Raket

De raket krijgt impuls naar voren door massa (meestal hete gassen) met hoge snelheid naar achteren uit te werpen. Dit wordt beschreven volgens de raketvergelijking van Tsiolkovski. Omdat naast de brandstof ook de oxidator (zoals zuurstof) voor de motor aan boord zijn kan een raket ook in vacuüm werken. Een belangrijke parameter van een raketsysteem is de specifieke impuls: hoe hoger, hoe zuiniger in gebruik van reactiemassa. Daarnaast is bij een lancering essentieel dat de raket meer kracht kan uitoefenen dan zijn eigen gewicht. Eenmaal in de ruimte kan een langdurige werking met beperkte capaciteit ook goed werken. De benodigde energie komt meestal uit een chemische reactie die de reactiemassa ondergaat (chemische raket), maar kan bijvoorbeeld in de ruimte bij langdurige werking met beperkte capaciteit ook van de zon komen.

Een grote chemische raket is vaak een meertrapsraket. Sommige lanceertuigen zijn modulair opgebouwde raketten. Dat houdt in dat afhankelijk van de massa, het formaat en de vereiste snelheid van de lading er extra hulpraketten, een andere of een extra bovenste rakettrap of een ander formaat neuskegel gebruikt kunnen worden.

Vroegere en hedendaagse simpele, kleine raketten hebben een scherpe vorm om de luchtweerstand zo laag mogelijk te houden. De vinnen (net zoals vissen die hebben) zorgden ervoor dat dit soort raketten niet onbeheerst om hun as gaan draaien of wiebelen tijdens het atmosferische gedeelte van de vlucht. Door de vinnen te draaien kan zo'n raket worden bestuurd.

Grotere raketten hebben tegenwoordig meestal een stompe (afgeronde) neuskegel omdat deze de hitte als gevolg van supersonische luchtwrijvingsweerstand beter kan afvoeren. Uitzondering hierop zijn de raketten die een ruimteschip met ontsnappingstoren (zoals Sojoez en Orion) lanceren. Na het passeren van de Kármánlijn die algemeen als grens van de ruimte wordt gezien wordt de aerodynamische neuskegel die de lading tegen winddruk beschermt afgeworpen. Op die hoogte is praktisch geen lucht meer en met minder massa aan boord kan de raket effectiever versnellen.

De besturing gebeurt niet meer door vinnen maar wordt met de volgende (combinatie van) methodes bewerkstelligd:

• Een bewegende raketmotor of beweegbare straalpijp die enkele graden opzij van de raket-as gericht kan worden.
• Verniermotoren. Dit zijn geen daadwerkelijke raketmotoren, maar twee kleinere richtbare straalpijpjes aan weerszijde van een niet beweegbare hoofdstraalpijp die lichte zijwaartse druk uit de verbrandingskamer van de hoofdmotor kunnen aftappen. Hiermee kan ook een rolbeweging worden bewerkstelligd.
  • Een variant hierop was te vinden in de Falcon 1-raket. De straalpijp van de Merlin 1C hoofdmotor was beweegbaar, maar ook de beweegbare uitlaat van de turbopomp deed mee in de besturing en kon voor rolbeweging zorgen.
• Kleine stuurmotoren. Dit zijn kleine motoren met een vaste positie die of bovenaan of onderaan een rakettrap zitten. Door de combinatie van deze motoren met de juiste druk en duur te vuren kan de richting van de raket worden gecontroleerd. Deze motoren waarvan er vaak acht, twaalf of zestien stuks samenwerken kunnen op hypergolische brandstoffen of op de druk van vloeibare stikstof werken.
• Stuwkrachtverschil - wanneer er meerdere hoofdmotoren gebruikt worden kan de raket door meer of minder stuwkracht aan een zijde te geven de richting aanpassen. Dit werkt alleen voor zeer kleine koerscorrecties en wordt in de praktijk niet meer gedaan. De N1-raket waarmee de Sovjet-Unie bemande maanreizen wilde bewerkstelligen gebruikte deze techniek, maar heeft nooit een succesvolle vlucht gemaakt.

Een antieke Chinese raket

De raket is in China uitgevonden. Als raketbrandstof werd buskruit gebruikt, dat de Chinezen in de eeuwen ervoor hadden uitgevonden. Een eerste betrouwbare bron (Ko Chieh Ching Yuan)[1] van de ontwikkeling van de raket vermeldt dat in het jaar 998 ene Tang Fu een nieuw soort raket met een ijzeren kop heeft uitgevonden. NASA noemt het gebruik van grote en krachtige raketten in de strijd van de Chinezen tegen de Mongoolse invasie in 1232.[2]

Het lijkt erop dat Europa in 1241 voor het eerst kennismaakte met de raket bij de inname van Boedapest door de Mongoolse troepen in dat jaar.[2] In de Arabische literatuur verschijnt de raket in 1248 als in dat jaar de Mongolen Bagdad innemen. De Arabieren gebruiken daarna in 1268 zelf raketten tegen het Franse leger tijdens de Zevende Kruistocht. Ook de Fransen zien het nut van dit nieuwe wapen en in 1428 verschijnen er berichten van het gebruik van raketten bij de belegering van Orléans tijdens de Honderdjarige Oorlog tussen Frankrijk en Engeland. In 1650 begonnen de Nederlanders raketten te gebruiken en in 1668 begonnen de Duitsers ermee te experimenteren.[2] Begin 19e eeuw zag Engeland het militaire nut van de raket in. William Congreve ontwierp een aantal oorlogsraketten. Vlissingen is o.a. door deze Congreve-raketten beschoten geweest.

