Terveisiä kiertoradalta

Starshipin lento lauantaina oli menestys, mutta myös ei ollut

21.11.2023 klo 19.07, kirjoittaja Jari Mäkinen
Kategoriat: Terveisiä kiertoradalta

SpaceX teki lauantaina lokakuun 18. päivänä Starship-rakettinsa toisen koelennon. Lento päättyi kahteen räjähdykseen, mutta SpaceX:n väki sen kun hurrasi. Osa tästä oli showta, mutta tyytyväisyyteen on kyllä myös paljon aihetta. Tämä oli hyvä koelento ja sitä voi pitää suurelta osin onnistuneena, vaikka se ei mennyt ihan suunnitellusti.

Mikä on Starship?

Starhip on yksinkertaisesti maailman suurin kantoraketti, joka pystyy viemään avaruuteen enemmän tavaraa yhdellä kertaa kuin mikään muu raketti koskaan.

Se kykenee kuljettamaan myös ihmisiä ja siitä on tekeillä myös versio Kuuhun laskeutumista varten, kuten myös tankkeriversio, joka voi viedä avaruuteen polttoainetta ja happea Maan kiertorataa kauemmaksi lähteville aluksille, kuten Kuuhun laskeutuville aluksille. Nasa on valinnut Starshipin kuuversion astronauttien viemiseksi Kuun pinnalle vuonna 2025, joten tämä vuosiluku mielessä on hyvä ymmärtää miksi Nasa ja SpaceX haluaisivat saada rakettinsa käyttöön mahdollisimman pian.

Starship koostuu itse asiassa kahesta osasta: on boosteriksi kutsuttu ensimmäinen vaihe, viralliselta nimeltään Super Heavy, ja sen päällä toinen vaihe, itse avaruuteen menevä alus, Starship. Yksinkertaisuuden vuoksi kummankin kokonaisuutta kutsutaan myös Starshipiksi.

Starshipin sisällä on rahti, matkustajat tai polttoaine, mitä nyt halutaankin viedä kiertoradalle. Olennaista kummassakin on se, että ne ovat uudelleenkäytettäviä. Tehtävänsä tehtyään ne palaavat takaisin maahan, tarkistetaan, ja sitten ne voivat lentää uudelleen.

Tosin tällä lauantain koelennolla näin ei olisi vielä tehty. Nämä osat olisivat tuhoutuneet joka tapauksessa, elleivät räjähtämällä, niin mereen uppoamalla. Uudelleenkäytettävyys tulee mukaan kuvaan vasta koelentojen jälkeen.

Ensimmäinen vaihe palaa takaisin alas samaan tapaan kuin Falcon 9 -kantoraketin ensimmäiset vaiheet nykyisin. Vaiheen tehtävänä on tuottaa paljon työntövoimaa, nostaa toinen vaihe noin 70 kilometrin korkeuteen ja kiihdyttää se kohtalaisen suureen nopeuteen, noin 5600 kilometrin tuntinopeuteen.

Toinen vaihe jatkaa siitä eteenpäin ja kiihdyttää itsensä kiertoratanopeuteen tarpeeksi korkealla. Nyt Falcon 9:ssä (SpaceX:n käytössä olevassa raketissa), eikä missään muussakaan kantoraketissa toinen vaihe ole uudelleenkäytettävä. Kun vaihe on tehtävänsä tehnyt, eli vienyt satelliitit tai avaruusaluksen kiertoradalle, se tyypillisesti ohjataan putoamaan ilmakehään ja tuhoutumaan siinä.

Starship sen sijaan on päällystetty lämpösuojakerroksella ja se pystyy palaamaan takaisin. Sillä ei ole siipiä, mutta se palaa alas hallitusti maha edellä, vakaajiensa avulla asentoaan ja rataansa halliten. Alas se laskeutuu pystysuoraan, siis samaan tapaan kuin Falcon 9:n ensimmäiset vaiheet, lopussa rakettimoottoreillaan jarruttaen.

Starshipeillä on tehty monta koelentoa. Alus on noussut vain noin 10 kilometrin korkeuteen ja harjoitellut tätä mahallaan alaspäin laskeutumista ja etenkin vempautusta maha-asennosta laskeutumisasentoon. Tuloksena on ollut paljon räjähdyksiä, mutta lopulta temppu onnistui ja se on kuin suoraan tieteiselokuvista.

