Suurimmalle osalle jokamiesluokan raketeissa riittää vallan mainiosti 18mm matalatehomoottorit, kahdesta syystä. 1) Moottorit ovat edullisia ja niitä on saatavilla helposti. 2) Jos tarvitaan lisää suorituskykyä, moottoreita voi laittaa runkoon useampia rinnakkain toteuttaen kirjaimellisesti moottoreiden impulssin kaksinkertaistumisen kun kirjain kasvaa yhdellä: Jos Kaksi C6-5 konetta vastaa yhtä D12-5… niin neljä C6-5 konetta onkin sitten jo E24-5 koneen veroinen, ja vieläpä aivan siinä rajalla, että onko se jo F-laukaisu. Ja jos moottoreiksi valikoituukin neljä Kliman D9 moottoria, niin ainakin osa laukaisuista tapahtuu F36 laukaisuna.
Mutta… joillekin se ei riitä. Joissakin tapauksissa suorituskykyä kaivataan lisää. Joskus se on halu ylittää äänivalli isolla raketilla. Joskus se on tarve kasvattaa kuormakantokykyä. Ja Suomen Avaruustutkimusseuralle tämä tapahtui vuoden 2021 lopulla, kun kehitimme kantorakettia Esero Finlandin Cansat-laukaisuun. Kehittämämme raketti käytti alkuunsa 18mm moottoreita, mutta niiden suorituskyky vain loppui kesken.
Kantoraketin prototyypit perustuivat klusteroituun rakenteeseen, tarkemmin ottaen yhdeksään rinnankäyvään 18mm moottoriin – ja lennot päättyivät toistuvasti räjähdyksiin. Tästä on oma tarinansa tässä lähdessä ja se kannattaa lukea, tapahtuma lukeutuu seuran merkittäviin saavutuksiin vuosien varrelta.
Esero Finlandin CanSat-kilpailua varten toteuttamamme kantorakettiohjelman klusteriraketti korvattiin suurtehomoottoreihin perustuvalla ratkaisulla. Se muodosti pohjan raketille, jolla hankittiin sertifiointi Tripoli Rocketrty Associationilta H ja I luokan moottoreita varten.
Alkuperäiset suunnitelmat
Tässä kohdassa on käännettävä kelloa taaksepäin. Tehokkaat ja kookkaat moottorit olivat kummitelleet jo jonkin aikaa seuran historiassa. Seura oli laukaissut J ja L-luokan hybridiraketteja ja Wäisälän peruja olevia Vulcan-G moottoreita oli käytetty silloin tällöin. Toisinaan oli saatu muutama Aerotechin 24mm moottorikin haalittua, mutta näistä ei vain koskaan tullut todellista vaihtoehtoa, sillä moottoreiden saatavuus oli… kehnohko. Kukaan ei oikein osannut sanoa miten moottoreiden toimitusten kanssa pitäisi menetellä. Kliman 18mm tapauksessa tilanne oli selkeä, DHL kuskasi ne valmistajalta kotiin ilman kysymyksiä. Mutta Klima oli raatanut CE-leimansa eteen, eikä heillä ollut mitään kalustoa D-impulssin (20Ns) yli.
Muutama toimittaja oli, mutta tietoa moottoreista ja niiden käytettävyydestä oli saatavilla heikosti. Kirjallisuutta toki löytyy, mutta kirjat keskittyivät käsikirjaimaisesti enimmäkseen raketin rakentamiseen ja toiminnan lailliseen puoleen. Huolinnasta ei ollut sanoja sanottavaksi.
Ensimmäinen suunnitelma kuitenkin keittyi kasaan ja tuloksena oli Boreas-24, prototyyppiraketti joka oli tarkoitettu käyttämään 24mm moottoreita. Rakenteellisesti Boreas-24 pohjautuu Boreas C6 rakettiin joka käytti 3xD9-7 + 3xD9-P moottoreita.
Mekaanisesti Boreas käytti kliman 75mm rungolle tarkoitettuja valmisosia ja moottoripukki oli 3D-tulostettujen keskityslevyjen varassa.
