Geef me de ruimte (12)

Foto

We zien hier de Saturnus IB. Deze had een hoogte van 70 meter en werd gebruikt om Apollo-capsules in een baan om de aarde te brengen. Het was de voorloper van de machtige Saturnus V waarmee de Apollo maanvluchten werden uitgevoerd. De foto is genomen in 2009 tijdens mijn bezoek aan Kennedy Space Center te Florida.

Opbouw en werking van een raket.

In de vorige blogs hebben we gedurende meer dan een eeuw de ontwikkeling van de raket ontstaansgeschiedenis kunnen lezen. Hoe door enkele personen de raket tot een werktuig werd gemaakt waardoor kunstmanen in een baan om de aarde werden gebracht en zelfs bemande reizen naar maan mogelijk werden. Echter wat is een raket nou eigenlijk? Iedereen ziet met regelmaat raketten in het nieuws als lange cilinders die gelanceerd worden, gepaard gaande met veel rook en lawaai. Uit onze dagelijkse praktijk weten we dat beweging alleen verkregen wordt met een vorm van aandrijving. Denk aan de auto, de bromfiets, E-bike, hijskranen, etc. Allen hebben een motor die werkt op bv. benzine of elektriciteit. Zelfs de normale ‘ouderwetse’ fiets heeft aandrijving, echter ditmaal middels menskracht.

De ontwikkeling van de raket nam een aanvang met de vuurpijl. Al in de derde eeuw vóór Christus vulden Chinezenkokers van bamboe met buskruit die dan in het vuur werden gegooid om de boze geesten door het lawaai van de explosies te verjagen. Het is zeer waarschijnlijk dat bij een van die gelegenheden een niet goed afgedichte koker niet ontplofte maar door de uitstromende verbrandingsgassen uit het vuur wegschoot. Wanneer de volle betekenis hiervan is onderkend, weten we niet. Zeker is dat vanaf het jaar 1045 ná Christus de Chinezen de vuurpijl als oorlogswapen gebruikte. Tot in de 19de eeuw heeft de vuurpijl als wapen gediend. Daarna is zij verdrongen door artilleriegeschut.

De raket verkrijgt haar voortstuwende kracht doordat massadeeltjes met hoge snelheid worden uitgestoten. Iedereen die weleens een geweer heeft afgeschoten heeft de terugslag tegen de schouder gevoeld. Welk kind heeft niet eens een ballon opgeblazen en dan losgelaten. Door de ontsnappende lucht vliegt de ballon alle kanten op. Het is dit principe, actie = reactie, waardoor wij ons in de vrije ruimte kunnen voortbewegen.

Er bestaan meerdere manieren waarop massadeeltjes worden uitgestoten. De meest voorkomende vorm is het tot ontbranding brengen van brandstof én zuurstof. De verbrandingsgassen zorgen dan voor de voortstuwende kracht. We spreken nu van een ‘chemische raket’. Zowel brandstof als zuurstof worden meegevoerd. Dit in tegenstelling tot de straalmotor van een verkeersvliegtuig die de vereiste zuurstof uit de omringende lucht betrekt. Een verkeersvliegtuig kan daarom nooit hoger dan zo’n 10-12 km vliegen omdat op die hoogte nauwelijks nog sprake is van zuurstof. Doordat de raket haar eigen zuurstof meeneemt kan zij ook werken in het ledige heelal en kunnen we dus ruimtevaart bedrijven.

Opbouw van een chemische raket.

We onderscheiden daarbij drie principiële uitvoeringen, nl. de vloeibare-, de vaste stuwstof- en als derde de hybride raket. De hybride raket is een combinatie van de vloeibare- en de vaste brandstofraket en wordt zelden toegepast. We laten deze dan hier ook buiten beschouwing.