Tarkoitus tällä lauantain koelennolla oli nousta lentoon ja tehdä suborbitaalihyppäys. Starshipin ei ollut aikomus jäädä kiertoradalle, vaan tehdä vain pitkä pomppaus toiselle puolelle maapalloa ja pudota Havaijin luokse tyyneen valtamereen. Sekä boosteri että Starship olisivat koittaneet laskeutua kuten aikanaan on tarkoitus tehdä kiinteälle maalle, mutta nyt siis meren pinnalle siten, että ne olisivat ikään kuin laskeutumeet mutta lopulta uponneet veteen.

Tarkoitus ei siis ollut käyttää näitä uudelleen, mutta jos ne olisivat selvinneet, niin ne olisi voitu mahdollisesti onkia kuiville ja niitä olisi voitu tutkia tarkemmin.

Mutta näin siis ei käynyt, vaan kumpikin räjähtivät lennossa ennen laskeutumisvaihetta. Silti lento oli menestys – monestakin syystä.

1. Laukaisuteline kesti

Ensimmäisellä kokonaisen Starshipin koelennolla huhtikuussa raketti tuhoutui aikaisemmassa vaiheessa kuin nyt, ja lennolla oli monia erilaisia ongelmia.

Tarkoitus oli tehdä tuolloinkin samanlainen lento melkein maapallon ympäri, mutta ensisijainen tavoite oli yksinkertaisesti päästä lentoon ja olla räjäyttämättä laukaisualustaa. Siinä onnistuttiin, mutta silti laukaisualusta vaurioitui silti pahasti 33 rakettimoottorin voimasta. Rakettimoottoreita oli testattu aikaisemmin vajaateholla, mutta ensimmäisen laukaisun lentoonlähtö oli ensimmäinen kerta, kun kaikki moottorit toimivat täydellä puhkullaan (tai siis oli tarkoitus olla, koska osa raketeista ei toiminut kunnolla).

Nyttemmin on laskettu, että Super Heavyn 33 rakettimoottorin liekkipuhallus vastaa energialtaan pienen tulivuoren purkausta.

Laukaisualusta oli tehty kestäväksi, mutta ei ollut vielä lopullinen ensimmäisen laukaisun aikaan. Simulaatioiden ja laskelmien avulla sen oli arveltu kestävän, mutta teräsbetoni rakettimoottorien alla hajosi, ja kun siihen tuli halkeamia, niin rakettimoottoreista syöksynyt kaasu repi sen palasiksi ja sinkosi soraa ja betonia ympäriinsä laukaisupaikalla.

Laukaisualusta itsessään on paljon muutakin kuin vain teline, mistä raketti lähtee lentoon.

SpaceX kutsuu tätä nollanneksi vaiheeksi, koska se on hyvin monimutkainen rakennelma, jonka avulla koko iso raketti kasataan ja alustassa olevat putket tankkaavat raketin, kuten myös valuttavat ajoaineet (nestemäinen metaani ja nestehappi) takaisin tankkeihin, jos laukaisun perutaan jostain syystä.

Laukaisuteline pitää myös rakettia paikallaan, kiinni maassa siihen saakka, kun kaikki moottorit käyvät kunnolla.

Ensimmäisen laukaisun jälkeen alustaan on lisätty massiivisia teräslevyjä siihen alle ja putkisto, mistä tulee laukaisun aikaan valtavasti vettä alustalle. Se viilentää ja vähentää alustan rasitusta.

Nyt alusta toimi kuten piti. Siitä ei irronnut mitään, ja kuvien sekä SpaceX:n ilmoituksen mukaan se on valmis uuteen laukaisuun vaikka heti. Ja niinhän se on suunniteltukin. Periaatteessa uusi laukaisu voisikin tapahtua aika pian, sillä SpaceX:llä on valmiina jo odottamassa boostereita ja Starshippejä.

2. Kaikki moottorit toimivat koko ajan

Ensimmäisellä lennolla Super Heavyn 33 rakettimoottorista kolme oli sammunut jo lentoon lähtiessä ja viisi rikkoontui nousun aikana. Todennäköisesti laukaisualustan alta sinkoilleet betonipalat vaurioittivat myös moottoreita.

Myös Raptor-rakettimoottoreihin on tehty uutta laukaisua odottaessa parannuksia.