Boreas-24 operoi tasan yhden kerran – panostus oli tehty käyttäen hyvin outoa moottoria. Lento päättyi “maatikaksi”. Moottori oli luokaltaan F240, josta myöhemmin selvisi, että sitä ei saisi edes käyttää ilman elektronista paluulaukaisua, sillä nämä moottorit oli koeajossa jenkkiläisissä seuroissa todettu epäluotettaviksi.
No… tämä selittää, miksi F240 moottoria oli saatavilla Euroopan toimittajilta. Kukaan ei halunnut lennättää sitä. Emmekä mekään olleet poikkeus, vaikka se yksi lento olikin aivan poikkeuksellisen näyttävä – ja kuuluva! Moottori paloi loppuun käytännössä laukaisutelineen matkalla ja ääni oli voimakas mutta hyvin lyhyt jyrähdys, loppumatka oli pelkkää vapaalentoa.
Vuoden 2019 elokuussa tehty koelento jäi ainoaksi hyväksi toviksi. Muiden moottorien saatavuus oli edelleen heikkoa. Paino oli 24mm moottoreissa, sillä siellä oli saatavilla myös E-G luokissa jotka olivat merkittävästi tehokkaampia moottoreita ja joiden hankkiminen meni valmistajilta kysyttäessä samalla tavalla kuin Kliman moottoreiden osto.
Tripoli
Näitä asioita selvitellessä kävi ilmi, että Tripoli on kansainvälinen yhdistys joka opasti ja sertifioi lennättäjiä todellisiin suurtehoraketteihin. Lyhyesti; Tripoli Rocketry Associationilla on neliportainen jäsenyystaso, joilla etenemisen myötä oli mahdollista hankkia suurempia moottoreita toimittajilta. Nämä tasot ovat L0 (ei sertifiointia), L1(Sertifoitu H-I moottoreille (160 – 640Ns), L2 (640 – 5120 Ns) ja L3 (5120 – 655,360), joista L3 ylärajan sanelee valmistajien tuottamien moottorien saatavuus. Vertailun vuoksi tehokkain 18mm moottori joita yleensä käytämme ovat Kliman D9, jonka kokonaisimpulssi on 20Ns .
Lennättäjän sertifointi on prosessi on joka tasolla aina edellistä tasoa monimutkaisempi ja jokainen lennätys vaatii Tripolin tarkastajan hyväksynnän, jotta lento on suoritettu. Koelento tulee tehdä jossakin tripolin prefektuurissa.
L1-sertifointi vaatii, että lennättäjä rakentaa H-impulssia käyttävän (160 – 320Ns) käyttävän raketin ja lennättää sitä onnistuneesti. L2-sertifointi puolestaan vaatii, että lennättäjä suorittaa teoriakokeen ja lennättää onnistuneesti J-luokan moottorilla (640-1280Ns) lentävän raketin.
L3 sitten on jo paljon laajempi tehtävä… no, projekti. Suunnitelmat ja laskelmat raketista, ne on hyväksytettävä kahdella Tripolin tarkastajalla, rakennettava raketti joka käyttää kaksivaiheista paluujärjestelmää ja lentää M-moottorilla (5120Ns).
Moni rakettiharrastaja on tottunut ajatukseen, että rakettien lennätys on edullista. Suurtehoraketeissa kustannukset nousevat nopeasti ja melkoiselle kertoimella jokaisen luokan myötä. L1-raketti kustantaa siinä satakunta euroa, ja vaatii toisen satasen moottoriin ja muuhun tilpehööriin. Laukaisut ovat siihen päälle nelisen kymppiä. L2-raketti onkin jo kolmisen sataa, parisataa muuhun tilpehööriin moottori mukaan luettuna, mutta moottorit kustantavat jo satkun luokassa per laukaisu. L3 on parin tuhannen euron laite, kaikkine kilkkeineen. Moottoreita L3-luokkaan ei ole saatavissa kertakäyttöisinä ja lataukset moottoreihin alkavat viidestä sadasta, loppuen sinne kymmenentuhannen euron paikkeille.
Prefektuurit euroopassa
Tripoli Rocketry Associationissa alueellisia toimijoita kutsutaan prefektuureiksi. Suomen lainsäädäntö ei tunnusta Tripolin sertifikaattia mitenkään. Ei sinänsä ihme, Tripoli on yksityisten ihmisten perustama järjestö ja valtion suhtautuminen raketteihin on ollut perinteisesti hyvin nuiva.