In een vloeibare stuwstofraket liggen de vloeibare stuwstoffen opgeslagen in aparte tanks en worden in een bepaalde mengverhouding onder hoge druk naar de verbrandingsruimte geleid en tot ontbranding gebracht. Het verbrandingsproces zal zich voortzetten totdat al de stuwstoffen verbruikt zijn. Door de toevoer echter te onderbreken kan het verbrandingsproces wel gestopt worden. Een geweldig groot voordeel.

De vaste stuwstofraket kan het best vergeleken worden met een vuurpijl dat we op oudejaarsavond af schieten. De raket bestaat enkel uit een vaste stuwstofmassa, de korrel genoemd. In deze korrel is een kanaal aangebracht. Als de verbranding is ingezet verlaten de uitlaatgassen via dit kanaal de raket. Als alle korrels zijn verbruikt, stopt de verbranding. Het grote voordeel van deze raket is de eenvoudige uitvoering. Geen draaiende delen o.i.d. Een nadeel is echter dat de verbranding niet gestopt kan worden. Het is dan een soort “ongeleid projectiel”. Dit was voornamelijk de reden dat in de beginjaren deze raket nauwelijks werd toegepast. Tegenwoordig worden ze gedurende het eerste deel van een lancering veelvuldig toegepast. Ze leveren een grote prestatie gedurende een korte tijd. Het doel is dan om de raket snel door de dichte luchtlagen te voeren. Men spreekt van ‘opduwraketten’.

Links de twee meest bekende uitvoeringen van een chemische raket. Rechts de Space Shuttle. Duidelijk zien we de twee witte opduwraketten. Deze werden 124 seconden na de lancering al afgeworpen.

Hierboven is de raket in haar meeste eenvoud besproken. Om een satelliet in een baan om te aarde te kunnen plaatsen, zijn de prestaties van een dergelijke enkelvoudige raket echter onvoldoende. Daartoe worden meerdere dergelijke raketten samengevoegd tot een zgn. ‘meertrapsraket. Veelal in serie. Is de eerste raket, trap genoemd, uitgewerkt, dan wordt deze afgeworpen en zet de volgende raket, lees trap, de vlucht voort. In de beginjaren bestond de meertrapsraket veelal uit drie trappen. Tegenwoordig zijn dat er normaal twee, waarbij dan wel twee opduwraketten noodzakelijk zijn. Om een satelliet te kunnen plaatsen moet de raket een prestatie kunnen van zo’n 30.000 km/uur. Willen we een ruimtevaartuig naar één van onze planeten sturen, dan is al gauw 50.000 km/uur vereist. We zien dus de geweldige prestaties die dergelijke raketten moeten kunnen leveren.

De raketmotor.

De raketmotor kan in haar meest eenvoudige vorm voorgesteld worden als een verbrandingsruimte. Bij het verlaten van de verbrandingsgassen wordt dan een voortstuwende kracht, stuwkracht genoemd, verkregen. We nemen de F-1 raketmotor van de Saturnus V als voorbeeld. De krachtigste raketmotor ooit gebouwd. Kerosine en vloeibare zuurstof worden onder een druk van 70 atmosfeer in de verbrandingskamer samengevoegd en bij een temperatuur van 3300 graden Celsius tot ontbranding gebracht. De verbrandingsgassen verlaten de uitlaat met een snelheid van bijna 10.000 km/uur en leveren een stuwkracht van 670 ton. Elke seconde wordt zo’n 2600 kg aan stuwstof verbruikt. En dan te bedenken dat vijf van deze motoren, totale stuwkracht 3400 ton (3,4 miljoen kg) nodig waren om de Saturnus V te kunnen verheffen. De Saturnus woog op het moment van lancering bijna 3 miljoen kg. Ongelooflijke prestaties en zeker voor die tijd.

Opgemerkt moet worden dat ik oude conventies v.w.b. gewicht en kracht gebruik. Dit is enkel bedoeld om het leesgemak voor velen te vergroten. (670 ton = 6572 kN).

