Raketten; Traag in vooruitgang

Sinds de Tweede Wereldoorlog zijn raketten vooral groter en beter geworden. Maar alle werken volgens hetzelfde principe. Reactie is reactie.

HET WONDERLIJKSTE KENMERK van de raketten die voor de moderne civiele ruimtevaart worden gebruikt, is dat ze zo ouderwets zijn en dat ze in hun bouwplan bijna altijd een compromis tussen civiele en militaire eisen tonen. Alleen de roemruchte Saturnus-5 van de Apollo-missies naar de maan en de Space Shuttle zijn volkomen op hun speciale missies toegesneden. Voor de Ariane-raketten, die de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en haar voorloper sinds 1962 ontwikkelden, gold aanvankelijk hetzelfde, maar door de overheersende Franse invloed in de raketontwikkeling zijn ook in de Ariane militaire trekjes te vinden.

De Cassini/Huygens-sonde werd half oktober gelanceerd door een Titan-4B-raket. De Titans werden eind jaren vijftig ontworpen als dragers van nucleaire ladingen voor de strategische kernmacht van de VS. De eerste Titan-2, waarvan de volgende direct zijn afgeleid, ging al in 1963 de lucht in.

Wie een blik werpt op het principeschema van de Ariane-5, de nieuwe raket van de ESA die vorige week werd gelanceerd, herkent het werkingsprincipe van de V2 van Von Braun, die al in 1942 omhoog ging. De hoofdtrap van de Ariane-5 gebruikt als stuwstoffen vloeibaar waterstof en zuurstof die op het allerlaatst met elkaar worden vermengd en met grote kracht via 'injectors' in een bolvormige verbrandingskamer worden gespoten. Het verbrandingsgas verlaat die kamer met hoge snelheid via de straalpijp, de nozzle. De beide stuwstoffen worden verpompt door twee pompen die worden aangedreven door een turbine: 'turbopompen' dus. Von Braun liet zijn turbine aandrijven door stoom die vrijkwam uit een chemische reactie, tegenwoordig gebruikt men een gasturbine die in een perpetuum mobile-achtige opzet wordt aangedreven door de stuwstoffen zelf. (Voor het starten is daarom een aparte gasgenerator nodig.) Wat van de V2 behouden bleef, is de koeling van de nozzle met de stuwstof.

Het is een niet te vermijden cliché dat de voornaamste doorbraak in rakettechnologie kwam van de V2. Al voor de Tweede Wereldoorlog is er volop met raketten geëxperimenteerd, de Amerikaan Goddard bouwde zelfs in 1926 een raket met benzine en zuurstof als stuwstoffen (waar vaste stuwstoffen tot dan de regel waren) en al rond 1885 had de Rus Tsjolkovski de wiskundige beginselen van raketaandrijving uitgewerkt. Maar Von Braun c.s. kwam met de theoretische en technische doorbraken die echte ruimtevaart binnen bereik brachten.

De raket-ontwikkeling na 1945 kan voor een groot deel worden afgedaan als schaalvergroting en optimalisatie, zoals verbetering van pompen, injectors, koelsystemen en de te gebruiken materialen. Wezenlijk nieuw was de invoering van het meertraps-principe, het grote voordeel daarvan was al door Tsjolkovski berekend. Dankzij de schaalvergroting lukte het in 1957 en 1958 de Russen en Amerikanen voorwerpen in een vaste baan rond de aarde te brengen.