Pelimerkit olivat mitä ilmeisimmin suurtehoraketteja vastaan, mutta raketit eivät vetoa lauhkeisiin. Asia nousi jälleen kerran vuoden 2020 tammikuisessa talvilennätyksessä Laajalahdella keskusteluihin, mutta nyt keskustelujen lopputuloksena päädyin viimein ottamaan yhteyttä lähimpään Tripolin Prefektuuriin, joka toimi Ruotsissa.
Yhteydenotto Ruotsiin osoitti varsin suoraviivaisesti, että sertifiointiin olisi syytä suhtautua vakavasti. Lähtökohdaksi valikoitui Mike Westerfieldin High Power Rocketry teos, josta alettiin suunnittelemaan Boreas-HP rakettia.
Boreas-HP
Mike Westerfieldin High Power Rocktery antaa hyvät lähtökohdat sertifiointi raketin rakentamiseen. Raketin on oltava yksimoottorinen perusraketti. Suorituksen onnistumisen varmistamiseksi haluat raketin lentävän matalalle ja kestävän kovaa käsittelyä. Nämä seikat mielessä raketista tehtiin alkuunsa suunnitelma OpenRocketissa ja rakettia simuloitiin pitkään.
Boreas-HP:n sydämenä oli 29mm moottoripukki johon oli ankkuroitu kolme nuolisiipeä, jotka oli erikseen saumattu sekä ylä, että alapuolelta, niin runkoon kuin moottoripukkiin.
Ensisijaisesti sen oli tarkoitus käyttää Aerotech’in kertakäyttöisiä G ja H-moottoreita, mutta mekaanisesti myös uudelleen ladattavia Aerotech RMS ja Cesaroni ProX sarjan moottoreita voisi käyttää.
Jos ne olisivat laillisia, tietysti. Kummallakaan ei tiettävästi ollut CE-leimaa. Ja kumpaakaan ei siten saanut tuotua Suomeen.
Mutta sitten tuli ongelmia. Covid-19 pandemia sulki maailman pahemman kerran. No, jälkikäteen ehkä voi arvioida, että suunniteltu koelennätys Ruotsissa olisi luultavasti epäonnistunut. Siihen liittyi aivan liian suuri määrä “ensimmäisiä”.
| “Ensimmäisiä” tarkoittaa tässä yhteydessä lennolla ensimmäistä kertaa koeteltavia järjestelmiä. 29mm moottori. Ensimmäinen H-impulssin suurteholaukaisu, ensimmäinen Double Recovery. Ja tietysti ensimmäinen ulkomailla tehtävä lennätysoperaatio. |
Muiden maiden tapaan Suomi sulki rajat ja liikenne kaikkialle yksinkertaisesti pysähtyi. Rahtia toki ajettiin, joten kalustoa voisi edelleen tilata. Sertifiointi laitettiin jäihin Ruotsin kanssa ja sikäläisen rakettiseuran PJ:n kanssa todettiin, että katsellaan uusiksi vuoden päästä. Ohjelmaa ei kuitenkaan haluttu hylätä kokonaisuudessaan. Keskitehoisilla rakettimoottoreilla olisi toki mahdollista operoida myös sertifiointirakettia. E-G moottorit olivat poikkeus suurtehorakettien järjestöjen säädöksistä ja G luokan moottoreissa suorituskykyä olisi tarpeeksi sekä harjoituksiin että koelennätyksiin.
Toimittajamme Italiassa oli saamassa lähetyksen keskitehomoottoreita, joten laitoin tilauksen vetämään haaliakseni muutaman keskitehomoottorin joilla voitaisiin edes aloittaa harjoittelut. TIlausvahvistuksien pudottua sähköpostiin oli aika valmistaa muutama koeraketti.
Toimitus- ja harjoitusvaikeuksia
Huhtikuussa 2020, Covid-19:n jyllätessä jo täysillä ja ihmisten sulkeutuessa koteihinsa, saatiin ensimmäiset EconoJet 24mm moottorit laahattua suomeen. Aerotech oli valmistanut EconoJet E20-7 moottoria jo hyvän tovin, mutta saatavuus oli edelleen surkea. Kaksi pakettia olivat viimeiset Euroopasta löytyneet moottorit.
