Raketna tehnika

Iako mnogi drže kako su rakete moderno oružje povijseni izvori upućuju kako su preteče raketa postojale davno prije. Do ozbiljne je vojne uporabe došlo tek u XX. stoljeću, zahvaljući snažnom tehnološkom razvoju i obilnom financiranju iz vojnih proračuna

Rakete zemlja-zemlja predstavljaju letjelice vretenastog oblika koje se gibaju posredstvom jednog ili više motora koji služe samo za postizanje zadane brzine. Ostali dio putanje raketa prelazi zbog posjedovanja kinetičke energije dobivene radom motora. Budući da rad raketnog motora, na većini konstrukcija, ne ovisi o atmosferskim uvjetima, raketa se može gibati u zračnom i zrakopraznom prostoru. Za pogon raketa služe kemijski (na kruta i tekuća pogonska sredstva), nuklearni, ionski ili plazma raketni motori.
Raketa po konstrukciji može biti jednostupanjska ili višestupanjska, a prema slobodi gibanja nevođena (slobodna) ili vođena. Raketa u suštini predstavlja posebnu vrstu sredstva za nošenje nuklearnog i drugih vrsta eksploziva, za meteorološka ispitivanja, istraživanje visokih slojeva atmosfere, lansiranje zrakoplovnih letjelica, za razminiranje na kopnu i za druge posebne namjene.

Povijesni razvoj
Prve rakete pojavile su se u Kini u 3. stoljeću, a spominju se eksplozivni bambusovi štapovi koji su, zapaljeni, stvarali veliku buku. Te rakete, punjene crnim barutom, koji je u to vrijeme bio poznat u Kini, stoljećima su služile za zabavu i u vjerske svrhe.
Prve rakete rabljene kao ubojno oružje spominju se u vojnim memoarima kineske dinastije Sung pod pojmom ognjene strijele.
U Europi su rakete prvi put uporabljene u opsadi talijanskog grada Mestre 1337. Talijanski povjesničar L. Muratori u jednom od svojih djela opisuje paljenje opsjednutog grada Chioggiae 1397. te prvi rabi pojam raketa (rocchetta), koji se poslije udomaćuje u većini svjetskih jezika.
Potkraj 18. stoljeća Indijci su u ustanku protiv engleskih kolonizatora uporabili rakete izrađene od metalnih cijevi punjenih barutom, pričvršćenim na bambusove štapove dužine oko 2,5 m, koji su služili za stabilizaciju u letu. Na temelju tih raketa, britanci pristupaju izradi ratnih i signalnih raketa. U Rusiji je u 19. stoljeću general Zasjadko obavljao eksperimente s raketama koje su imale konstrukciju od željeznog lima punjenog crnim barutom, bojnu glavu i štap za stabilizaciju. U tom razdoblju javljaju se ideje o uporabi rakete u razne svrhe (pogon vozila i sl.). Godine 1821. konstruiran je raketni harpun za lov na kitove, koji je rabljen sve do pojave najsuvremenijih harpuna, a 1873. u britanskoj, a kasnije u američkoj i njemačkoj ratnoj mornarici, izvođeni su eksperimenti s raketnim torpedom. Ruski profesor Meščerski je postavio jednadžbu gibanja tijela promjenjve mase, među koje se ubraja i raketa, a ruski izumitelj Kibaljčić dao je 1881. prijedlog za izradu rakete s posadom. Teoretsku podlogu leta rakete postavio je također ruski znanstvenik, Konstantin Ciolkovski. Također je postavio i shemu rakete na tekuća pogonska sredstva (vodik kao gorivo i kisik kao oksidator), teoretski obradio višestupanjske rakete i gibanje rakete kroz svemirski prostor. Iznio je i više prijedloga za tehničko rješenje raketa: upravljanje raketom skretanjem struje izlaznih plinova, regenerativno hlađenje komore izgaranja tekućim pogonskim sredstvima i dr.
U I. svjetskom ratu rad na raketama je znatno usporen. One su tada uporabljivane jedino za signalizaciju i osvjetljavanje, a u Francuskoj i Rusiji i kao borbeno sredstvo. Od tada signalne i svijetleće rakete ulaze u standardno naoružanje. Bilo je ostvareno i nekoliko eksperimentalnih raketa (u Rusiji Pomorcev, u Francuskoj Sotro). Na razvoju velikih raketa na kruto i tekuće pogonsko gorivo u SAD-u radi R. Goddard, u Francuskoj R. Eno-Peltri, u Njemačkoj H. Oberth i u Rusiji K. Ciolkovski. Mnogi njihovi radovi razmatrani su i s gledišta uporabe kao oružja.

