastata suuresta osasta kotitöitä näiden vuosien ajan.

Kiitokset myös Tiedonjulkistamisen neuvottelukunnalle, joka antoi viime vuosituhannen puolella pienen apurahan tämän kirjan tekemiseen, eikä ole sitä alkanut karhuta tässä välissä takaisin.

Siis kiitos kaikille – ja nyt matkalle avaruuteen!

Leidenissa, 19. syyskuuta 2010

Jari Mäkinen

Suuri Sojuz-kantoraketti suhisee vain kymmenen metrin päässä. Sen polttoainetankit ovat täynnä kerosiinia ja nestemäistä happea. Se hohtaa kylmänä arolle pystytetyllä betonisella laukaisualustalla ja tuntuu vain pidättelevän sisällään kuplivaa voimaa, joka hetken kuluttua päästetään irti.

Katselen rakettia Kazakstanin mustan yön keskellä. Kaiuttimista kuuluu metallinen ääni, joka kertoo laukaisun olevan parin tunnin päässä. Vaalea höyry suhisee ilmaan vihreäkylkisen raketin kyljestä.

En valitettavasti ole astumassa pieneen hissiin, joka veisi minut ylös Sojuz-alukseen, vaan seison laukaisualustalla kantoraketin juurella jostain absurdista syystä yksinäni. Tai melkein, sillä ämyreiden äänen lisäksi seuranani noin 50 metriä korkeammalla kapselinsa sisällä ovat Roberto Vittori, Sergei Krikaljov ja John Phillips, joiden on tarkoitus nousta Sojuzilla hetken kuluttua avaruuteen.

Hetkeä aikaisemmin tilanne oli suorastaan hektinen, kun olimme kokoontuneet satapäisen joukon mukana saattamaan avaruuslentäjiä pieneen hissiin, joka nosti heidät avaruusasemalle pian lähtevään alukseen. Sitten kaikki vain pakkautuivat autoihin ja ajoivat pois, mutta minut unohdettiin laukaisualustalle. Näin voi tapahtua vain Venäjällä, sillä Nasan laukaisukeskuksessa Kennedyn avaruuskeskuksessa kukaan ulkopuolinen ei olisi edes päässyt näin lähelle laukaisuvalmista sukkulaa, ja jos olisi, niin turvallisuusjärjestelmä olisi häätänyt hänet jo moneen kertaan.

En kuitenkaan ole huolestunut, pikemminkin päinvastoin. Laukaisuun on vielä tunteja, eikä raketti lähtisi matkaan ennen aikojaan. Ja jos jostain syystä lähtisi, olisi muutaman sadan metrin päässä useitakin bunkkereita, joiden taakse voisi mennä suojaan mielestäni turvalliselle etäisyydelle moottoreiden liekeistä. Itse asiassa olisi hienoa, jos vahingossa pääsisin seuraamaan laukaisua näin läheltä. Mutta sitä tuskin tapahtuisi, sillä pian joku varmasti ilmestyisi hakemaan.

Odotellessani en voinut olla ihailematta vihreäksi maalattua Sojuz-kantorakettia, joka selvästikin oli hienomekaanikkojen sijaan konepajateollisuuden tuote. Ei mitään pikkutarkkaa hi-techiä, vaan pikemminkin kuin veturi, tai siis tässä tapauksessa työntyri, sillä alapuolella olevat rakettimoottorit puskevat rakennelman päällä olevan avaruusaluksen kiertoradalle. Niiden välissä oleva osa oli oikeastaan vain suurta polttoainetankkia, nyt piri pintaan tankattuna nestehapella ja kerosiinilla.

Kaikessa hohdokkuudessaan kantoraketti ei olekaan muuta kuin laite, joka muuntaa valtavan määrän kemiallista energiaa hyvin suureksi nopeudeksi ja tekee sen hallitulla ja ohjattavissa olevalla tavalla. Konstailematon Sojuz huokuu tätä periaatetta jokaisella niitillään, joilla sen ulkokuoren alumiinipellit on liitetty tehokkaasti, mutta kestävästi kiinni toisiinsa. Ei mikään ihme, että Sojuz ei paljon hätkähdä, vaikka Kazakstanin arolla puhaltaisi luminen pakkastuuli tai lähestyvä hiekkamyrsky piiskaisi sitä keskikesän polttavassa auringonpaahteessa.

Kun ennalta laskettu laukaisun aika koittaa, jylisee Sojuz liki kellontarkasti taivaalle, kuten aiemmatkin raketit ovat tehneet jo yli 1700 kertaa. Sojuz eri versioissaan on ylivoimaisesti maailman käytetyin kantoraketti, sen kyydissä on viety avaruuteen miehitettyjen alusten lisäksi monenlaisia satelliitteja ja planeettaluotaimia.