Raketmotoren zijn er met vastebrandstofmotor, vloeibarebrandstofmotor en hybridebrandstofmotor. Raketten werken meestal door middel van de chemische verbranding van een geschikte brandstof (waterstof, ethanol, benzine, hydrazine, RP1-raketkerosine, methaan, propeen) met zuurstof of een ander oxidatiemiddel (bijvoorbeeld vloeibare zuurstof, of waterstofperoxide) hoewel enkele andere reacties theoretisch in aanmerking komen. Het geheel wordt, vooral als het al is gemengd, propellant genoemd, om de minder juiste term "brandstof" te vermijden.

Van belang bij de keuze van de brandstof is:

• de specifieke impuls (de energie die een brandstof levert bepaalt een theoretisch maximum voor die brandstof, die bij geen enkel raketontwerp overschreden kan worden)
• de reactiviteit en giftigheid van de reactieproducten
• de gevaren van de opslag van grote hoeveelheden brandstof
• de benodigde secundaire apparatuur en het gewicht daarvan (bijvoorbeeld pompen voor vloeibare zuurstof)
• de prijs van het materiaal

De chemische reactie die per gewichtseenheid de meeste energie levert, is die van fluorgas met waterstof. Deze komt echter om praktische reden niet in aanmerking als brandstof, aangezien zowel elementair fluor als het reactieproduct waterstoffluoride extreem giftig en corrosief zijn.

Eenvoudige raketten maken gebruik van vastebrandstofmotoren, waarbij de aandrijfstof, bestaande uit een oxidator en een brandbare stof, voorgemengd aanwezig is en na ontsteking opbrandt als in een vuurpijl (het oudste bekende type raket). Buskruit is dus de oudst bekende raketbrandstof. Een probleem bij dit soort raketten is de verandering van de vorm van de verbrandingskamer tijdens de vlucht, omdat het vlamfront een wand ervan vormt. Een ander probleem is dat als vaste brandstof eenmaal is aangestoken, het lastig is om de ontbranding weer te stoppen. Vanwege veiligheidsredenen wordt dit voor het vervoer van mensen soms bezwaarlijk geacht. Bij de inmiddels buiten gebruik gestelde Spaceshuttle, de geannuleerde Ares I en het in ontwikkeling zijnde Space Launch System van NASA is/wordt vaste brandstof toch bij het vervoer van mensen toegepast. Ook de Atlas V-configuratie die de bemande Boeing Starliner zal lanceren gebruikt twee vastebrandstofmotoren.

Met vaste brandstof kan niet actief gas teruggenomen worden. Verschillende lagen van brandstof kunnen echter wel anders van samenstelling zijn waardoor de stuwkracht op verschillende momenten vooraf kan worden aangepast aan de verwachte omstandigheden van de atmosfeer.

Meer complexe raketmotoren maken gebruik van vloeibarebrandstofmotoren, waarbij de aandrijfstof, bestaande uit een oxidator en een brandbare stof, gescheiden aanwezig zijn in het systeem. Veelal gebeurt de ontsteking door middel van pyrofore vloeistoffen. Maar bij motoren die op waterstof werken kan ook een hoeveelheid vonken onder de motor als ontsteking vanaf de grond worden gebruikt. Bij sommige raketten gebeurt de ontsteking van de eerste trap vanaf de grond om de motor simpeler te houden. De ontsteking kan echter ook onderdeel van de motor zijn met als voordeel dat deze eventueel herstartbaar is. De voortstuwing of verbranding is te regelen door de toevoer van deze stoffen te verminderen of te onderbreken. Er zijn ook raketten die gebruik maken van hypergolische brandstoffen. Die ontsteken zichzelf zodra de brandstof en oxidator met elkaar in aanraking komen. Een probleem bij dit soort raketten zijn de aggressieve stoffen die vaak problemen geven bij opslag.

Drukgevoede motoren

Schematische weergave van een drukgevoedde raketmotor

De simpelste vloeibarebrandstofmotoren zijn drukgevoede motoren. Bij deze motoren worden de brandstof en oxidator door de druk in de tanks naar de verbrandingskamer geduwd. Nadeel van dit type motoren is dat de druk in de verbrandingskamer nooit hoger mag zijn dan die in de tanks. Anders zou de toevoerstroom omkeren. Drukgevoede motoren worden vaak gebruikt als stuurmotoren omdat ze snel kunnen worden gestart daar er geen turbopomp in gang behoeft te worden gezet. De AJ10-motoren die voor de tweede trap van de Delta II raketten en als manoeuvreermotoren van de Spaceshuttle werden gebruikt zijn daarvan een bekend voorbeeld. Ook de tweede trap van de Falcon 1 had de drukgevoede Kestrel als hoofdmotor. Als drijfgas om de tanks onder druk te houden wordt meestal helium gebruikt die continu wordt aangevuld vanuit een kleine heliumtank die onder nog veel hogere druk staat.