Moottorien nähtävästi täydellinen toiminta onkin tämän toisen koelennon suuri edistysaskel, sillä myös Starshipin kuusi moottoria toimivat suunnitellusti – paitsi ihan lopussa, mutta syynä hieman ennenaikaiseen loppuun eivät todennäköisesti olleet moottorit.

3. Hot staging, eli aktiivinen vaiheiden irrotus

Toinen tärkeä uudistus verrattuna ensimmäiseen koelentoon oli tapa, jolla Super Heavy ja Starhip irtosivat toisistaan.

Huhtikuisella koelennolla raketti kääntyi pois radaltaan ja pamahti juuri ennen irrotusta, mutta nyt irrotus onnistui hyvin. Tällä kerralla käytettiin menetelmää, missä Starship käynnisti moottorinsa jo ennen irtoamistaan: boosteri sammutti ensin osan moottoreistaan suunnitellussa järjestyksessä, jotta moottorit eivät enää kiihdyttäisi rakettia hurjasti eteenpäin, vaan lähinnä pitäisivät raketin lennossa radallaan.

Vain kolme keskimmäistä moottoria toimi, kun Starship käynnisti omansa, irtosi ja jatkoi eteenpäin.

Näin suurissa raketeissa vaiheiden irrottaminen tehdään yleensä siten, että ensin ensimmäinen vaihe sammuttaa moottorinsa kokonaan, sitten toinen vaihe irtoaa ja sen jälkeen toinen vaihe käynnistää rakettimoottorinsa.

Tällöin raketti on vähän aikaa painoton, koska se on vapaassa heittoliikkeessä ilman, että moottorit saavat aikaan kiihtyvyyttä. Tämän seurauksena tankkien sisällä olevat ajoaineet hölskyvät. Sen vuoksi ennen toisen vaiheen rakettimoottorien käynnistämistä annetaan pienemmillä raketeilla ensin sysäys, jolloin polttoaine ja nestehappi painautuvat tankeissa alaosaan. Silloin pumput voivat toimia normaalisti ja ajoaineet virtaavat tasaisesti rakettimoottorien polttokammioihin.

Jos nesteet hölskyvät, niin moottorit yskivät tai eivät käy lainkaan.

Nyt käytetyssä menetelmässä vaiheiden irtoamisen välillä ei ole tuota painottomuutta, vaan kiihtyvyys vain pienenee ennen toisen vaiheen irtoamista. Kiihtyvyys pitää ajoaineet koko ajan tankin pohjalla.

Tämän menetelmän huono puoli on se, että toisen vaiheen rakettimoottorit saattavat vaurioittaa ensimmäistä vaihetta. Normaalisti tämä ei ole ongelma, koska ensimmäiset vaiheet ovat kertakäyttöisiä. Ne putoavat alas ja tuhoutuvat joka tapauksessa.

Starshipin tapauksessa tarkoitus on käyttää boosteri uudelleen, ja siksi sen yläosaan oli asennettu erityinen osa, niin sanottu kruunu, jonka tarkoitus on suojata boosteria ja kääntää Starshipin moottorien pakokaasut sivulle.

SpaceX ei ole kertonut vielä mikä oli syy Super Heavyn menettämiseen, mutta yksi mahdollisuus on se, että kun Starship käynnisti moottorinsa, ne hidastivat puskullaan boosterin etenemistä odotettua voimakkaammin. Mittausten mukaan kiihtyvyys loppui kokonaan. Silloin ajoaineet olisivat alkaneet lennellä ympäri tankkia. Se, että rakettimoottorit eivät käyneet tuon jälkeen kunnolla, viittaaa myös siihen, etteivät ne saaneet nesteitään kunnolla.

Vaihe itsessään aloitti kuitenkin suunnitellusti lentonsa takaisin alas kääntymällä ensi sivuun. Kun moottorit eivät kuitenkaan käynnistyneet kunnolla, niin vaihe räjähti: todennäköisesti räjähdys ei tullut raketin itsetuhojärjestelmästä, vaan tankeissa hölskynneistä nesteistä ja niiden aiheuttamasta epätavallisesta tilanteesta.