De F-1 raketmotor. Links het principeschema. In het midden zien we de verbrandingskamer. Zo’n 6300 kanaaltjes die de kerosine en de vloeibare zuurstof binnenleiden. Rechts staand voor de F-1 motor met een hoogte van bijna 6 meter en een grootste diameter van 3 meter. Beide foto’s zijn genomen in 2009 (Kennedy Space Center).

Koeling.

Koeling is een van de grote problemen bij de raketmotor. De temperaturen in de verbrandingsruimte kunnen oplopen tot meer dan 3000 graden Celsius. Er bestaan géén materialen die deze temperaturen kunnen doorstaan. IJzer smelt bv. al bij zo’n 1500 graden Celsius. Vele anderen zelfs al eerder. Met andere woorden, een bepaalde vorm van koeling is een absolute noodzaak. Een gelukkige omstandig-heid nu is dat de meegevoerde vloeibare zuurstof extreem koud is, namelijk 183 graden Celsius ónder nul.

De verbrandingsruimte wordt daartoe dubbelwandig uitgevoerd. De wand is dan opgebouwd uit een geheel aan elkaar gelaste dunwandige pijpjes (kanalen). Alvorens de koude zuurstof naar de verbrandingsruimte wordt geleid, wordt deze allereerst door de kanalen gevoerd. We spreken dan van regeneratieve koeling. Allereerst wordt namelijk koeling verkregen en tegelijkertijd wordt de zuurstof al een beetje voorverwarmd, hetgeen het rendement van de verbranding ten goede komt.

Alternatieve vormen van raketvoortstuwing.

Hierboven hebben we gezien dat de raket haar voortstuwende kracht verkrijgt door het uitstoten van massadeeltjes. De aard van de deeltjes is daarbij niet relevant. Het mogen dus ionen, atomen, elektronen en zelfs fotonen zijn. Belangrijk is alleen de hoeveelheid massadeeltjes per tijdseenheid en de hoogte van de uitstroomsnelheid. We onderscheiden twee categorieën raketvoortstuwing, namelijk de categorie die in korte tijd een grote prestatie levert en een categorie waar gedurende langere tijd een kleine prestatie geleverd wordt. De chemische- en de nucleaire raket behoren tot de eerste categorie, terwijl voortstuwingssystemen die gebaseerd zijn op het uitstoten van elementaire deeltjes zoals ionen, atomen en plasmadeeltjes kenmerkend zijn voor de tweede categorie. Om satellieten in een baan om de aarde te brengen of zelfs aan de zwaartekracht van de aarde te kunnen ontsnappen zijn alleen de chemische- en de nucleaire voortstuwing daartoe in staat. Vanwege het besmettingsgevaar bij nucleaire voortstuwing zal de chemische voortstuwing nog lang een wezenlijke rol spelen bij het verlaten van- en landen op aarde, maan en planeten. Elektrische voortstuwing is van groot belang om de reistijden binnen ons zonnestelsel aanzienlijk te verkorten en wordt al vrij breed toegepast.

Als vergelijk nemen we de eerste trap van de Saturnus V. Deze verbruikte in 165 seconden iets meer dan twee miljoen kg aan stuwstof. Vervolgens nemen we de Amerikaanse ruimteverkenner, Deep Space 1 met een ionenmotor, gelanceerd in 1998 voor een ontmoeting met de astroïde 1992KD en de komeet 19P/Borrelly. Zij verbruikte gedurende een aandrijfperiode van 20 maanden, slechts 74 kg aan stuwstof. Beiden bereikten een eindsnelheid van om nabij de 10.000 km/uur. Zie hier de grote verschillen.

Een artistieke impressie van Deep Space 1 op haar reis door het zonnestelsel.

In de volgende bijdrage ga ik nader in op de ‘De satelliet in een baan om onze aarde’, een fenomeen die ongelooflijk belangrijk is in ons dagelijks doen en laten.