Niiden lennättämiseen valmistettiin BT-70 putkesta Red Max klooni. Materiaalia oli jäänyt aikaisemmasta projektista puolisen metriä.
BT-70 Red Max kloonilla lennettiin tasan yksi lento. E20-7 oli aivan liian heikkotehoinen raketille jonka runkomassa oli varsin varkain noussut melkein puolen kilon paikkeille paluukalustot paikallaan. Niinpä oli tarpeen ottaa askel taaksepäin ja kehittää 50mm runkoon erittäin kevyt raketti.
Sleipnir-24 oli yksinkertainen raketti, mutta sillä oli tarkoitus opiskella keskiteholaukaisujen edellytyksiä. Aerotechin 24mm E20-7-WT jaksaisi viedä Sleipnir-24 arviolta noin kahdensadan metrin korkeuteen.
Tämän kohdalla taas todettiin, että raketit ovat vaikeita. Toinen laukaisu onnistui, mutta kolmas päättyi CATO:on ja rakettia jouduttiin korjaamaan. Slepnir-24 oli kuitenkin onneksi helposti korjattavissa.
Sleipnir-24 oli operointia silmälläpitäen erittäin onnistunut raketti. Se oli brutaalin yksinkertainen ja erittäin varmatoiminen. Oli samalla kuitenkin selvää, että Sleipnir-24:llä ei voisi kuitenkaan opetella suuretehorakettien saloja, se ei ollut mekaanisesti riittävän luja mihinkään F laukaisua (~80Ns kokonaisimpulssi) suurempaan. Jo neljä D-konetta oli ollut melkeimpä liikaa Slepnirin käyttämille valmisosille.
Suurtehoraketit olivat siis katkolla, mutta seuran rakettitiimi ei maannut laakereillaan. Keskitehoraketit pysyivät kehityksen kohteena ja lennätyksissä nähtiin muutama klusteroitu kaksivaiheinen raketti, jotka täyttivät kehityksen alla olleet tarpeet soveliaasti. Samalla tutkittiin avioniikkapakettien kehitystä radiotelemetrian muodossa.
Vuosi 2021 ja absoluuttisen odottamaton kehityssuunta
Vuonna 2021 kuviot muuttuivat monessakin mielessä. Covid-19 jatkoi kyllä jylläämistään, mutta hyvin yllättävästi 24mm moottoreiden saatavuus parani ja muut projektit laitettiin syrjään.
Keskustelu velloi samalla kovana Raketenmodellbau Kliman yrityksistä saada kehitettyä ja sertifoitua 29mm komposiittimoottorit E- ja F luokkaan. Tältä pohjalta kehitettiin Falchion-raketti, jonka koelento tapahtui Kesällä 2021.
Falchion oli Boreas-HP:n tapaan rakennettu (hyvin vaivalloisesti) suurtehokoodien mukaan. Mutta Falchion oli ainoastaan katalyytti tapahtumiin, jotka kulminoituivat vuonna 2022. Alkutahdit tosin lyötiin kesällä 2021, koska silloin seuramme otti vastaan tehtäväksi kantoraketin kehitystehtävät Heurekan ja ESA:n yhteisprojektilta Esero Finlandilta. Kantoraketin tehtävä oli lennättää CanSat sateliitteja noin viidensadan metrin korkeuteen.
Toisaalla tässä lehdessä on artikkeli Suomen Avaruustutkimusseuran yhteistyökuvioista vuoden 2022 CanSat kilpailun tiimoilta. Tätä varten alkujaan jo unohdetuksi luettu raketti, Boreas-HP kaivettiin kaapistaan.
Boreas-HP muodosti pohjan jonka päälle kehitettiin CanSat-kuormaraketti. Siinä missä alunperin kantorakettiin kehitetyt suuret moottoriklusterit räjähtelivät lähdössä, koko CanSat kehitysohjelman aikana menetettiin toimintahäiriölle tasan yksi 29mm moottoria käyttävä raketti. Menetys tapahtui raketin neljännellä lennolla ja vauriot olivat selvästi paluupanoksen aiheuttamia. Toisaalta tämäkin raketti sai siitä huolimatta suoritettua tehtävänsä onnistuneesti.