4. Itsetuholaitteet toimivat

Mitä tulee räjähdyksiin, niin niistä on myös syytä olla iloinen. Ensimmäisellä lennolla itsetuhojärjestelmä ei toiminut kuten piti. Sen pitäisi räjäyttää raketti heti kun se on livennyt sivuun suunnitellulta radaltaan. Näin siitä ei koidu vaaraa kenellekään. Ensimmäisellä lennolla raketti pyöri pitkään, ennen kuin se räjähti. Nyt itsetuholaitteisto toimi suunnitellusti.

Tosin ensimmäisen lennon suunnittelematon viive oli siinä mielessä hyvä, että se osoitti kuinka tukeva Starshipin ja Super Heavyn ruostumattomasta teräksestä tehty runko on. Normaali raketti olisi hajonnut aerodynaamisen voimien vuoksi heti käännyttyään vähän vinoon, mutta Starhip teki vain iloissaan silmukoita ennen kuin yli minuutin vatuloinnin jälkeen se räjähti.

SpaceX oli odottanut pitkään laukaisulupaa tälle toiselle lennolle viranomaisilta, ja yksi syy viivytyksen oli huonosti ensimmäisellä lennolla toiminut itsetuhojärjestelmä. Toinen oli laukaisun aikana ympäristöön lentäneet betonipalaset.

Laukaisupaikka Boca Chica Teksasissa on luonnonsuojelualuetta, eivätkä siellä olevat harvinaiset merikilpikonnat pidä varmaankaan siitä, että saavat päälleen betonia. Nyt sitä ei nähtävästi tullut.

5. Nousu avaruuteen

Starship irtosi Super Heavystä suunnitellusti ja jatkoi matkaansa ylöspäin. Kaikki sujui hyvin, ja alus kohosi selvästi avaruuteen 145 kilometrin korkeuteen ja kiihdytti itsensä lähes 24000 kilometrin tuntinopeuteen.

Mutta sitten yhteys siihen menetettiin.

Tarkoitushan ei ollutkaan jäädä kiertoradalle, vaan lentää lentää pitkässä kaaressa Tyynen valtameren päälle ja laskeutua siellä mereen Havaijin luona. Starship räjähti juuri ennen tuon pitkän vapaan lennon alkua.

Se, että Starship nousi avaruuden puolelle ja lähes kiertoratanopeuteen, on saavutus, mutta silti aluksen menettäminen juuri tässä lennon vaiheessa on suuri pettymys.

Laukaisuvideolla näkyy, että aluksesta saattaa irrota kaasua jo ennen yhteyden katoamista. SpaceX toteaa, että aluksen ”suorityskyky oli pienempi kuin suunniteltiin”. Oliko Starshipissä vuoto, joka vaikutti rakettimoottoreihin ja sai aikaan itsetuhorähäjähteiden aktivoitumisen, kun alus lipesi sivuun suunnitellulta radaltaan?

Tähän varmaakin saadaan vielä vastaus myöhemmin, koska aluksesta todennäköisesti otettiin vastaan paljon telemetriatietoja.

Vanha avaruus vs. uusi avaruus

Etenkin sosiaalisessa mediassa on ollut paljon kommentointia laukaisun jälkeen. Muun muassa perinteisten avaruusyhtiöiden edustajat ovat nälvineet SpaceX-yhtiötä epäonnistumisesta ja ihmetelleet, miksi esimerkiksi laukaisuvideolla yhtiön työntekijät hurmoshenkisesti vain hurraavat, kun raketti räjähtää – ihan kuin se olisi hienoa. Heille kun räjähdys on pahin painajainen.

Nälvijät eivät ymmärrä sitä, että SpaceX kehittää rakettiaan eri tavalla kuin perinteisesti on ollut tapana. SpaceX kyllä laskee ja simuloi paljon etukäteen, mutta se tekee myös paljon koelentoja. Osa päätyy räjähdyksiin, mutta jokaisen lennon aikana saadaan lisätietoa, jonka perusteella tekniikkaa kehitetään eteenpäin.

Simulaatiot, ennakoinnit ja laskelmat eivät ole sama asia kuin testaaminen todellisissa olosuhteissa oikeilla laitteilla.

Elon Musk on sanonut, että Starshipin saaminen käyttökuntoon vaatii kymmenkunta koelentoa. Nyt oli vasta toinen.

