Hypersone raket is te snel voor de verdediging

Natuurkunde Nu de wapenwedloop weer op gang dreigt te komen, verschijnen er nieuwe raketten. De hypersone raket gaat vijfmaal sneller dan het geluid op zijn doel af.

De X-51A Waverider is een experimentele hypersone raket. Illustratie U.S. Air Force

De Dag van de Overwinning op nazi-Duitsland gaat in Rusland ieder jaar op 9 mei gepaard met militair vertoon. Het bekende werk: lange parades van soldaten, rijen opgepoetste tanks en lanceerinstallaties.

Maar dit jaar vloog boven Moskou een MiG-31K straaljager die de aandacht van militaire experts trok door de lange witte raket die eronder hing. Het was de Kinzhal, Russisch voor ‘dolk’. Dat is een hypersone raket die, na lancering vanaf het vliegtuig, nog zo’n 2.000 kilometer ver kan vliegen. Ook China presenteerde dit jaar een hypersone raket, die het naar eigen zeggen ook al succesvol heeft getest.

Hypersone raketten zijn de volgende stap in de ontwikkeling van rakettechnologie. Deze raketten gaan minstens vijf maal sneller dan het geluid. Door hun hoge snelheid zijn hypersone raketten nu nauwelijks te onderscheppen.

Hypersone wapens zijn niet bedoeld voor op het slagveld, maar om strategische doelen als communicatiecentra of vliegdekschepen uit te schakelen. Er kan een bomlading op – conventioneel, nucleair, chemisch of biologisch.

De tijd van ontwapening is voorbij: landen investeren weer in wapens waar veel dreiging van uit gaat. De Amerikaanse president Trump zei eind oktober dat hij het raketverdrag INF met Rusland wil opzeggen. Een nieuwe wapenwedloop ligt op de loer. Zeker is dat alle grote landen, zoals China, India, Rusland en de VS, hypersone raketten ontwikkelen.

Wat betekent dat hypersoon eigenlijk?

Een raketvlucht heet hypersoon als het projectiel door de atmosfeer vliegt met minstens Mach 5, vijf maal de geluidssnelheid. Dat is sneller dan 1,7 kilometer per seconde. „Die grens is van belang omdat bij die snelheid de lucht rond het projectiel zo heet wordt – ruim 1.700 graden Celsius – dat de gassen waar lucht uit bestaat uiteen beginnen te vallen”, vertelt een expert van het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) in Amsterdam. Zijn naam mag niet in de krant, want dat zou buitenlandse onderzoekers maar wijzer maken dan nodig is.

Zulke extreme snelheden zijn al bekend van bestaande ballistische raketten, die na afschieten terugvallen van buiten de atmosfeer. Daarbij bereiken ze snelheden tot wel 8 kilometer per seconde, ofwel 23 maal de geluidssnelheid. Zo’n ballistische raket reikt weliswaar ver, maar is relatief gemakkelijk uit de lucht te schieten. Hij beschrijft een voorspelbare baan: ongeveer een parabool, een eenvoudige wiskundige kromme. „Als je een ballistische raket een tijdje volgt, kun je vrij gemakkelijk berekenen waar hij heen gaat”, zegt de NLR-expert.

Hypersone raketten staan zo in de belangstelling omdat ze een tijd horizontaal vliegen, waardoor het veel lastiger is om te voorspellen wat ze gaan doen. „Je ziet hem vliegen, maar gaat hij nou af op Los Angeles of San Francisco? Dat wordt pas op het laatste moment duidelijk”, geeft de NLR-man als voorbeeld.

Hoe werkt zo’n hypersone raket?

Er zijn twee typen hypersone raketten in ontwikkeling. Ten eerste de boost-glide-raket. Dit type wordt afgevuurd als een ballistische raket, eventueel met meerdere trappen. Als die hun brandstof hebben verbruikt klimt de raket nog iets door. Vanaf zijn hoogste punt – dit kan een paar honderd kilometer hoog zijn – valt hij richting aarde. Eenmaal in de atmosfeer, op ongeveer honderd kilometer hoogte, begint de raket aan een glijvlucht. Daarbij kan hij sturen met kleine bewegende zijvinnen of met kleine boosterraketten. De raket vergelijkt zijn positie (zijn gps-coördinaten) steeds met de geprogrammeerde route. Als er een afwijking optreedt, stuurt hij bij. „De uitdaging is om vroeg bij te sturen, vanwege de enorme snelheid”, aldus de NLR-expert. „Dit laatste onderdeel is nog in ontwikkeling, maar van alles wat daarvóór zit, is behoorlijk goed bekend hoe het moet: het lanceren, de boost-fase, het afstoten van de trappen, de brandstoffen.”

