SpaceX – uus lehekülg kosmosetehnikas
Ülo Vaher
08.05.2011

Uuendusmeelse ja eduka ärimehe Elon Muski asutatud kosmosetehnoloogia firma SpaxeX (Space Exploration Technologies) on välja töötanud uut tüüpi kosmoseraketid Falcon ja kosmoselaeva Dragon. Need võimaldavad seadmeid ja inimesi kosmosesse saata üle kümne korra odavamalt, kui seda on teinud riiklikud kosmoseagentuurid. Tänu sellele võib avaneda tee kosmosesse ka tuhandetele erafirmadele.

Paljude tehnikaharude arendamine on tänapäeval kas otseselt või kaudselt seotud ka kosmosetehnika kasutamisega. Eeskätt muidugi side- ja infotehnoloogia – televisioon, satelliitside, asukohatuvastus GPS jne, mis on seotud mitmesuguste satelliitide tegutsemisega nii maalähedastel kui ka geostatsionaarsetel orbiitidel. Kahjuks on seejuures paljudele firmadele jäänud suureks takistuseks seadmete orbiidile toimetamise kõrge hind – üle 10 miljoni dollari 100 kg lasti kohta.
Nüüd on Lõuna-Aafrika ja Ameerika päritolu visionäär ning ettevõtja Elon Musk seadnud eesmärgiks tuua pööre kosmosetehnika arendamisse, asendades selle paradigma sootuks uuega. Tulemusena alaneks kosmosetehnika hind vähemalt kümme korda ja võimaldaks kosmosele ligipääsu seniste suurriikide kõrval ka tuhandetele erafirmadele. Sellel eesmärgil asutas ta 2002. aastal firma SpaceX (Space Exploration Technologies), millel on Californias, Texases ja Floridas üle 1100 töötaja ja mis on juba välja töötanud nii uut tüüpi raketid Falcon (pistrik) kui ka kosmoselaeva Dragon (draakon). Nende loomisel on kasutatud paljusid tehnoloogilisi uuendusi, alates materjalidest ja lõpetades mootoritega. Kokku tagavad need senisest suurema töökindluse ja stardiks ettevalmistumise aja drastilise lühenemise, kuid uue süsteemi põhialuseks peab Musk eelkõige tehnika korduvkasutust. Praegune kosmosetehnika kannab veel olulisel määral kosmoserelvastumiseaegseid sünnimärke – kui tähtis oli üksnes lasti (tollal pommi) kohaletoimetamine ja veoki (raketi) saatus polnud tähtis ning tal lasti hukkuda. Tsiviiltehnikas on aga vastuvõetamatu, et veok või suurem osa sellest pärast lasti kohaletoimetamist hukkub. Kahjuks on see tänini jäänud nii Sojuzide kui ka kosmosesüstikute puhul nõrgaks kohaks, sest startinud massist jõuab orbiidile vaid 2–3%.
SpaceX tahab nüüd tuua Maale tervena tagasi juba oma töö ära teinud raketi astmed – ülesanne, mida seni peeti võimatuks, sest suure langemiskiiruse tõttu põle(k)sid nad atmosfääris ära enne maale jõudmist. Tuli leida moodus nende langemiskiiruse aeglustamiseks (pidurdamiseks). Ja selleks valiti langevarjud. Samuti võeti kasutusele senisest tulekindlamad materjalid.