U razdoblju između I. i II. svjetskog rata teoretskim problemima, razvojem i ispitivanjima raketa bavio se veći broj znanstvenika. Američki profesor R. Goddard prvo ispituje raketu s crnim i bezdimnim barutom, ali kada je shvatio kako s njima neće postići teoretski dobivene rezultate, od 1923. radi na razvoju raketnog motora s tekućim gorivom i u razdoblju od 1925.-1941. ispituje oko 40 raketa s tim motorima.
Ozbiljniji razvoj raketne tehnike počinje kada njemačka nacistička vlada prihvaća plan razvoja rakete velikog dometa u vojne svrhe. Razvoj tih raketa s oznakom A započeo je u raketnom ispitnom poligonu Kummersdorf. Godine 1933. ispitana je raketa A1 koja je razvijala potisak od 3 kN za 16 s. Od nje je razvijena raketa A2 koja je imala giroskopski uređaj za stabilizaciju i 1934. je dostigla visinu od 12 000 m. U tadašnjem SSSR-u je osnovan Centralni biro za proučavanje problema raketnog pogona. Grupa je okupljala stručnjake iz područja raketne tehnike, a predvodili su ih K. Ciolkovski, F. Cander i N. Rinin.
Tijekom II. svjetskog rata počinje se intenzivnije raditi na raketama kao oružju, pogotovo u Njemačkoj. Proučavanja i ispitivanja su ponajprije temeljena na vođenim raketama, a osnovan je i posebni raketni poligon i ispitno središte na Peenemündeu. Istodobno, u tadašnjem SSSR-u posvećuje se pažnja isključivo razvoju nevođenih raketa. U Velikoj Britaniji i SAD-u se, osim toga, počinju ispitivati i rakete posebne namjene na tekuće i kruto gorivo, kao što je JATO (Jet Assisted Take-Off), tj. rakete za skraćeno uzlijetanje.
Nakon II. svjetskog rata SAD, SSSR i Velika Britanija, koristeći se od Nijemaca zaplijenjenom dokumentacijom, raketama pa i ljudima, intenzivno rade na razvoju raketa, ponajprije za potrebe oružanih snaga te za potrebe raznih istraživanja i svemirska istraživanja. Tako nastaju američke sondažne rakete WAC-Corporal, Aerobee i Viking, sovjetske geofizičke rakete A-2 i A-4 i niz drugih vođenih i nevođenih raketa malog i velikog dometa i raketa-nosača za lansiranje svemirskih letjelica i umjetnih satelita.

Opis i konstrukcija rakete
Zbog gibanja kroz zrak, pretežno nadzvučnom brzinom, idealni oblik rakete je vretenasti. Međutim, zbog konstruktivnih razloga, raketa je uglavnom cilindričnog oblika. Budući da se rakete u većini slučajeva konstruiraju samo za jednokratnu uporabu, najčešće su jednostavne konstrukcije. Veće rakete su obično sastavljene od nekoliko dijelova (modula). Ti dijelovi čine posebne logičke i funkcionalne cjeline: dio za smještaj korisnog tereta, uređaj za navođenje, spremnici za gorivo i oksidator, uređaji za upravljanje, pogonska grupa i dr. Osnovni dijelovi rakete mogu se podijeliti na: tijelo, glavu i pogonsku grupu rakete.
Tijelo rakete uglavnom služi za smještaj raketnog motora i pogonskih sredstava. Konstrukcija tijela rakete najčešće je ljuskasta (noseća ljuska), s profiliranim uzdužnim ojačanjima (uzdužnicama) i okvirima, tj. slična je konstrukciji modernih aviona. U raketi s motorom na tekuća goriva, u tijelu rakete se nalaze spremnici za gorivo i oksidator, pumpe i drugi uređaji za njihovo dovođenje u komoru izgaranja. Na raketi s motorom na kruta pogonska sredstva tijelo predstavlja spremnik za gorivo i komoru izgaranja na koju se nastavlja mlaznica.
Glava rakete je zaobljenog konusnog (ogival) oblika koji je aerodinamički vrlo učinkovit za gibanje kroz zrak, ali glava rakete može biti i nekog drugog oblika ako se to posebno zahtijeva. Na raketama zemlja-zemlja glava rakete služi za smještaj eksplozivnog punjenja, uređaja za navođenje i upravljanje ako je riječ o navođenim raketama.
Pogonska grupa rakete je obično smještena u tijelu, dok pomoćni (booster) ili startni motori mogu biti smješteni i na vanjskoj strani. Za pogon se rabe raketni motori na tekuća ili kruta pogonska sredstva ili raketni motori na kombinirano gorivo (kruto i tekuće), tzv. hibridni motori.