Centraal in de ontwikkeling van raketmotoren stond lange tijd de optimalisatie van de straalpijp, de nozzle. Hierin is het principe van de raketwerking geconcentreerd. Dat principe is Newtons inzicht dat tegenover elke kracht altijd een even grote maar tegengestelde kracht werkzaam is ('actie is reactie'). Vaak blijft de tegenkracht onzichtbaar, maar in een raket manifesteert hij zich net zo duidelijk als bij de draaibare tuinsproeier. Van belang is dat de raket en de vlammenzee, die deze bij de start naar buiten werpt, zich niet afzetten tegen de grond of de omringende lucht maar tegen elkaar. Hoewel voor de raket en zijn wegstromende verbrandingsgassen gewoon de wet van energiebehoud geldt, worden de elementaire rekenregels voor raketvluchten afgeleid uit een andere behoudswet: de wet van impulsbehoud. Deze geldt voor een gesloten stel deeltjes of delen die uitsluitend op elkaar krachten uitoefenen en wordt ook met vrucht gebruikt voor de analyse van botsingen. (De 'impuls', in het Engels 'momentum' genoemd, is het product van massa en snelheid.) Met hulp van elementaire rekenregels valt af te leiden dat het vooral erop aankomt de wegstromende gassen in de nozzle een zo hoog mogelijke snelheid te geven.

Omdat er bovendien naar wordt gestreefd de impuls van de raket ten koste van een minimum aan wegstromende stuwstof te vergroten, zijn makkelijk de stuwstoffen aan te wijzen die - althans theoretisch - ideaal zijn voor de ruimtevaart. Vloeibare brandstoffen blijken te prefereren boven vaste brandstoffen en het koppel waterstof en zuurstof voert de lijst aan. Het bezwaar is dat die twee alleen bij zeer lage temperatuur vloeibaar blijven en dat ze dus altijd pas op het laatste moment aan boord kunnen worden genomen.

Voor militaire raketten, die steeds paraat moeten zijn, is dat een onaanvaardbare beperking. Militairen eisten vanaf het begin van de kernwapenwedloop 'opslaanbare' vloeibare brandstoffen die toch per kilogram een hoge specifieke impuls moesten geven.

Geijkte combinaties zijn sinds 1960 monomethylhydrazine (MMH) als brandstof en stikstofperoxide (NO) als verbrander (oxidator) en verder niet-symmetrisch dimethylhydrazine (UDMH), al of niet gemengd met gewoon hydrazine, en eveneens stikstofperoxide als oxidator. Ook worden wel stuwstoffen, zoals puur hydrazine, gebruikt die katalytisch vergassen zonder afzonderlijke oxidator.

Omdat veel draagraketten die in de civiele ruimtevaart worden gebruikt primair werden ontworpen voor militaire toepassing, worden daardoor wel stuwstoffen gebruikt die niet helemaal optimaal zijn. Omdat van militaire zijde bovendien soms ook vaste stuwstoffen wenselijk bleken (bij voorbeeld voor raketten aan boord van onderzeeboten) konden zelfs de vaste 'propellants' zich een positie verwerven in de civiele ruimtevaart. Maar geleidelijk is waardering ontstaan voor de lage prijs, de eenvoud en daarmee de hoge betrouwbaarheid van vaste stuwstoffen en inmiddels worden ze algemeen toegepast. Men vindt ze voornamelijk in de zogenoemde boosters, de aan weerszijden van de hoofdraket gemonteerde 'aanjagers' die goed beschouwd niet anders zijn dan extra trappen die niet ná maar tegelijk met de hoofdtrap ontsteken.

De boosters van de Ariane-5, de Space Shuttle en de Titan-4B (van de Huygens/Cassini-sonde) bevatten een vast mengsel van ammoniumperchloraat, plastic en aluminium. Dankzij een centrale uitsparing in de stuwstof die over de volle lengte van onder naar boven door de booster loopt, is de massa met hulp van een ontsteker in één keer over het hele oppervlak te ontsteken. De massa brandt in ongeveer twee minuten naar de buitenkant; dat is zo snel dat de buitenzijde van de booster nauwelijks verhit raakt.

Hij kan daardoor van heel licht materiaal worden gemaakt. In de Ariane-5 nemen de twee zeer zware boosters zo'n driekwart van de aandrijving voor hun rekening. Het is, gezien hun enorme stuwkracht, van groot belang dat ze volmaakt symmetrisch werken en volstrekt gelijktijdig ontstoken worden. Dat luistert op 0,1 seconden precies, wat weer grote eisen stelt aan de ontstekers.