Sojuz-alus on sijoitettu Sojuz-kantoraketin nokkaan aerodynaamisten suojakuorien sisälle. Ylimpänä on pelastusraketti, joka nostaa aluksen turvaan mikäli jokin menee traagisesti vikaan laukaisualustalla tai laukaisun ensi hetkinä.

Periaatteessa samanlainen raketti nosti liki puoli vuosisataa aikaisemmin Juri Gagarinin ensimmäistä kertaa avaruuteen juuri tältä samalta laukaisualustalta, ja raketin nokassa oleva Sojuz TMA -avaruusalus on sekin periaatteeltaan samanlainen kuin Gagarinin Vostok. Vuosikymmenten kuluessa ammoinen R-7-ohjus on saanut sisäänsä uutta tekniikkaa ja sen yksityiskohtia on hiottu, mutta periaatteessa laukaisut sujuvat samaan tapaan ja lento menee totuttuun, koeteltuun tapaan.

Venäläisille on muodostunut rautainen rutiini Sojuz-rakettien tekemisessä, lentoon valmistelussa ja laukaisemisessa, mikä näkyy nytkin kaikessa toiminnassa. Poissa on se hermostuneisuus, mikä Yhdysvalloissa pistää silmään etenkin sukkulan laukaisun alla.

Yksi osoitus siitä on kaiuttimissa särähtelevä ääni, joka käy läpi ennen laukaisua tehtäviä toimia. Raketti suhisee vaalean happihöyryn noustessa ilmaan, avaruuslentäjät kapselissaan korjaavat asentoaan. Jostain kaukaa kuuluu jo auton ääni – noutaja on tulossa.

Ehdin kuitenkin luoda vielä viimeisen silmäyksen pian kohti taivasta nousevaan Sojuziin. Raketin ensimmäisen vaiheen muodostavat neljä apurakettia sekä niiden keskellä oleva keskusrungon alaosa, jotka laukaisun hetkellä syttyvät samanaikaisesti. Apuraketit ovat noin 20 metriä korkeita, paksuimmasta alaosastaan 2,7 metriä leveitä laitteita, joihin kuhunkin mahtuu noin 40 tonnia polttoainetta. Neljä sellaista tuottaa yhteensä lähes 3300 kilonewtonin työntövoiman, joka riittäisi nostamaan ilmaan liki 400 keskikokoista henkilöautoa. Lisäksi niiden keskellä oleva raketin varsinaisen rungon alin osa synnyttää 800 kilonewtonin voiman. Kaikkiaan 20 polttokammiota syöksee kuumaa kaasua taakseen, kun Sojuz nousee ilmaan.

Pois ajaessamme parhaat päivänsä nähneen maastoauton kuljettaja kertoo, että jotkut huimapäiset kuvaajat ovat jääneet laukaisualustan lähelle ikuistamaan nousua mahdollisimman autenttisesti. Kokemus on ollut totaalinen sanan täydessä merkityksessä, sillä bunkkerinkin takana liekkien loimu polttaa, moottoreista pakeneva kaasu puhaltaa kuin tulinen tuuli ja jylisevän äänen suorastaan tuntee iholla. Voin hyvin kuvitella sen, sillä laukaisun aikaan jopa parin kilometrin päähän sijoitetusta katsomosta kantoraketin nousun äänen pystyy aistimaan koko kehollaan. Ääni tosin tulee viiveellä, sillä ensin raketin alla näkyy vain kirkas valo, sitten laukaisualustan kiinnikkeet irtoavat ja raketti nousee lentoon.

Havaintopaikalla jyly alkaa vasta kun raketti on jo selvästi nousemassa. Sen ääni voimistuu ihon kananlihalle nostavaksi jylinäksi ja hiipuu vähitellen sitä mukaa kun raketti kohoaa korkeammalle. Itse raketti näyttää koomisen pieneltä sen perässä oleviin liekkeihin ja savuvanaan verrattuna.

Kantoraketin nousun seuraaminen on aina sykähdyttävä kokemus, etenkin kun tietää, että ensin hitaasti, mutta pian yhä vauhdikkaammin kohti taivasta nousevan valopisteen sisällä matkustaa ihmisiä. Kazakstanin arolta Baikonurista laukaistavan Sojuzin nousu on erityisen hohdokas kokemus.