Joka kerralla päästään askel eteenpäin, ja esimerkiksi jo nyt tiedetään, että todennäköisesti tapa, millä boosterin moottoreita sammutetaan ennen vaiheiden irtoamista, mitää suunnitella uudelleen. Näin Super Heavyn nopeus ei putoaisi niin olennaisesti heti kun Starship käynnistää moottorinsa. Voi olla, että hienosäätö riittää, voi olla, että irrotusmanöveeriin täytyy tehdä isompiakin muutoksia.

Tätä iteratiivista tapaa voi tietysti kritisoida, mutta SpaceX:n Falcon 9 on erinomainen esimerkki siitä, että se toimii. Sen ensimmäiset vaiheet ovat nyt uudelleenkäytettäviä, ja niiden luotettavuus on aivan erinomaisen hyvä. Voi sanoa, että ne toimivat kuin junan vessa. Ensimmäiset vaiheet ovat laskeutuneet jo noin 250 kertaa virheettä, mutta aivan aluksi tuli aika monta epäonnistumista, kun oikeaa tapaa etsittiin.

Ja jo silloin yhtiössä tuli tavaksi hurrata räjähdyksille – kyse ei ole epäonnistumisesta, vaan joka kerta saatiin lisää tietoa ja se otettiin huomioon seuraavaa lentoa valmisteltaessa.

On ollut jotenkin traagista lukea perinteisten rakettien kehittäjien katkeria päivityksiä tästä Starshipin lennosta, mutta takana saattaa olla myös aiheellinen pelko siitä, että Starship tekee heistä työttämiä ja kaikki muut raketit vanhanaikaisiksi.

Eikä se perinteinenkään tapa ole mitenkään erinomaista: esimerkiksi uuden eurooppalaisen Ariane 6 -raketin suunnittelu alkoi jotakuinkin samaan aikaan Starshipin tekemisen kanssa, ja Ariane 6 pääsee todennäköisesti lentoon vasta ensi keväällä. Pitää myös muistaa, että Ariane 6 ei ole uudelleenkäytettävä ja se on paljon pienempi kuin Starship. Paljon helpompi tapaus siis.

Ariane 6:n tekijät pelkäävät ensilennon epäonnistumista hyvin, hyvin paljon. Kenties raketin tekeminen olisi sujunut nopeammin ja paremmin, jos hyväksyttäisiin se, että ensilento on ensilento, ja siksi riskialtis.

Toinen asia, mikä Starshipin koelennon yhteydessä on taas kerran pistänyt silmään, on monien kriittinen suhtautuminen rakettiin yksinkertaisesti siksi, että SpaceX on Elon Muskin perustama ja johtama. Starship on hänen ideansa ja hän on sitä puskenut eteenpäin omalla energiallaan ja rahallaan.

Muskista voi olla montaa mieltä, kuten myös siitä onko hänen tiiviin työtahdin vaatimuksensa hyväksyttävää. Suurin osa yhtiön työntekijöistä tietää ja ymmärtää, että he ovat tekemässä historiaa, ja siksi he ovat valmiita työskentelemään nyt vaikka kellon ympäri. Osalle tämä on kuitenkin vaikeaa, sillä erityisesti tasaisen perhe-elämän ja kiihkeän rakettikehittämisen välinen tasapaino on pelkkää haavetta. Ketään ei kuitenkaan pakoteta työskentelemään SpaceX:ssä, joten ainakin minun on vaikea moralisoida tätä – tosin olen liian työhullu itsekin.

Ja mitä Muskiin tulee, niin monet nerot ovat vaikeita ihmisiä. Itse toivoisin, että hän jättäisi viesipalveluX:n kanssa puuhaamisen, viestittelyn siellä ja yleisesti ottaen politiikan muiden tehtäväksi. Olisi hyvä, jos hän keskittyisi rakettien ja sähköautojen tekemiseen. Niissä hän on hyvä ja näistä on selvää hyötyä ihmiskunnalle.

Starbasessa tehdään taatusti juuri nyt jälleen pitkää päivää, kun koelennon tuloksia selvitellään ja valmistaudutaan jo kolmanteen koelentoon. Virallisesti tästä lennosta tehdään nyt onnettomuusraportti FAA:lle, laukaisuluvista vastaavalle Yhdysvaltain ilmailuviranomaiselle, ja se antaa sitten aikanaan luvan seuraavaa laukaisua varten. Oletettavasti nyt prosessi on varsin suoraviivainen, ja uusi lento saattaa toteutua nopeastikin.

Toivottavasti.