Konstrukcijski materijali raketa
Za konstrukciju tijela rakete najviše se rabe lake legure na bazi aluminija ili magnezija, posebni čelici, plastični materijali, titan, berilij i u najnovije vrijeme kompozitni materijali. U konstrukciji motora, osim legiranih vatrostalnih čelika, rabe se zaštitne keramičke i grafitne prevlake; motori na tekuća goriva se hlade samim pogonskim sredstvom. Dijelovi konstrukcije mlaznice izloženi posebno jakom toplinskom djelovanju, izrađuju se od grafita, karbida ili keramičkih materijala. Na raketama velikog dometa, čija putanja ide djelomično izvan atmosfere, pri povratku u gušće zračne slojeve, na vrhu rakete (na nosnom dijelu) se razvijaju visoke temperature (re-entry problem) pa se radi zaštite korisnog tereta ili bojne glave nosni dio zaštićuje (npr. jasno vidljive izolacijske ploče na nosnom dijelu raketoplana Space Shuttle). Na starijim konstrukcijama za tu svrhu rabio se debeli zaštitni sloj određenog materijala (tzv. efekt upijača) koji dobro apsorbira toplinu – bakar ili berilij, ali se istodobno pojavio i problem prekomjerne mase. Također postoji izvedba da se za apsorbiranje topline rabe i postavljaju slojevi raznih, znatno lakših plastičnih masa – silikafenolne i najlonom ojačane fenolne smole, koje pod djelovanjem tempertura od 7000 stupjneva C do 8500 stupjneva C, stvorenih sabijanjem zraka pri brzinama većim od 20 Machova, tope i isparavaju i na taj način apsorbiraju upijenu toplinu. Erozija materijala koja pritom nastaje na vrhu rakete naziva se ablacija.

Gibanje i stabilizacija rakete
Raketa se giba pod djelovanjem reaktivne sile nastale u raketnom motoru zbog istjecanja mlaza plinova proizvedenih izgaranjem. Ta sila raketi daje početnu brzinu nakon relativno kratkog rada motora koji traje nekoliko desetinki sekunde na malim raketama do nekoliko minuta na velikim raketama. Budući da za to vrijeme potroši gotovu svu rezervu goriva i oksidatora, odnosno pogonskog punjenja, koja često prelazi i 80% njezine ukupne težine u polijetanju, raketa najveći dio svoje putanje prevaljuje dobivenom kinetičkom energijom. Drugim riječima, nakon prestanka rada motora, u zraku se giba po zakonima vanjske ili raketne balistike, a u svemirskom prostoru po zakonima nebeske mehanike.
Stabilnost rakete na putanji se postiže rotacijom oko uzdužne osi (girostabilizacija, obično na manjim raketama), nepokretnim (fiksnim) ili pokretnim (sklapajućim) aerodinamičkim površinama, tj. stabilizatorima ili mlazom plinova.