15. lokakuuta 1783 on tärkeä päivämäärä ihmisen avaruuden valloituksen kannalta, koska silloin ihminen nousi ensimmäistä kertaa ilmaan: tuolloin 26-vuotias ranskalainen fysiikan opiskelija Jean-François Pilâtre de Rozier nousi paperista valmistetulla kuumailmapallolla kolmenkymmenen metrin korkeuteen. Hän oli siten ensimmäinen painovoiman kahleista vapautunut ihminen.

Kuumailmapalloja oli lennätetty jo aiemminkin, lennokeita liidätetty ja isojakin raketteja singottu taivaalle, mutta viimein ihminen pystyi hyppäämään kyytiin ja nousemaan ylös Maan pinnalta.

Ilmapallokuume levisi ympäri Euroopan ja sitten muuallekin maailmaan. Palloilla noustiin yhä korkeammalle, ne tulivat suuremmiksi ja niitä opittiin ohjaamaan, kunnes eteen näytti tulevan raja. Ennätyskorkeuksia tavoitelleet palloilijat palasivat takaisin kylmissään ja sekavina. Lämpötila näytti laskevan noin asteen verran 150 metriä kohden, eli parissa kilometrissä on lämpötila laskenut jo toistakymmentä astetta alemmaksi. Viidessä kilometrissä ollaan jo alle nollan, vaikka lähtöpaikalla Maan pinnalla olisi kesähelle. Kymmenessä kilometrissä pakkasta on viitisenkymmentä astetta, ja korkeammalle mentäessä tilanne näytti vielä pahenevan.

Kylmyyttä vastaan pystyi suojautumaan hyvin vaatteilla, mutta ilman oheneminen rajoitti yhä korkeammalle nousemista. Ilmiö ei tietenkään ollut mikään yllätys, sillä korkeiden vuorten huipuilla hengästyminen oli tuttu ilmiö ja vuorikiipeilijät olivat kivunneet korkeuksiin raskaita ilmanpainemittareita kantaen.

Ilman oheneminen oli todistettu tieteellisesti ja mittaukset sanoivat suoraan, että viiden kilometrin korkeudessa ilmanpaine on enää noin puolet paineesta merenpinnan tasolla. Suurin osa ilmakehän sisältämästä kaasusta on silloin jo alapuolella.

Ohut ilma ei ollut aikaisemmin mikään ongelma, sillä korkeankin vuoren huipulle kapuamiseen meni helposti päiväkausia, joten kiipeilijä ehti tottua vähitellen harvenevaan happeen.

Nopeasti kilometrien korkeuteen ponnistava pallo oli kuitenkin aivan eri asia, sillä elimistö ei ennättänyt sopeutua tilanteeseen. Koska pallot kohosivat vauhdilla, ilmenivät ilman ohenemisen mukanaan tuomat oireet vasta silloin, kun pallo oli jo noussut paljon ylemmäksi.

Pian havaittiin, että noustessaan nopeasti ylöspäin ihminen muuttui sekavaksi viiden kilometrin tienoilla ja tuupertui pari kilometriä korkeammalla. Sitä ylemmäksi uskaltautuneet joko kuolivat tai tulivat alas lähes mielipuolisina.

Syyksi tähän todettiin hapen puute, eikä sille tuossa vaiheessa voinut tehdä juuri mitään, koska kunnollisia happilaitteita ei ollut. Niinpä Preussin ilmatieteellisen laitoksen tutkijoiden Bersonin ja Süringin vuonna 1901 tekemä ennätys, 10 820 metriä, säilyi suurimpana ihmisen saavuttamana korkeutena kolmen vuosikymmenen ajan.

Ilmakehän raja tulee vastaan

1900-luvun alussa pallot nousivat jo parinkymmenen kilometrin korkeuteen, mutta ilman matkustajia. Ilmakehän yläosien olosuhteiden mittaamisen lisäksi pallot osoittivat pätevyytensä avaruustutkimuksessa: vuonna 1912 kosmiset säteet löydettiin korkealle lentäneen ilmapallon avulla. Happilaitteiden kehittyessä nousivat ihmisetkin yhä ylemmäs.

Ihmisen ääriolosuhteisiin sopeutumista tutkinut brittilääkäri, professori John Scott Haldane, teki erään ensimmäisistä painepuvuista. Tätä mallia käytettiin 1930-luvun lopulla.