Cesaronin ProX-29-moottorit ovat uudelleen ladattavia, samoin ProX-24 sarja. Nämä moottorit eivät ole millään tavalla helppoja käytettävyydeltään, mutta ne osoittautuivat erittäin luotettaviksi. Samalla ne olivat ainoa teknologia joka mahdollisti SATS-SAFF’ille kehittää ja lennättää CanSat-hyötykuormaraketteja.
In Thrust, We Trust
G-sarjan moottorit riittävät kyllä CanSatien lennätykseen. Mutta saatavuus varmuus paranee merkittävästi, jos pääsemme kiinni H- ja I- impulssiluokkaan. Tietysti – kolme luokkaa, kolminkertainen saatavuus. Mutta vain sertifoitu lennättäjä voi hankkia H- ja I-luokan (160 ja 320Ns) moottoreita. Näistä moottoreista saisi taatusti sekä saatavuutta, että suorituskykyä tulevaisuuden CanSat-kilpailuihin.
Niinpä vuoden 2022 puolella aloitin uudelleen selvittelyt lennätyksistä Tripoli Ruotsin kanssa. Neuvottelut eivät kantaneet juurikaan tulosta, ja Tripoli SE:n lennätysaikataulu oli varsin puutteellinen. Tripoli SE oli menettänyt lennätysalueensa ja uutta suurtehoaluetta oltiin vielä etsimässä. Oma lennätysalueemme oli hienoinen ongelma, sillä Suomi ei ollut prefektuuri ja Tripolin suhtautuminen itse tehtyyn sertifiointiin oli ollut vähintäänkin nihkeä. Mahdollisuutta myös tuoda Tripoli SE suomeen sertifiointiin oli pyörinyt pöydällä, mutta keskustelut sertifioinnin toteuttamisesta velloivat paikallaan.
Tripolilla oli tosin muitakin prefektuureja Euroopassa. Lyhyt vaskoolaus osoitti, että ylivoimaisesti parhaiten tiedottava prefektuuri oli Hollannin Tripoli johon otinkin sitten yhteyttä. Jostakin syystä odotin varsin nihkeää vastaanottoa, mutta todellakin toisin kävi. Tripoli NL -prefekti ja lennätystoiminnan johtaja palasivat asiaan vieläpä saman illan aikana. Lähetin heille Esero Cansat Lifterin suunnitelmat ja mallin hyväksyttäväksi ja vastasin muutamaan kysymykseen raketin suorituskyvystä. Ensimmäiseksi vaihtoehdoksi Tripoli NL tarjosi toukuun lennätystä Saksassa, mutta työt eivät antaneet siihen periksi, eikä minulla ollut vielä kalustoakaan lähteä lennättämään. Eikä itseasiassa edes rakettiakaan – en halunnut riskeerata CanSat kuormaraketteja tässä.
Pitäisi siis vielä rakentaa uusi raketti, varoiksi. Rakenteet olivat tuttuja ja osiakin oli sopivasti yhteen rakettiin, joten parin illan aikana kasasin nopeasti Pointy End Up raketin ja hankin vielä lisäksi muuta kalustoa, jota tarvitsisin Tripoli NL:n laukaisureissulla.
Mutta matkassa oli vielä monta mutkaa. Yksi näistä oli työkomennus saksaan juuri edeltävällä viikolla. Toisaalta työkohteeni sijaitsi vain noin 250km päässä Amsterdamista – sieltähän pääsisi Baarlon lennätysalueelle helposti!
With Power to Spare
Baarlon lennätysalue on karjan rehupelto noin 120 km päässä Amsterdamista. Alue on aukea ja erinäisiä metrejä merenpinnan alapuolella. Tripoli Netherlandsin “usual suspects” on siinä kymmenisen lennättäjää, eli jotakuinkin verrattavissa meidän omiin lennätyksiimme. Kontaktini ja mentorini täällä oli Steve Dulek ja prefektinä Gabriel Hoogeboom. Kokoonnuimme Baarloon 12.6.2022 heti aamutuimaan.
Hollanti. Se pitää nähdä, koska sanat eivät tee oikeutta.
