Hoe raketten werken: Stuwkracht, voortschrijvingssystemen en orbitale mechanica uitgelegd

Telkens wanneer een raket opstijgt — of het nu een bemande Falcon 9, een Europese Ariane-raket of een kleine aardobservatie-satellietvoertuig is — past het dezelfde basisprincipes van fysica toe die ingenieurs sinds het begin van de 20ste eeuw gebruiken. Publieke interesse in deze lanceringen blijft het hele jaar door hoog, toch worden de onderliggende mechanica van stuwkracht, voortstuwing en baan vaak overgeslagen. Organisaties zoals NASA en het Europees Ruimtevaartagentschap (ESA) publiceren gedetailleerde uitleg over hoe raketten eigenlijk werken; dit artikel is gebaseerd op dat materiaal.

Stuwkrachtproductie: Newtons derde bewegingswet in actie

Volgens het Glenn Research Center van NASA verbrandt een raketmotor opgeslagen brandstof samen met een opgeslagen oxidatiemiddel in een verbrandingskamer, waarbij heet, hogedruk uitlaatgas wordt geproduceerd. Dit gas wordt vervolgens door een mondstuk gedwongen, dat het verder versnelt voordat het het voertuig verlaat. NASA stelt duidelijk dat "stuwkracht wordt geproduceerd volgens Newtons derde bewegingswet": het gas wordt in één richting uit het mondstuk geduwd, en de raket wordt in de tegenovergestelde richting met gelijke kracht geduwd. ESA beschrijft hetzelfde mechanisme voor jongere lezers met behulp van een ballonanalogee — lucht die in één richting uit de hals van een ballon stroomt duwt de ballon in de andere richting.

De stuwkrachtvergelijking van NASA drukt dit numeriek uit als F = ṁVe + Ae(pe − p0), waarbij ṁ de massastrooom van uitlaatgas door de motor is, Ve de uitlaatgasuitgangssnelheid is, Ae het uitgangsoppervlak van het mondstuk is, pe de druk bij de uitgang van het mondstuk is, en p0 de omringende (vrije stroomings)druk is. In de praktijk hangt de hoeveelheid stuwkracht die een raket produceert vooral af van hoeveel uitlaatgasmassa per seconde uitstroomt en hoe snel die uitlaatgassen zich bewegen wanneer zij het mondstuk verlaten.

Waarom raketten in het vacuüm van de ruimte werken

Straalmotor en propellers zijn afhankelijk van het aanzuigen van omringende lucht, wat betekent dat zij niet kunnen functioneren als een voertuig de atmosfeer verlaat. Raketten vermijden deze beperking omdat zij, zoals NASA opmerkt, hun eigen oxidatiemiddel aan boord dragen in plaats van te vertrouwen op atmosferische zuurstof. Aangezien er helemaal geen buitenlucht bij de reactie betrokken is, heeft de stuwkrachtvergelijking geen "vrije stroomings-luchtinlaak"-term — wat ook de reden is waarom, volgens NASA, een raket stuwkracht kan genereren in een vacuüm waar geen ander zuurstofbron is.

Specifieke impuls: het meten van motorefficiëntie

Ingenieurs vergelijken raketmotoren met behulp van een getal dat specifieke impuls wordt genoemd, of Isp. Het Glenn Research Center van NASA definieert het als stuwkracht gedeeld door het gewichtsdebiet van verbruikt drijfgas, uitgedrukt door middel van de formule Isp = F/(ṁ·g0), waarbij g0 de standaard zwaartekrachtversnelling is (9,8 m/s², of 32,2 ft/s²). NASA legt uit dat een motor met een hoger specifieke impuls efficiënter is omdat deze meer stuwkracht produceert voor dezelfde hoeveelheid brandstof die wordt verbrand — waardoor Isp het raketvoortstuwingsequivalent van brandstofeconomie wordt.