Jednostupanjske i višestupanjske rakete
Prema osnovnoj jednadžbi Ciolkovskog u teoriji gibanja rakete V = wln M0/m, najveća brzina V i domet rakete ovise o brzini istjecanja mlaza iz raketnog motora w i o prirodnom logaritmu (ln) odnosa masa rakete izraženog s M0/m, gdje je M0 – početna masa rakete, a m masa u trenutku u kojem se traži brzina rakete.
Na jednostupanjskim raketama povećanje brzine istjecanja mlaza postiže se uporabom veće količine pogonskih sredstava koje imaju veću kaloričnu vrijednost, a odnos masa se povećava jednostavnim konstrukcijama i uporabom lakog konstrukcijskog materijala. Zbog toga su konstrukcije jednostupanjskih raketa velike i imaju proporcionalnu malu nosivost i domet. Ti problemi se rješavaju sastavljanjem rakete od više stupnjeva koji svaki za sebe predstavlja posebnu raketu s pogonskom grupom, odnosno sa spremnicima goriva i oksidatora, uređajima za stabilizaciju i uređajima za navođenje (ako je raketa navođena) i upravljanje. Na taj se način znatno smanjuje ukupna težina rakete u polijetanju, postiže se veća konačna brzina, dobiva veći domet (ili veća visina leta) i omogućuje nošenje veće količine korisnog tereta na jednaku udaljenost ili visinu. Jednostupanjska raketa koja se za gorivo koristi kerozinom, a za oksidator tekućim kisikom, nakon završetka rada raketnog motora može postići brzinu od oko 4000 m/s, a dvostupanjska raketa može postići brzinu dovoljnu za kruženje oko Zemlje (približno 8000 m/s). Postoje i trostupanjske i višestupanjske rakete na kojima je prvi stupanj proporcionalno veći (booster) jer treba svladati inerciju i ubrzati cjelokupnu masu rakete prilikom lansiranja. Postoji više načina za stupnjevanje rakete: djelomično stupnjevanje (jedan i pol stupanj) startnim raketama, stupnjevanje u nizu, paralelno stupnjevanje, nošenje letjelica na boosteru.

Nevođene i navođene rakete
Rakete se po načinu upravljanja mogu podijeliti na nevođene i navođene rakete. Nevođena ili slobodna raketa se usmjerava samo pri izbacivanju. Nakon toga se počinje gibati po zakonima vanjske balistike, a njezina putanja se tijekom leta ne može mijenjati. Usmjeravanje pri izbacivanju pod određenim kutom elevacije izvodi se raketnim bacačem ili lansirnim uređajem koji je dio lansirne stanice. Za pogon nevođenih raketa uobičajeno se rabi motor na kruto gorivo. Pritom motor služi samo za davanje kratkotrajnog početnog impulsa pri izbacivanju rakete, a njegov rad traje do nekoliko sekundi. Preciznost leta slobodne rakete je manja ukoliko je domet veći pa je odstupanje od točnog pogotka cilja veće. Zbog toga se slobodne rakete većeg dometa ne izrađuju (najviše do 50 km). Njihova najčešća primjena je za meteorološke i eksperimentalne rakete.
Navođena raketa se, kao i slobodna, lansira raketnim bacačem koji služi samo kao oslonac za polijetanje. Za razliku od slobodne, na vođenoj raketi se može utjecati na aktivni dio putanje leta (tijekom rada motora). Koncept navođene rakete je nastao zbog potrebe za ostvarivanjem raketnog oružja većeg dometa, koje ne bi imalo veliko odstupanje od točnog pogotka, što je omogućeno uvođenjem uređaja za daljinsko navođenje. Daljinsko navođenje je nužan uvjet za ostvarenje svemirskih letova. Budući da navođene rakete mogu biti vrlo velikih dimenzija i težina, njihove pogonske grupe imaju veliku pogonsku snagu i duže vrijeme rada. Kako bi se to ostvarilo, navođene rakete velikog dometa se uglavnom grade kao višestupanjske s raketnim motorima na tekuća i kruta pogonska sredstva.

Rakete – nosači
Rakete-nosači predstavljaju višestupanjske balističke rakete namijenjene za dostavljanje korisnog tereta u svemirski prostor. Koristan teret mogu biti geofizičke i svemirske sonde, umjetni Zemljini sateliti, svemirski brodovi, raketoplani itd. Raketa nosač obično je dvostupanjska do četverostupanjska raketa sposobna korisnom teretu omogućiti brzinu putovanja od 1 do 2 kozmičke brzine. Također, rakete nosači inače služe kao balističke rakete zemlja-zemlja srednjeg i velikog (međukontinentalnog) dometa. Prvi umjetni Zemljini sateliti su lansirani adaptiranim postojećim međukontinentalnim i balističkim raketama srednjeg dometa (Atlas, Redstone, Thor).
Prva raketa-nosač je izrađena u bivšem Sovjetskom Savezu i s njom je 4. X. 1957. lansiran prvi Zemljin umjetni satelit Sputnik-1. U suštini, gotovo sve rakete su razvijane na temelju njemačke balističke rakete A4, razvijene u II. svjetskom ratu i uporabljene pred kraj II. svjetskog rata pod nazivom V2. Na temelju analiza, ispitivanja i stečenih iskustava s raketom V2, konstruiran je veliki broj balističkih navođenih raketa, među kojima su se posebno isticale američka raketa Saturn V. i sovjetska raketa za lansiranje umjetnih Zemljinih satelita Sojuz. Današnja raketa-nosač koja je nedavno uspješno poletjela je francuska Ariane 5. Također, vrhunac raketne tahnologije predstavlja ruska raketa-nosač specifičnog oblika Baikal. Baikal je raketa-nosač koja se vraća na Zemlju te je konstruirana za višestruku uporabu, a ujedno prestavlja raketu-nosač, tj. prvi stupanj (booster) rakete-nosača Angara.