Pistrikepere kääbused ja hiiglased
Nagu maapealse transpordi korral, nii on ka kosmoses vajalikud erineva kandevõimega veokid vastavalt lasti suurusele. Pistrike esiklaps Falcon 1 püüdis orbiidile jõuda juba 2006 märtsis, kuid täiesti õnnestunud lend toimus alles neljandal katsel 28. septembril 2008. Juba järgmisel lennul Kwajaleini atolli Omeleki saarekesel paiknevalt stardiplatvormilt 2009. aasta juulis toimetas ta 685 km kõrgusele orbiidile 180 kg kaaluva Malaisia kaugseiresatelliidi RazakSAT. Erinevalt traditsioonilistest kolmeastmelistest kosmoserakettidest on Falconi pere liikmed kaheastmelised, mis suurendab tunduvalt nende töökindlust, sest astmete eraldumine stardil on üks ebakindlamaid operatsioone. Rakettide esimese astme tarbeks töötati välja Merlini mootor, mis kasutab kütusena puhastatud petrooli RP-1 ja oksüdeerijana vedelat hapnikku. Mootoris kasutatakse põlemiskambri ja düüsi jahutuseks regeneratiivset süsteemi, mille puhul lastakse kütusel enne põlemiskambrisse jõudmist voolata läbi nii selle kui ka väljumisdüüsi seinte. Rakettide esimeses astmes kasutatakse Merlini mootori varianti 1C, mille veojõud stardil on 560 kN ning kütusekulu 140 kg/s. Pärast oma töö lõppu avatakse esimese astme dubleeritud poltidesüsteem ja aste eraldatakse pneumaatilise eemaldussüsteemi abil ning lastakse langevarjude abil ookeani, kust ta korjatakse üles ja saadetakse taaskasutusse.
Teises astmes kasutatakse vaakumkeskkonnas töötamiseks kohandatud mootori varianti, millel on efektiivsuse tõstmiseks suurendatud väljuvate gaaside sektsiooni ning pikendatud väljumisdüüsi. Falcon 1 teises astmes võidakse kasutada ka Kestreli mootorit, mida iseloomustab lihtne surve-toite- ja dubleeritud süütesüsteem ning korduva taaskasutuse võimalus.
Falcon 1 on 21,3 m kõrge, tema diameeter on 1,7 m ja stardimass 27,7 t ning ta suudab orbiidile toimetada 420 kg lasti. Selle Falconi-pere pisipoja täiustatud variant Falcon 1e on kopsakam kasvult (pikkus 24,7 m ja stardimass 35,2 t) kui vägevam jõu poolest ja suudab orbiidile toimetada üle tonni kaaluva lasti. Pere hiiglased on Falcon 9 ja veel arendusjärgus olev Falcon 9 Heavy (raske). Falcon 9 saadi suhteliselt lihtsalt – tema esimesse astmesse pakiti korraga üheksa Merlin 1C mootorit, millega saavutati veojõud 4400 kN ning võime saata maalähedasele orbiidile last kaaluga 10,45 t (geostatsionaarsele orbiidile 4,54 t). Falcon 9 kõrgus on 54,3 m, diameeter 3,66 m ning stardimass 333,4 t. Tema raskekaaluline veli Falcon 9 Heavy saadakse aga sel teel, et Falcon 9 esimese astme kõrvale kinnitatakse lisaks veel kaks täiendavat esimest astet. Selle tulemusena suudaks ta tavaorbiidile saata korraga 32 t või geostatsionaarsele orbiidile 19,5 t. SpaceX juhtivad insenerid on vihjanud ka tulevikuplaanidele luua veelgi võimsamad kanderaketid Falcon X ja Falcon XX, kasutades selleks uut tüüpi Merlin 2 mootorit, mis oleks senisest üle kolme korra võimsam. Falcon 9 sooritas eduka esmalennu 4. juunil 2010 Canaverali neeme stardiplatvormilt nr 40 ja sooritas 300 tiiru ümber Maa, kandes endaga kosmoselaeva Dragon maketti.