Tripolin lennätys Baarlossa oli aivan jotakin muuta. Normaalit raketit joita Kulmakorvessa lennätetään ovat pienoisraketteja – Baarlon lennätyksessä ammuttiin todellisia suurtehoraketteja. Lennättäjillä oli paketeista rakennettuja raketteja, kuten Madcow Rocketryn nelituumainen Frenzy, Public Missiles Ltd:n 1:2 Amraam pienoismalli, Wildmanin Black Brant ja niin monia muita joita en edes tunnistanut.
Mutta se tärkein raketti oli tietenkin Pointy End Up. Olin tilannut ennakkoon moottorini Hollantilaiselta toimittajalta joka toi H163-WT moottorin lennätykseen. H163 omaa jokseenkin saman impulssin kuin G54 moottorit joilla Pointy End Up’in rakettiperhettä, siis Boreas-HP raketteja oli operoitu menestyksekkäästi vain pari kuukautta aikaisemmin Söderfjärdenissä – mutta siinä on paljon… paljon aggressiivisempi propellantti. Raketti kokisi lähtökiihdytyksessä noin 200m/s^2 kiihdytyksen.
Viimeiset mutkat olivat käsillä. Valitsin paluuvarjoiksi 55cm drogue varjon ja 90cm päävarjon, joka avattaisiin Jolly Rogerin Chute Release laitteella: Tuuli oli jos ei samalla tavalla navakkaa kuin vaikkapa Kulmakorvessa, niin siinä määrin voimakasta, että päävarjon avaaminen apogeessa veisi raketin taatusti kauas. Siksi Pointy End Up oli varustettu tuplapaluukalustolla jossa lennon lakipisteessä avataan pieni jarruvarjo ja kun raketti on pudonnut noin 200m korkeuteen, avataan päävarjo.
Sitten oli aika valmistella moottori. Sinänsä moottorissa ei ollut mitään mitä en ollut jo aikaisemmin nähnyt ja tehnyt. Se oli kolmirakeinen Cesaronin moottori, joka tuli Hazmat paketissa käyttövalmiina. Valmistajan ohjeiden mukaan säädin paluupanoksen ajoituksen kohdalleen (porasin valmistajan työkalulla lisäreiän viivepanokseen), latasin moottorin kuoreen ja kuoren rakettiin.
Kuten sanoin lennätyskavereille WhatsApp viestissä, enää viimeiset mutkat käsillä ja nostin raketin telineeseen. Nalli paikalleen ja prefektin kanssa nostimme ohjauskiskon pystyyn.
Viisi. Neljä. Kolme. Kaksi. Yksi. Lähtö.
H163-WT mylväisi käyntiin ja raketti ampaisi matkaan. Purku tapahtui täsmälleen apogeessa, joka oli laskettu olevan noin 530m korkeudessa. Jarruvarjon tehtäväksi jäi ainoastaan lyhentää raketin liukua tuulessa. Päävarjo pelmahti auki noin 200m korkeudessa ja raketti laskeutui ilman vaurioita noin kolmen sadan metrin päähän.
Lyhyesti, H163 moottorilla varustettuna se ampaisi Baarlon laukaisualueella 530m korkeuteen ja palasi takaisin ehjänä – Todistettavasti, sillä raketti lennätettiin vielä uudelleen G125 moottorilla. Sertitointi siis saatiin suoritettua onnistuneesti. En ollut ainoa sertifioiva lennättäjä, mutta olin ainoa joka onnistui, toinen L1 kokelas hukkasi ja L2 kokelas rikkoi rakettinsa. Siipi irtosi lennon päätteeksi.
L1 on saatu. Entäpä seuraavaksi? No tietysti L2. J, K, ja L-moottorit. Toki seuraavan sukupolven cansat kuormaraketti on varmasti se mihin sitä voidaan harkita, mutta ennen sitä on päivitettävä maakalusto ja jossakin vaiheessa on edessä hyvin haastavat keskustelut TUKES’in kanssa raketeista ja niihin liittyvistä lisälaitteista. Ja toki, prototyyppi pitää rakentaa ja varustaa… matkassa on jälleen kerran hieman mutkia.
“In Thrust, We Trust. With Power to Spare.”
– Matti Lepomäki