Wil jij op de hoogte blijven van de nieuwe space race? Schrijf je dan nu via deze link in op Space Insider van ruimtefanaat Andrei Stiru en ontvang elke week de nieuwste weetjes over de ruimte in je inbox.

De voorbije jaren hebben de herbruikbare draagraketten van Elon Musks ruimtevaartbedrijf SpaceX, de Falcon 9 en diens grote broer de Falcon Heavy, een ware revolutie ontketend. Door raketten niet langer af te danken, maar deels opnieuw te gebruiken, is de kostprijs voor een lancering fors lager geworden. Maar hoe is dat juist gebeurd?

Op 12 april 1961 werd de Sovjet-kosmonaut Joeri Gagarin de eerste mens in de ruimte. Hij draaide eenmaal rond de aarde, tijdens een vlucht die amper 1 uur en 48 minuten duurde. Sindsdien zijn al honderden mensen naar het hemelruim gereisd, hebben onbemande tuigen het zonnestelsel verkend en zijn er duizenden kunstmanen in een baan rond de aarde geplaatst.

Hoewel dat een monumentale prestatie was voor de mensheid, was het prijskaartje voor al die vluchten groot. Dat komt omdat alle raketten die gebruikt werden tijdens de 20e en het begin van de 21e eeuw, na een vlucht afgedankt werden. NASA probeerde daar wel verandering in te brengen met de Space Shuttle, die wel herbruikbaar was, maar de raketten die het tuig in een baan rond de aarde plaatsten, waren zelf niet herbruikbaar.

Herbruikbare draagraketten

De voorbije jaren is daar verandering in gekomen. In december 2015 landde voor het eerst een rakettrap van een Falcon 9 bij de Amerikaanse lanceerbasis Cape Canaveral in Florida. Intussen herhaalde SpaceX het feit al meer dan 150 keer. Sommige rakettrappen werden zelfs al meer dan tien keer opnieuw gebruikt. 

Dat heeft ervoor gezorgd dat de kostprijs voor een vlucht aardig is gedaald tegenover het Space Shuttle-tijdperk. Om een kilogram materiaal in een lage baan rond de aarde te plaatsen, betaal je als klant zo’n 2.600 dollar als je voor een vlucht met een Falcon 9 kiest. Een vlucht met diens grote broer, de Falcon Heavy, is zelfs nog goedkoper. Ter vergelijking: dat prijskaartje kwam bij de Space Shuttle op zo’n 65.400 dollar, 25 keer zo duur.

De motoren

De Falcon 9 is een tweetraps draagraket. De eerste trap, die herbruikbaar is, beschikt over 9 Merlinmotoren, die door SpaceX zelf werden ontworpen. De motoren worden aangedreven door een combinatie van RP-1, een sterk verfijnde vorm van keroseen die gelijkaardig is aan vliegtuigbrandstof, en vloeibare zuurstof (LOX). 

Merlins werden oorspronkelijk ontworpen voor de Falcon 1, een ouder model van SpaceX dat niet herbruikbaar was. De motoren moesten dat echter wel zijn. Nadat een rakettrap werd afgedankt, was het de bedoeling dat die terug werd opgevist uit de zee om de motoren te bergen, maar dat gebeurde uiteindelijk nooit.

Het landingsproces

Uiteindelijk werd de Falcon 1 opgevolgd door de Falcon 9. De eerste rakettrap daarvan maakt gebruik van negen Merlins om een hoogte van zo’n 100 kilometer te bereiken, ongeveer de grens van de ruimte. Daar wordt de rakettrap ontkoppeld, waarna de tweede – kleinere en niet herbruikbare – trap met één Merlinmotor verdervliegt om de lading aan boord in een baan rond de aarde te plaatsen.

De eerste rakettrap vliegt intussen nog even door om af te remmen. Daarna begint het terugkeerproces. De stuwraketten aan boord, aangedreven door gas, worden aangezet, waardoor de raket 180 graden draait. Eenmaal de onderkant naar de aarde is gericht, kan het terugkeerproces beginnen. 

Daarna worden drie Merlins opnieuw geactiveerd om richting de landingssite te bewegen. Dat kan ofwel op het land zijn, ofwel op een van de onbemande mariene landingsplatformen van SpaceX. Op dit moment bedraagt de snelheid van het tuig nog altijd zo’n 5.000 kilometer per uur.

Hierna begint de zogenaamde “supersonische retropulsie”, het vuren van de motor tegen de aankomende supersonische luchtstroom nadat de trap terug in de atmosfeer terechtkomt. Nu worden ook de rastervinnen geactiveerd, om de rakettrap af te remmen, maar ook om die te stabiliseren. Uiteindelijk wordt de Falcon 9 op deze manier afgeremd tot een snelheid van minder dan 1.000 kilometer per uur.

Ten slotte volgt de “final burn”, de laatste activering van een van de raketmotoren wanneer de Falcon 9 bijna aan land is. De raket vertraagt nu tot een snelheid van slechts enkele kilometer per uur. Vier landingsbenen, gemaakt uit koolstofvezel en aluminium, worden nu uitgespreid om de trap voor te bereiden op de landing, maar ook om die verder te stabiliseren. Ten slotte komt de rakettrap aan op aarde (of op zee).

De opknapbeurt

Een volledige vlucht, van lancering tot landing, duurt slechts een kleine negen minuten. Maar voordat een Falcon 9 opnieuw kan vliegen, moet behoorlijk wat werk worden uitgevoerd om die op te knappen. Hoewel SpaceX geen exacte cijfers publiceert, liet het bedrijf al weten dat de kostprijs voor zo’n opknapbeurt “substantieel minder is dan de helft” van het prijskaartje voor een volledig nieuwe rakettrap.

De onderhoudsbeurt kan op slechts enkele dagen worden uitgevoerd. In het verleden vloog eenzelfde rakettrap al twee keer op slechts 21 dagen tijd. Toen liet SpaceX weten dat de opknapbeurt zelf slechts negen dagen duurde. Het bedrijf is van plan om uiteindelijk op slechts 24 uur een raket terug gebruiksklaar te maken.

De toekomst

Binnenkort zal SpaceX als alles goed gaat een eerste orbitale testvlucht uitvoeren met Starship, het toekomstige vlaggenschip van het bedrijf. Dat moet de kosten van een vlucht verder drukken. Beide rakettrappen van Starship zullen immers herbruikbaar zijn, waardoor de raket het eerste volledig herbruikbare ruimteschip in de geschiedenis zou kunnen worden.

Bovendien zal Starship in staat zijn een veel grotere lading in een baan rond de aarde te plaatsen dan de Falcon 9. SpaceX wil in staat zijn 150 ton in een lage baan rond de aarde te plaatsen. Nadat het schip zichzelf bewezen heeft, zullen bovendien ook bemande vluchten worden uitgevoerd. Uiteindelijk moet er plaats zijn voor 100 passagiers per Starship, een ongeziene hoeveelheid in de ruimtevaart.

Intussen hebben ook andere bedrijven en ruimteagentschappen ambities om herbruikbare raketten te ontwikkelen. Onder andere Blue Origin van Jeff Bezos, het Amerikaanse Relativity Space, het Europese The Exploration Company, de Chinese bedrijven Space Epoch en CAS-Space en een reeks anderen zijn ermee bezig. Ook de Chinese en Europese ruimteagentschappen hebben het licht gezien en willen de technologie ontwikkelen. Zij moeten opboksen tegen Musks ruimtegigant, dat intussen een ruime voorsprong heeft opgebouwd.

(kg)