Strateške balističke rakete zemlja-zemlja
Strateške raketne snage su naoružane balističkim vođenim raketama zemlja-zemlja velikog dometa (uobičajeno međukontinentalnim), koje su opremljene nuklearnim i termonuklearnim bojnim glavama vrlo velike razorne moći (od 500 kt do nekoliko stotina Mt). Najpoznatije rakete tog tipa američke proizvodnje su Titan II. i Minuteman I., II., III. Prve postrojbe opremljene balističkim raketama osnovane su u bivšem SSSR-u 1957. U SAD-u su iste postrojbe ustrojene u sastavu Komande strateškog zrakoplovstva, naoružane vođenim raketama srednjeg dometa Jupiter.
Lansirne stanice balističkih raketa najčešće su duboko ukopane u zemlju (i do 25 m), a međusobno su udaljene desetak kilometara.
Raketne postrojbe strateških vođenih raketa, u eventualnom nuklearnom ratu, trebaju odigrati najvažniju ulogu u početnoj fazi napada iznenadnim, koncentriranim i masovnim nuklearnim djelovanjem po najvitalnijim protivnikovim centrima. Svjesni posljedica takvog djelovanja, ubrzo se razvio te se do danas usavršava i posebno nadzire protubalistički štit država velesila, koji bi trebao predstavljati učinkovitu zaštitu od balističkih raketa.

Wernher von Braun rođen je 23. ožujka 1912. u Wirsitzu, u tadašnjoj Njemačkoj (današnji Wyrzysk u Poljskoj). Od rane mladosti pokazivao je iznimnu darovitost za tehniku, ali ispočetka nije ozbiljno shvaćao svoje školske obveze pa je čak morao ponavljati peti razred gimnazije! No, to je obilno nadoknadio u svojem daljnjem školovanju tako da je već u 22. godini na Fakultetu za vojne znanosti Berlinskog sveučilišta obranio svoju doktorsku disertaciju o raketama na tekuće gorivo. Sa suradnicima von Braun radi u vojnom raketnom istraživačkom centru Peenemünde, gdje će od 1937. do 1945. biti tehnički ravnatelj. Pod njegovim vodstvom stvorena je balistička raketa A-4 (nadzvučni projektil zemlja-zemlja) koja će dobiti ime V-2 (Vergeltungswaffe No-2; oružje osvete br. 2) i bit će uporabljena za bombardiranja tijekom II. svjetskog rata. Raketa V-2 bila je duga 14 metara, teška oko 13 tona i imala maksimalni domet od 480 kilometara, a sadržavala je etilni alkohol kao gorivo i tekući kisik kao oksidator. Ona je vrlo važna jer je bila prva prava moderna raketa i poslužila je kao uzor za gradnju kasnijih suvremenih i velikih raketa.
Wernher von Braun konstruirao je golemu, najveću ikada napravljenu raketu u SAD-u, Saturn V. koja je prvi put krenula u svemir 1965. godine. Raketa je bila visoka 111 metara i teška oko 2900 tona! Pet snažnih motora prvog stupnja trošilo je u svakoj sekundi više od 13 tona goriva (tekućeg vodika). Raketa je mogla koristan teret od 45 tona izbaciti prema Mjesecu brzinom 11 kilometara u sekundi ili 40 tisuća kilometara na sat (II. kozmička brzina). U prosincu 1968. prvi put je lansirana letjelica s ljudskom posadom, Apollo-8. Najveći događaj zbio se 16. srpnja 1969. kada je krenuo Apollo-11 s tročlanom posadom (B. Aldrin, N. Armstrong i M. Collins) i uspješno sletio na Mjesec. Ta gigantska raketa uporabljena je samo 11 puta: u Apollo misijama (8 do 17) i za orbitalnu stanicu Skylab.

Danijel VUKOVIĆ