Meerstadiumraketten: dood gewicht verwijderen

De meeste lanceringvoertuigen zijn in twee of drie stadia opgebouwd. ESA legt uit dat zodra een stadium al zijn brandstof heeft opgebrand, het wordt gescheiden en weggegooid, omdat het vervoer van een lege tank en uitgeproclameerde motorhardware verder brandstof zou verspillen die nodig is om de rest van het voertuig te versnellen. Grote lanceerders bevestigen ook vaste of vloeibare brandstof-booster-raketten aan het eerste stadium voor extra stuwkracht bij de lancering; deze boosters worden ook weggegoten zodra zij zijn uitgegeven. ESA merkt op dat ruimtevaartuigen ongeveer 28.000 km/u moeten bereiken om in een baan terecht te komen, een snelheid die staging bereikt door het voertuig voortdurend lichter te maken als het opstijgt.

Chemische voortstuwing versus elektrische voortstuwing

Niet elk voortschrijvingssysteem is ontworpen om een voertuig van de grond op te tillen. Chemische motoren — die een brandstof en oxidatiemiddel samen verbranden, zoals hierboven beschreven — blijven de enige praktische manier om een raket uit de aardatmosfeer op te tillen. Voor manoeuvre zodra in de ruimte, gebruiken agentschappen echter steeds vaker elektrische voortstuwing. NASA beschrijft systemen die elektriciteit, gegenereerd door zonnepanelen of een kernreactor, gebruiken om een gas zoals xenon of krypton te ioniseren en de resulterende ionen uit een voortstuwing te versnellen met behulp van elektrische en magnetische velden.

De Dawn-missie van NASA illustreert het compromis: zij gebruikte elektrische voortstuwing om ongeveer vijf jaar nodig te hebben om de asteroïdengordel te bereiken voordat zij tussen de lichamen Vesta en Ceres manoeuverde — een langzame, gestage versnelling die onmogelijk te bereiken is met de korte, krachtige branden van chemische motoren, maar efficiënt voor lange missies. ESA maakt hetzelfde punt over haar SMART-1-maanprobe en de lopende BepiColombo-missie naar Mercurius, beide vertrouwen op ionmotoren die, volgens ESA, "maandenlang of zelfs jarenlang voorzichtig kunnen blijven duwen" met slechts een kleine brandstoftoevoer en enkele kilowatt vermogen van zonnepanelen.

Het bereiken en verwijlen in een baan

Het bereiken van de ruimte en daar blijven zijn twee verschillende problemen. De Amerikaanse National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) legt uit dat een satelliet in een baan blijft wanneer zijn voorwaarts momentum in evenwicht is met de zwaartekracht van de aarde: zwaartekracht buigt het pad van de satelliet naar de aarde, terwijl zijn zijwaartse snelheid hem vooruit brengt, dus de twee effecten combineren in een cirkelvormig of elliptisch pad in plaats van een rechte val. Als een satelliet voor zijn hoogte te langzaam beweegt, domineert zwaartekracht en daalt het; als het te snel beweegt, breekt het uit dat evenwichtige pad in plaats van zijn baan te handhaven.

De snelheid die voor dat evenwicht nodig is, verandert met hoogte. NOAA geeft het voorbeeld van haar NOAA-20-satelliet, die op een paar honderd miljl hoogte op ongeveer 17.000 mph in een baan gaat, in vergelijking met haar GOES-East-satelliet, die op ongeveer 22.000 miljl hoogte op slechts ongeveer 6.700 mph in een baan gaat — wat illustreert dat hoe verder een satelliet van de aarde is, hoe zwakker is zwaartekrachttrek en hoe lager is de snelheid die nodig is om in een baan te blijven. De Earth Observatory-catalogus van NASA geeft concrete cijfers voor veelgebruikte baanklassen: zijn Aqua-satelliet doet ongeveer 99 minuten om de aarde van ongeveer 705 kilometer hoogte om te cirkelen (lage aardbaan); GPS-satellietsvliegen in een halfsynchrone middelste aardbaan ongeveer 20.200 kilometer boven het oppervlak met een periode van 12 uur; en geostationaire satelliten zitten ongeveer 36.000 kilometer omhoog, voltooid een baan elke 23 uur, 56 minuten en 4 seconden zodat zij vast lijken te staan over een punt op aarde.