Twee experimentele raketten: de ‘zwever’ en de ‘luchthapper’ Roland Blokhuizen

Het tweede type hypersone raket is minder ver ontwikkeld. Die raket werkt op basis van air breathing: terwijl hij met grote snelheid door de lucht vliegt, hapt hij lucht via een inlaat. Die lucht is nodig voor de verbranding van de brandstof die hij aan boord heeft. Bij dat lucht happen wordt de lucht heet, want als stromende lucht van Mach 4 naar bijna stilstand wordt afgeremd, wordt kinetische energie omgezet in inwendige energie van de luchtmoleculen. De luchttemperatuur zou oplopen tot ongeveer 1.000 graden Celsius, rekent raketonderzoeker Barry Zandbergen van de Technische Universiteit Delft voor. Daar komt de verbrandingswarmte nog bij. Al met al een warmtebelasting waar de meeste materialen niet tegen bestand zijn.

Daar hebben raketwetenschappers een oplossing voor bedacht: scramjet (Supersonic Combustion Ramjet), waarbij de verbranding plaatsvindt onder supersone condities, bij luchtstromingen sneller dan de geluidssnelheid. De vorm van de inlaat zorgt voor compressie van de binnenstromende lucht – dit is het scramjet-principe – die toch al nodig is voor de verbranding van de raketbrandstof. Het hete gas dat de raket aan de achterkant verlaat zorgt voor voortstuwing. Een goed idee, maar het blijkt lastig om de verbranding in een scramjet af te stemmen op de snelle luchtstroom. Alsof je een lucifer afstrijkt in een orkaan en dan probeert die een tijdje te laten branden, beschreef vakblad Aerospace America het beeldend.

Verstelbare inlaat

De luchtinlaat wordt zo ontworpen dat hij optimaal presteert bij één bepaalde snelheid, zegt de NLR-expert, en bij andere snelheden dus minder goed. Dit is op te lossen met een verstelbare inlaat, maar dan zit je weer met een complex mechanisch systeem op je raket. Dat is ongewenst, want „hoe meer bewegende onderdelen hij heeft, hoe sneller de raket zal falen door oorzaken als vermoeiing, wrijving en wisselende belastingen”, zegt Zandbergen (TU Delft).

Overigens moet zo’n luchthappende raket hoog in de atmosfeer vliegen, want op zeeniveau is de lucht te dik. Hij wordt dan ook vanaf een vliegtuig gelanceerd. Hoe lastig de scramjet in de praktijk is, bleek in 2013, toen een testvlucht met het experimentele X-51 Waverider-vliegtuig van het Amerikaanse Boeing maar 210 seconden duurde. Tot op de dag van vandaag is het de langst bekende hypersone vlucht met een scramjet.

Beide types hypersone raketten krijgen hoge temperaturen te verduren, tot boven de 1.000 graden Celsius. Om die te kunnen weerstaan, zijn bijzondere materialen nodig, zoals titanium en inconel, een legering van vooral nikkel en chroom. Daar waar het echt heet wordt zijn hittebestendige keramieken het meest geschikt. Denk aan de zwarte onderkant van de Space Shuttle, die dertigduizend keramische tegeltjes nodig had omdat hij met Mach 25 de atmosfeer in kwam. De plekken die de grootste hitte voor hun kiezen krijgen – letterlijk de hot spots – zijn de neus en de voorzijde van vleugels. Daar zijn zogeheten ceramic matrix composite-materialen nodig, zeggen beide experts. Dit zijn materialen waarbij keramiekvezels zijn ingebed in een matrix van keramiek. Dat is de enige materiaalsoort die bestand is tegen zowel zeer hoge temperaturen als tegen een snelle temperatuursverandering.

En misschien kan een oude truc van de Lockheed SR-71 ‘Blackbird’ uitkomst bieden, oppert de NLR-specialist. „Die ging al zo snel dat de vleugels warm werden. Dat hadden de ontwerpers opgelost door brandstof door kanalen in de voorkant van de vleugels te laten stromen, die de warmte afvoerde.”

En dan zijn er nog de schokgolven die ontstaan doordat de raket veel harder dan het geluid vliegt. Die wil je minimaal houden, want schokken zijn een vorm van energieverlies.

Raakt de wereld uit balans door die hypersone raketten?

Het idee bestaat dat de Verenigde Staten achter lopen bij China en Rusland. Of dat echt zo is, is niet duidelijk. De nieuwe stap die de VS hopen te maken, moet onder meer komen van de X-60A die begin oktober werd onthuld. Met deze experimentele raket – vandaar de ‘X’ – gaat de Amerikaanse luchtmacht proeven doen bij hypersone snelheden. „Deze moet gegevens opleveren die we niet kunnen krijgen met tests op de grond”, aldus kolonel Colin Tucker begin oktober in vakblad Air Force Times. „We hadden al veel langer een testvehikel nodig om beter te begrijpen hoe materialen en subsystemen zich gedragen als je met meer dan vijf keer de geluidssnelheid vliegt.” Het is afwachten of de Amerikanen, de Chinezen óf de Russen als eerste een goed functionerende scramjet zullen hebben.

    • Jim Heirbaut