Hoe raketten werken: voortuitingssystemen en lancheertechnologie uitgelegd

Bij elke orbitale lancering, van een Falcon 9 die een bemanning optilt tot Starship-testvluchten, wordt dezelfde basisnatuurkunde toegepast die eerst door Isaac Newton werd beschreven: voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie. Een raketmotor verbrandt brandstof en stoot het resulterende hete gas met hoge snelheid uit een mondstuk uit; het gas duwt de raket in de tegengestelde richting. Volgens het Glenn Research Center van NASA bestaat dit actie-reactiepaar tussen de raket en zijn eigen uitlaat, waardoor raketten werken in de vacuüm van de ruimte en niet afhankelijk zijn van lucht of enig ander medium om tegen af te duwen.

De fysica: stuwkracht en specifieke impuls

Ingenieurs beschrijven de prestaties van een motor met twee getallen: stuwkracht en specifieke impuls. Stuwkracht is de geproduceerde kracht, vooral aangedreven door hoeveel massa uit het mondstuk stroomt en hoe snel deze uitkomt. Specifieke impuls (Isp), gemeten in seconden, beschrijft hoe efficiënt een motor brandstof in stuwkracht omzet – het Glenn Research Center van NASA definieert dit als stuwkracht gedeeld door de massastroomsnelheid van brandstof, dus een motor met hogere Isp produceert meer stuwkracht uit dezelfde hoeveelheid brandstof, of heeft minder brandstof nodig voor dezelfde stuwkracht.

Dit enkele getal stelt ingenieurs in staat een motor te dimensioneren en zeer verschillende voortuitingssystemen op gelijke voet te vergelijken, daarom verschijnt Isp voortdurend op raketspecificatiebladen.

Chemische voortstuwing: vloeibaar, vast en hybride

Bijna alle voertuigen die het aardoppervlak verlaten, gebruiken chemische voortstuwing, waarbij een brandstof en een oxidatiemiddel reageren om heet, expanderend gas te produceren. Er zijn drie hoofdconfiguraties. Vloeibaar-brandstofmotoren slaan brandstof en oxidatiemiddel afzonderlijk op en pompen ze in een verbrandingskamer, wat de motor regelbaar, uitschakelbaar en herstart baar maakt – een flexibiliteit die door zowel overheids- als commerciële lanceeraanbieders wordt gebruikt. Vastebrandstofmotoren mengen brandstof en oxidatiemiddel in één vast korreltje dat in de raketkast is verpakt; ze zijn structureel eenvoudig en voordelig, maar zodra ze ontstoken zijn, branden ze totdat de brandstof is opgebruikt. Hybridsystemen combineren vaste brandstof met een vloeibaar of gasvormig oxidatiemiddel, stellend zich tussen de twee benaderingen.

De Raptor-motor van SpaceX, gebruikt op Starship en Super Heavy voertuigen, illustreert een nieuwere benadering van vloeibare voortstuwing: een 'volledige stroomverbrandingsfase'-ontwerp waarin alle brandstof en al het oxidatiemiddel twee aparte voorbranderspassages doorgaan voordat ze in de hoofdverbrandingskamer terechtkomen, volgens het ruimtevaartssite Everyday Astronaut. Raptor verbrandt vloeibaar methaan met vloeibare zuurstof – een combinatie die SpaceX gedeeltelijk koos omdat methaan zonder de roetafzetting verbrandt die het hergebruik van kerosine-aangedreven motoren bemoeilijkt, en gedeeltelijk omdat methaan in principe op Mars kan worden gemaakt uit lokale hulpbronnen. Het outlet meldt dat Raptor ongeveer 2 meganewton stuwkracht produceert met een vacuümspecifieke impuls van ongeveer 330 tot 350 seconden.

Waarom lanceervoertuigen in fasen zijn gebouwd

Het bereiken van een baan rond de aarde vanuit het aardoppervlak vereist het bereiken van een hoogte van meer dan ongeveer 150 kilometer terwijl je met meer dan 7,9 kilometer per seconde reist, volgens de lanceerhandleiding van het Europees Ruimtebureau. Een enkel motorontwerp doet dit zelden efficiënt gedurende de hele vlucht, dus de meeste orbitale raketten worden in fasen opgedeeld die worden weggegooid zodra hun brandstof is opgebruikt, waarbij dood gewicht wordt afgeworpen zodat de resterende fasen het lichtere voertuig gemakkelijker versnellen.

De beschrijving van het Europees Ruimtebureau van een typische Ariane-klasvlucht toont hoe dit in de praktijk uitwerkt: boosters en het hoofdstadium ontsteken samen gedurende de eerste ongeveer twee minuten van verticale opstijging, het hoofdstadium blijft ongeveer twaalf minuten branden terwijl de boosters al zijn afgescheiden en in zee nabij 60 kilometer hoogte zijn gevallen, en een bovenstadium ontsteken dan voor een laatste periode, bereikt de piekvergaardheid van de missie van ongeveer 8 kilometer per seconde voordat deze zijn lading vrijgeeft. Nadat een uitgebrande bovenstadium zijn taak heeft voltooid, wordt het meestal verplaatst naar een 'begraafplaatsenorbit' zodat het geen botsingsbeveiligingsgevaar wordt voor actieve satellieten.

Voorbij lancering: elektrische en ionenvoortstuwing

Zodra een ruimtevaartuig al in een baan of in de diepe ruimte is, is chemische voortstuwing niet altijd de meest efficiënte keuze voor lange reizen. Veel probes gebruiken in plaats daarvan elektrische voortstuwing, die een brandstof ioniseert – meestal het gas xenon – en de resulterende geladen deeltjes uit de thruster versnelt met elektrische velden aangedreven door zonnepanelen. De Jet Propulsion Laboratory van NASA beschrijft de stuwkracht van deze systemen als uiterst zwak: in het geval van de asteroïdengordelmissie Psyche is de druk die door zijn ionthrusters wordt geproduceerd vergelijkbaar met het vasthouden van drie kwartjes in je hand, zelfs op volledige vermogen.

Deze minuscule stuwkracht is onvoldoende om iets van de aarde af te tillen, maar in de wrijvingsloos omgeving van de ruimte kan het maanden achter elkaar continu worden toegepast, langzaam snelheid opbouwend. JPL meldt dat de zonne-elektrische thrusters van Psyche het ruimtevaartuig al naar ongeveer 84.000 mijlen per uur hebben gedreven en het uiteindelijk naar ongeveer 124.000 mph zullen brengen – wat illustreert waarom ionenvoortstuwing is gereserveerd voor in-space-kruisen in plaats van lancering, waar chemische motoren met veel hogere stuwkracht nodig zijn om zwaartekracht en luchtweerstand in minuten te overwinnen.