Hoe raketten werken: raketmotorontechnologie en ruimtevaartuigmechanica uitgelegd

Elke orbitale lancering, van zwaarwegende voertuigen van gouvernementele ruimtevaartagentschappen tot commerciële satellietlanceringen, is afhankelijk van dezelfde fundamentele natuurkunde die meer dan een eeuw geleden voor het eerst werd beschreven. Het begrijpen van hoe een raketmotor stuwkracht produceert, waarom lanceervoertuigen in fasen zijn verdeeld, en wat het verschil is tussen het bereiken van een baan en het volledig ontkomen aan de aarde's zwaartekracht, helpt verklaren waarom raketwetenschap een van de moeilijkste problemen van de techniek blijft.

De natuurkunde achter elke lancering

Volgens NASA's Glenn Research Center wordt rakettstuwkracht geproduceerd in overeenstemming met Newtons derde bewegingswet: de motor versnelt uitlaatgas in één richting, en een gelijke, tegengestelde kracht duwt de raket in de andere richting. Brandstof en een oxidatiemiddel worden gemengd en ontstoken in een verbrandingskamer, wat heet, drukhoog gas produceert dat door een mondstuk wordt gedwongen om de stroming te versnellen.

NASA's Glenn Research Center stelt dat de resulterende stuwkracht afhangt van drie factoren: de massastroomsnelheid van de uitlaat, zijn uitgangssnelheid, en de druk bij de mondstukuitgang, uitgedrukt als F = ṁVe + Ae(pe − p0). Het nauwste punt van het mondstuk, de keel genoemd, is waar de uitlaat de geluidssnelheid bereikt, wat de massastroomsnelheid bepaalt; de verhouding tussen de keel en de uitgang bepaalt dan de uitgangssnelheid en druk.

Dezelfde NASA-bron merkt de belangrijkste reden op waarom raketten werken waar jetmotoren niet kunnen: turbine-motoren en propellers vertrouwen op atmosferische lucht als hun werkingsvloeistof, terwijl een raket zijn eigen oxidatiemiddel meevoert en daarom stuwkracht kan genereren in het vacuüm van de ruimte.

Vloeibare-brandstof en vaste-brandstofmotoren

NASA's Glenn Research Center beschrijft twee hoofdmotorfamilies. Bij een vloeibare raketmotor worden brandstof en oxidatiemiddel apart als vloeistoffen opgeslagen en in de verbrandingskamer gepompt, wat toestaat dat de verbranding wordt gethrotteld, gestopt en soms opnieuw wordt gestart. Bij een vaste raket zijn de drijfstoffen al gemengd en in een vaste cilinder verpakt; zodra de motor ontstoken is, kan een vaste motor niet worden uitgeschakeld zonder de behuizing te vernietigen.

De uitlegger van het Smithsonian National Air and Space Museum 'How Things Fly' zegt dat vaste brandstof vaak wordt geprefereerd voor de eerste ontsteking van een raket omdat het gelijkmatig brandt en mechanisch eenvoudig en stabiel is, terwijl vloeibare brandstof stuwkracht biedt die tijdens de vlucht kan worden ingesteld en gecontroleerd, wat beter geschikt is voor latere, nauwkeuriger beheerde vluchtfasen.

Waarom raketten in fasen worden gebouwd

De relatie tussen het snelheidsvermogen van een raket en zijn massa wordt bepaald door de Tsiolkovsky-raketvergelijking, voor het eerst gepubliceerd in 1903. Zoals samengevat door The Planetary Society, is de totale snelheidsverandering (delta-v) die een raket kan bereiken gelijk aan zijn uitlaatsnelheid vermenigvuldigd met de natuurlijke logaritme van zijn massaverhouding — de initiële gevulde massa gedeeld door de uiteindelijke, uitgebrande massa.

Omdat die relatie logaritmisch is, merkt The Planetary Society op dat zodra de gewenste snelheidsverhouding ruwweg drie of vier overschrijdt, de hoeveelheid extra massa die nodig is, scherp toeneemt voor elke extra snelheidstoename. Extra drijfstof moet zelf worden versneld, dus snelheidswinsten worden onevenredig duur in termen van massa.

Fasenindeling lost deel van dat probleem op. Volgens de uitlegger van het Smithsonian, zodra een fase zijn brandstof heeft verbruikt, bieden zijn structuur en motor niet langer bruikbare stuwkracht en worden in plaats daarvan extra gewicht dat de raket vertraagt, zodat lanceervoertuigen elke uitgeputte fase laten vallen om de resterende raket lichter te maken voordat de volgende motor ontsteken wordt.

Baan versus volledig ontkomen aan de aarde

Een baan bereiken is niet hetzelfde als volledig aan de aardse zwaartekracht ontkomen. De nieuwsdienst van Georgia Tech geeft de ontsnapningssnelheid van de aarde — de minimumsnelheid die nodig is om zich permanent van de planeet te verwijderen zonder verdere aandrijving — op als 25.020 mph, of ongeveer 40.000 kilometer per uur.

Satellieten en bemande ruimtevaartuigen in lage aardbaan reizen veel langzamer dan dat getal. Georgia Tech legt uit dat objecten in een baan worden gelanceerd met zijwaartse momentum, zodat terwijl de zwaartekracht hen voortdurend naar de aarde trekt, hun voortwaartse beweging hen voorbij de planeet brengt in plaats van erin, waardoor ze voortdurend rond de aarde vallen in plaats van ernaartoe. Dat is waarom, merkt de bron op, duizenden satellieten succesvol op snelheden ver beneden de volledige ontsnapningssnelheid in een baan draaien.

Herbruikbaarheid: het Falcon 9-voorbeeld

Moderne lanceervoertuigen streven er steeds meer naar hardware terug te winnen en opnieuw in te zetten in plaats van weg te gooien. Volgens Wikipedia's inleiding op de Falcon 9, beheerd door SpaceX, wordt het eerste stadium van het voertuig aangedreven door negen Merlin 1D-motoren die vloeibare zuurstof en RP-1-kerosine verbranden, gerangschikt in een configuratie die het bedrijf de Octaweb noemt.

Dezelfde bron stelt dat na scheiding van het bovenste stadium, het eerste stadium rastervinnen gebruikt die na scheiding voor aërodynamische controle uitvouwen, samen met vier uitschuifbare landingspooten, om af te slaan op land of op een autonome droneboot op zee. Vanaf 13 oktober 2026, volgens de inleiding, hadden individuele Falcon 9-boosters elk tot 37 keer gevlogen.