Lentokoneet tekivät kehityksen vielä nopeammaksi, ja pian yksinkertaisten happilaitteiden lisäksi kehitettiin ensimmäiset painepuvut, kun amerikkalainen lentäjä Wiley Post kehitti ensimmäisen toimivan puvun ja samalla avaruuspuvun esiasteen vuonna 1937. Hänen pukunsa oli kuin kumista tehty ihmisen muotoinen ilmapallo, missä pään kohdalla oli metallinen kypärä ja siinä lasinen ikkuna. Puku oli kaikkea muuta kuin kaunis tai kätevä, mutta se oli askel eteenpäin.

Eräänlainen ilmapalloilun huippuhetki oli elokuussa 1957, kun amerikkalainen avaruusbiologian tutkija David Simons vietti 32 tuntia noin 35 kilometrin korkeudessa suuren kaasupallon kannattamassa paineistetussa kondolissa. Kondoli oli käytännössä kuin yksinkertainen avaruusalus, sillä tuolla korkeudella ilmaa ei ole enää kuin nimeksi, taivas on syvänsininen ja alapuolella lepäävän maapallon kaarevan muodon näkee selvästi.

Simmons oli ensimmäinen ihminen, joka näki Auringon nousevan ja laskeutuvan avaruuden rajamailta. Hän kirjoitti: "Pieni kapselini ei vaikuttanut lainkaan ahtaalta tai vankilalta, vaan pikemminkin eteiseltä, joka toivotti tervetulleeksi katsomaan uskomattomia näkymiä ja tarjosi uusia mielenkiintoisia mahdollisuuksia. On suorastaan sääli palata täältä takaisin Maan pinnalle".

Ilotulitteilla eteenpäin

Ainoa tapa parantaa Simmonsin korkeusennätystä oli ilmatiivis avaruusalus, jonka voimanlähteenä olisi moottori, joka ei tarvitse ilmaa toimiakseen. Siis rakettimoottori, joka kantaa polttoaineen ja hapettimen mukanaan, ja työntää alusta eteenpäin Newtonin mekaniikan kolmannen lain mukaisesti.

Laki sanoo, että jokaisella voimalla on vastavoima, eli jos istun veneessä tiilipinon kanssa ja heittelen ilokseni tiiliä veneestä järveen yhteen ja samaan suuntaan, alkaa vene liikkua juuri päinvastaiseen suuntaan. Jokainen poispäin lentävä tiili saa aikaan sysäyksen vastakkaiseen suuntaan.

Rakettimoottorissa sysätään yhteen suuntaan tiilien sijaan kaasua. Mitä enemmän ja mitä suuremmalla nopeudella kaasua suihkutetaan suuttimesta taaksepäin, sitä suuremmalla voimalla moottori pökkii rakettia eteenpäin. Rakettimoottorin tai suihkumoottorin työntövoima ei siis tule siitä, että suihkuvirtaus törmäisi ilmaan ja työntäisi siten laitetta eteenpäin, vaan kyse on voiman ja vastavoiman yksinkertaisesta laista.

Ongelmana tosin vielä 1900-luvun alussa oli se, että raketteja käytettiin oikeastaan vain ilotulituksissa ja tykistön tukena sodankäynnissä. Käytössä olleet raketit olivat vain paranneltuja versioita niistä lentävistä bambukepeistä, joita kiinalaiset käyttivät jo 1200-luvulla, ruuti oli vain parempaa mustaa ruutia ja materiaalina oli teräs. Suurimmat raketit painoivat laukaisukunnossa noin 135 kg.

1800-luvulla raketit alkoivat olla vakavasti otettava aselaji, kun aikaisemmin niillä oli lähinnä häiritty vastustajaa. Kuvassa Intian armeija hyökkää brittejä vastaan Guntarissa vuonna 1780 ja voittaa taistelun rakettien aiheuttaman paniikin ansiosta. Robert Anderson laati käytännöllisen oppaan rakettipolttoaineista, niiden tekemisestä ja lentoratojen laskemisesta. Vuonna 1696 painettu teos ei ole juurikaan vanhentunut (oikealla).

Vain muutamat valopäät olivat esittäneet ajatuksia siitä, että ihminen voisi ratsastaa raketilla ja sitä voitaisiin käyttää hallitusti kuin moottoria. Ensimmäinen heistä oli venäläinen räjähdysaine-ekspertti Nikolai Kilbaltšitš, joka ehdotti rakettia lentävän laitteen voimanlähteeksi vuonna 1881.

Hänen kuvitelmissaan lentolaitteen ohjaaja oli vähän kuin höyryveturin kuljettaja, joka hiilien pesään lapioimisen sijaan olisi heittänyt ruutia rakettiinsa. Kilbalstšitšin ura avaruustutkimuksen parissa jäi kuitenkin kovin lyhyeksi, sillä hänet tuomittiin kuolemaan osallisuudesta tsaarin murhayritykseen.