Kosmoseveok ja -laev Dragon aitavad NASA hädast välja
Ühel tähtsamal kohal SpaxeX ettevõtmistes on töökindla kosmoseveoki ja -laeva Dragon väljatöötamine, mis oleks võimeline toimetama varustust ja/või kosmonaute rahvusvahelisse kosmosejaama ISS. Selleks loodeti hankida kasulik leping rikka NASAga, kes on praeguseks sattunud üsna keerulisse olukorda. Teatavasti otsustas Bushi administratsioon juba 2004. aastal, et aastal 2010 tuleb kosmosesüstikute lennud ISSile lõpetada, sest nende ressurss on ammendunud, ning asuda välja töötama rakettide ning kosmoselaevade uut põlvkonda, mis oleksid võimelised viima astronaute mitte üksnes ISSile, vaid ka Kuule ja Marsile. Sellele üliambitsioonikale ja kallile programmile nimega Constellation sai aga saatuslikuks globaalne majanduskriis ning Obama oli sunnitud selle finantseerimise 2011. aasta eelarvest maha tõmbama. ISSi on aga arendatud juba kümme aastat ja ta on lõpuks valmis ning seal saaks tõhusamalt kui Maa peal läbi viia paljusid teaduslik-tehnilisi uurimistöid, kuid varustuse ja kosmonautide viimiseks sinna jääks vaid võimalus liisida vastavat Vene tehnikat, millega aga viidaks üsnagi kopsakas rahasumma USA majandusest välja. Näiteks pidi USA möödunul aastal maksma Venemaale 287,4 miljonit dollarit kuue astronaudi koha eest Sojuzidel. Samuti tähendaks ISSi programmi lõpetamine paljude tuhandete töökohtade kaotust. Ägedate debattide tulemusena jõuti siiski mingile kompromissile, mille kohaselt ISSi programmi veel ei lõpetata, vaid sõlmitakse leping firmaga SpaceX, kes toimetaks varustust ja astronaute kosmosejaama, kasutades selleks Dragoni modifikatsioone. 1,6 miljardi dollariline leping NASAga näeb ette 12 Dragoni lendu ISSile programmi COTS (Commercial Orbital Transportation Services) raames.
Dragoni loomisel võeti arvesse nii senise kosmosetehnika kasutamise kogemusi kui ka uusi arengusuundi. Inimeste transpordi puhul jääb peamiseks nõudeks ohutus. Et senistel lendudel ISSile on osutunud töökindlaimaks Sojuzid, siis kasutati Dragoni loomisel analoogseid printsiipe – see on tömbi koonuse kujuga kapsel, mis viiakse orbiidile kanderaketi ülemise astme ninas ja tuuakse maale tagasi langevarjudesüsteemi abil. Esialgu on ette nähtud küll vaid laskumine vette, kust kapsel tuuakse välja helikopterite abil ja seatakse korda järgmisteks lendudeks, kuid tulevikus täiendatakse seda pehme maandumise võimalusega ka maapinnale.
Vabalt lendava kosmoselaevana on Dragon ISSi teenindamise kõrval ühtlasi sobiv platvorm ka erinevate kosmosetehnoloogiate demonstreerimiseks ja teaduslike eksperimentide läbiviimiseks orbiidil. Selline variant kannab nime DragonLab ja see võib kosmoses lennata kuni kaks aastat. Dragonis on nii normaalrõhul kui ka vaakumiga sektsioonid ning esmavariant on mõeldud varustuse transpordiks, kuid suhteliselt väikeste ümberehitustega võib seda kohandada ka inimeste (kuni 7) transpordiks, samuti on võimalik ka vahepealne variant – vähem reisijaid ja rohkem lasti.
Dragon, mille üldpikkus on 6,1 m ja diameeter 3,7 m, koosneb kolmest põhiosast: 1) ninakoonus, mis kaitseb seadet ja põkkumissõlme tõusul orbiidile; 2) kosmoselaev, milles paiknevad meeskond ja/või normaalrõhul hoitav last, samuti ka teenindussektsioon, kus asub avioonika, RCS-süsteem, langevarjud ja muu abistav taristu; 3) pagasiruum vaakumit taluva lasti jaoks ja päikesepaneelid ning termoradiaatorid. Dragoni veok ja sõiduk erinevad teineteisest peamiselt selle poolest, et viimastes on sees ka inimeste eluvõimalusi tagav süsteem, meeskonna päästesüsteem ja käsitsijuhtimisseadmed. Esiosas paiknev põkkumissõlm võimaldab automaatset põkkumist ISSi sõlmedega. Dragon suudab maalähedasele orbiidile viia kuni 6000 kg lasti ja maale tagasi tuua 3000 kg. Normaalrõhul oleva lastiruumi maht on 10 m3 ja vaakumiga osas veel 14 m3. Võib kasutada ka 4,3 m pikkust lastiruumi pikendust täiendava mahuga 34 m3. Kütusetagavara ISS-reisideks on 1290 kg. Manööverdusteks orbiidil ja asendi täppisseadistamiseks kasutatakse 18 Draco MMH/NTO reaktiivmootorit. Pööratavate päikesepaneelide elektriline võimsus on keskmiselt 2000 W, maksimumis 4000 W.
Üks olulisemaid struktuurseid komponente taaskasutatava Dragoni juures on selle termiline PICA-X (Phenolic Impregnated Carbons Ablator) kaitsekilp, mis koosneb 8 cm paksustest paanidest, millest välimine 1 cm paksune kiht põleb ära siis, kui kosmoselaev siseneb atmosfääri kiirusega kuni 7 km/s, põlemine tõstab välispinna temperatuuri kuni 200 kraadini.