Een groot bezwaar van de vaste-brandstofboosters is dat ze, eenmaal ontstoken, niet meer zijn te doven. Het is dus vrijwel ondoenlijk een raket uitsluitend van vaste brandstof te voorzien; er is vloeibare aandrijving nodig om de stuwkracht voldoende te kunnen regelen en op het juiste moment te kunnen beëindigen.

Dat in de diverse raketten voor de civiele ruimtevaart zoveel verschillende vloeistoffen worden gebruikt, kan worden verklaard uit de genoemde vermenging van militaire en civiele eisen en uit het feit dat vaak bestaande 'trappen' worden gemonteerd. Wie kiest voor een Centaur-eindtrap kiest tegelijk voor waterstof en zuurstof als stuwstoffen.

Voor het overige blijkt de keuze van de vloeibare stuwstoffen af te hangen van subtiliteiten die zelfs deskundigen niet zomaar doorgronden. De Cassini-sonde ging omhoog op een tweetraps Titan-4B die UDMH, hydrazine en stikstofperoxide verstookte en wat dat betreft wel wat op een Ariane-4 leek. De Space Shuttle laat zijn drie hoofdmotoren aandrijven door waterstof en zuurstof uit de hoofdstuwstoftank, maar de motoren van de Orbiter (de vliegtuigachtige raket die steeds terugkeert) lopen weer op MMH en stikstofperoxide. Ook de nieuwe Ariane-5 verstookt waterstof en zuurstof in de hoofdtrap en MMH met stikstofperoxide in de kleinere tweede trap.

Een wezenlijk verschil tussen de moderne ruimtevaartraketten en de oude V2 is dat de stabilisatievinnen en de in de stuwstraal stekende kleine grafietroeren die Von Braun introduceerde weer zijn verdwenen. De grafietroertjes namen veel vermogen weg, de stabilisatievinnen werken niet in het luchtledige. Tegenwoordig is de gehele raketmotor beweeglijk opgehangen en kan dus de nozzle elke kant op worden gedraaid. Vanzelfsprekend is de besturing sterk gecomputeriseerd.

Ook de nozzles van de boosters zijn beweeglijk, maar daar kan de richting van de stuwstraal ook op een andere manier worden beïnvloed, bijvoorbeeld door het inblazen van gassen.

Wat de technologie van de grote draagraketten betreft verwachten deskundigen niet op korte termijn zeer grote veranderingen.

De politici die de peperdure ruimtevaartprojecten moeten goedkeuren, eisen in de meeste gevallen 'bewezen technologie'. Steeds meer komt de nadruk op kostenbeheersing te liggen, niet in de laatste plaats door de dreigende concurrentie van de Chinese draagraketten. In dit verband is er een streven naar het ontwerpen van herbruikbare lanceervoertuigen. De Space Shuttle is meer in naam dan in werkelijkheid herbruikbaar.

Het oplappen van de Orbiter en de opgeviste boosters kost zoveel geld dat men het vanuit economische overwegingen beter zou kunnen laten. ESA hoopt daarin verandering te brengen. Ook de stuwstoffen zullen in de toekomst waarschijnlijk worden aangepast.

De kritiek op het gebruik van het uiterst giftige stikstofperoxide en de weinig minder giftige hydrazine-verbindingen wordt steeds groter. Het ammoniumperchloraat uit de vaste stuwstof boosters is een bedreiging van de ozonlaag.

Ariane-5

Vanaf Kourou, Frans-Guyana, is een week geleden de Ariane-5 gelanceerd. Deze draagraket is een product van het Europese samenwerkingsverband ESA. Hij vervoert experimentele satellieten.

Als de Ariane-5 deze test doorstaat, alsmede een lancering die in het voorjaar van 1998 op het programma staat, zal hij vaker worden gebruikt voor het in de ruimte brengen van satellieten.