Tuomionsa täytäntöönpanoa odottaessa Kilbaltšitš suunnitteli erityisen rakettilaitteen, jossa oli akselien varassa vaakatasoon käännettävä miehistökapseli sekä ruudilla toimivat rakettimoottorit, joihin syötettiin lisää ruutia lennon aikana suuremmasta ruutisäiliöstä.

Tästä eteenpäin jatkoi toinen venäläinen, jonka nimi on paljon tunnetumpi: Konstantin Tsiolkovski. Hän oli innostunut avaruudesta nuoresta alkaen, mutta 1800-luvun lopun feodaali-Venäjällä ei taivaiden halaamisesta maksettu: niinpä hänet lähetettiin Moskovaan yliopistoon ja hän pääsi sittemmin kuuroudestaan huolimatta opettajaksi pieneen Kalugan kylään Moskovan eteläpuolelle. Avaruutta hän ei kuitenkaan jättänyt rauhaan.

Tsiolkovski kirjoitti vuonna 1895 ilmestyneessä kirjassaan Unelma Maasta ja taivaasta kuinka "ilmakehän ulkopuolella, noin 300 virstan (noin 320 km) päässä planeetastamme" voisi olla Maata kiertämässä ihmisen tekemä keinotekoinen kuu.

Pari vuotta myöhemmin Tsiolkovski laski kahdeksan kilometrin sekuntinopeuden riittävän siihen, että Maata kiertävä kappale jää avaruuteen ikiajoiksi. Eikä se ollut haaveilua, vaan näin todella on: matalin pysyvänä pidetty kiertorata on 180 kilometrin korkeudessa ja sillä oleva satelliitti vaatii 7,8 kilometrin sekuntinopeuden pysyäkseen radalla.

Avaruuteen lentämiseen ja siellä pysymiseen ei siis riittänyt, että pystyi nousemaan ilmakehän ulkopuolelle, vaan lentolaitteen piti saavuttaa hurja nopeus, jotta se pysyisi Maata kiertävällä radalla!

Konstantin Tsiolkovski oli aikaansa edellä suunnitellessaan erilaisia avaruusaluksia ja -asemia 1800- ja 1900-lukujen vaihteessa. Uuden vuosisadan alettua visionäärejä oli jo paljon enemmän, ja pitkälti heidän ansiostaan avaruusaika alkoi niin nopeasti kuin se lopulta alkoi.

Nestettä rakettiin

Tuolloisilla raketeilla oli kuitenkin täysin haavetta saavuttaa noin korkea ja tarkasti nopeudeltaan määrätty kiertorata. Vaikka kiinteällä polttoaineella toimivat rakettimoottorit olivat yksinkertaisia ja luotettavia, ei niiden ohjaaminen ja työntövoiman säätäminen ollut mahdollista. Kun ne oli kerran sytytetty, ei niitä voinut enää sammuttaa. Niinpä tarvittiin jotain muuta, kuten nestemäisellä polttoaineella toimiva rakettimoottori.

Nesteraketin hallinta sen sijaan kävisi kuin polttomoottorin, eli sen työntövoimaa voisi säätää ja se voitaisiin sytyttää ja haluttaessa myös sammuttaa. Lisäksi nestemäisten polttoaineiden käsittely olisi helpompaa: raketti voitaisiin periaatteessa vain tankata ja laukaista uudelleen lentoon.

Haittapuolena oli kuitenkin nesteraketin tekninen monimutkaisuus, sillä kun kiinteää polttoainetta käyttävässä raketissa on vain polttoaineella täytetty polttokammio ja suutin, on nesteraketissa oltava säiliöt, putket, venttiilit, polttoaineen pumppauslaitteet tai muut polttoainetta syöttävät järjestelmät sekä polttokammio suuttimineen, joita pitää jäähdyttää. Monimutkaisuuden lisäksi moottorissa pitäisi käyttää hankalasti työstettäviä materiaaleja.

New York Timesin artikkelissa 13. tammikuuta 1920 kirjoittaja toteaa voiman ja vastavoiman lain terveen järjen vastaiseksi. Lehti julkaisi korjauksen hieman myöhemmin, juuri ensimmäisen kuuhunlaskeutumisen edellä heinäkuussa 1969.

Ensimmäisenä nesterakettimoottorin teknisen monimutkaisuuden onnistui vääntämään toimivaksi laitteeksi amerikkalainen Robert Goddard. Massachusettsissa Clarkin yliopiston fyysikkona työskennellyt G...