Dragoni katsetused on juba alanud

Dragoni kasutuselevõtt eeldab arvukaid etapiviisilisi katsetusi, et tagada selle töökindlus. Nagu juba öeldud, Dragoni makett saadeti esmakordselt orbiidile raketiga Falcon 9 juba 4. juunil 2010 ja 12. augustil testiti tema langemist atmosfääris langevarjusüsteemi abil. Selleks lasti ta kukkuda helikopteri Ericson S-64F Air-Crane pardalt 5,5 km kõrguselt. Kindla ajagraafiku järgi avanesid esmalt dubleeritud abilangevarjud, mis aeglustasid ja stabiliseerisid Dragoni asendi ja seejärel sikutasid välja kolm hiigelsuurt põhilangevarju läbimõõduga 35 m, mis omakorda aeglustasid Dragoni langemiskiirust kuni 5 m/s, mis kindlustab, et kosmonaudid tunnevad maandumisel vaid ülekoormust 2g. Dragoni maandumise täpsus on tänu Draco-abimootorite kasutamisele erakordselt suur – kuni 100 m.
Järjekordne edukas katselend programmi COTS raames toimus 8. detsembril 2010, mil kanderaketi Falcon 9 abil orbiidile viidud Dragon sooritas seal mitmesuguseid manöövreid ja kahe tiiru järel ümber Maa laskus langevarjude abil tervena ookeani pinnale.
Järgnevatel katselendudel kontrollitakse veelgi tema eraldumist Falconist, manööverdusvõimet lähenemisel ISSile, kommunikatsioonisüsteemide tööd ning tagasipöördumist Maale.

SpaceX klientidest puudust ei tunne
Odavad ja töökindlad kanderaketid on meelitanud SpaceX teenuseid kasutama mitte ainult NASA, vaid ka paljud teised firmad. Nende hulgas on mahu poolest üks suuremaid firma Iridium, kes aastatel 2015–2017 kasutab rakette Falcon 9, et toimetada orbiidile oma uue põlvkonna NEXT-satelliidid, millega kindlustatakse globaalne side, ookeanid ja poolused kaasa arvatud. Mullu teatati ka SpaceX koostöölepingust EADSi tütarfirmaga Astrium, kes soovib pakkuda kosmosetehnikat ja -teenuseid erinevatele Euroopa firmadele. SpaceX järgmise viie aasta perspektiivkavas on eelnimetatute kõrval ette nähtud teenused ka sellistele firmadele nagu ORBCOMM, MDA (Kanada), CONAE (Argentiina), Spacecom (Iisrael) ja NSPO (Taiwan). Kuna ka Eesti sõlmis koostöölepingu Euroopa kosmoseagentuuriga, siis pole välistatud, et mingi Eestis loodud tehniline vidin või programm jõuab taas mitmekümneaastase vaheaja järel kosmosesse.

Sarnased artiklid