Brandstofpompen en principes

Schematische weergave van een open verbrandingscyclus

Schematische weergave van een gesloten verbrandingscyclus

Schematische weergave van een full flow gesloten verbrandingscyclus

Om de druk in de verbrandingskamer toch hoger te kunnen krijgen dan de maximale druk in de tanks worden meestal brandstofpompen (meestal turbopompen) gebruikt. Overigens is ook in dat geval een drijfgas nodig om de brandstof en oxidator vanuit de tanks naar de brandstofpompen te duwen. In de meeste gevallen zijn dat twee turbines die door een voorverbrander worden aangedreven. Er bestaan twee typen voorverbranders. Een brandstofrijke voorverbrander heeft als nadeel dat deze veel roet uitstoot. Een zuurstofrijke voorverbrander heeft als nadeel dat deze erg heet wordt. Wanneer de meestal onvolledig verbrande uitstoot van de voorverbrander niet naar de verbrandingskamer wordt geleid spreekt men van een open verbrandingscyclus. Gaat die uitstoot wel naar de verbrandingskamer dan is dat een gesloten verbrandingscyclus. Bij een full flow gesloten verbrandingscyclus zijn er twee voorverbranders van beide types die elkaars nadelen opheffen. De ene drijft de zuurstofpomp aan en de ander de brandstofpomp.

De Aftap-verbrandingscyclus gebruikt druk die uit de verbrandingskamer wordt getapt om de turbopomp aan te drijven. Firefly Aerospace heeft motoren met dit principe ontwikkeld voor hun raketten Alpha en Beta.

Een betrekkelijk nieuwe techniek is om elektrische pompen in plaats van voorverbranders te gebruiken. Dit kan doordat de batterijtechniek de laatste decennia een flinke verbetering heeft doorgemaakt waardoor kleinere lichtere batterijen meer vermogen kunnen leveren. De Rutherford motoren van Rocket Lab zijn vooralsnog de enige raketmotoren die deze techniek gebruiken. Voor grotere motoren heeft dit nog geen voordeel.

Er bestaan motoren die een set brandstofpompen voor twee of vier verbrandingskamers gebruiken. De Amerikaanse LR-87 (hoofdmotor van Titan-raketten) en de Russische RD-107A, RD-170 en de RD-180 zijn daar voorbeelden van. Men zou door het tellen van het aantal straalpijpen onder een raket daardoor foutief kunnen denken te weten hoeveel motoren er in zo’n raket zitten.

Vaak wordt de brandstof dan wel de oxidator eerst door leidingen die in het metaal van de straalpijp zitten verwerkt gepompt. Hierdoor wordt de straalpijp gekoeld terwijl de vloeistof wordt verhit zodat deze gasvormig in de verbrandingskamer en de voorverbrander aankomen waardoor ze sneller kunnen verbranden. Bij de BE-7-motor van de Blue Moon-maanlander worden zowel de brandstof als de oxidator door de straalpijp verwarmd. Een andere manier om de straalpijp te koelen is door deze van een ablatieve laag te voorzien.

Hybridebrandstofmotoren maken gebruik van vaste stof en een vloeistof. Bestaande uit een oxidator en een brandbare stof. Een probleem bij dit soort raketten is de regeling van voortstuwing tijdens de vlucht. Een voordeel is dat deze zijn te doven. De RocketmotorTwo van SpaceShipTwo is een hybride motor die inmiddels wordt gebruikt.

De verbrandingskamer is naar een kant open, waar een straalpijp is geplaatst, die de hete reactiegassen gericht en gecontroleerd laat expanderen waardoor de efficiëntie van de aandrijving toeneemt. Dit is geen letterlijke verbrandingskamer, hij wordt alleen zo genoemd. Bij een vastebrandstofmotor beslaat de verbrandingskamer de hele lengte van de rakettrap met uitzondering van de straalpijp.

Een ander type raket wordt aangedreven door een ionenmotor; hierbij worden zware atomen (bv. van het edelgas xenon) geïoniseerd en door middel van een elektrisch veld versneld. De hiervoor benodigde energie kan bijvoorbeeld uit een zonnepaneel, een batterij of kernreactor komen. Het impulsrendement en de maximale te bereiken snelheden zijn bij dit type aandrijving veel hoger, omdat de ionen met een veel grotere snelheid de motor verlaten dan de hete reactiegassen van een verbrandingsmotor. De maximale stuwkracht is echter zeer klein (in de orde van grammen), zodat een dergelijke motor zeer lang aan moet staan om een goed effect te bewerkstelligen. De geringe stuwkracht maakt de motor ongeschikt om op te stijgen van de aarde of zelfs maar wrijving van enig belang te overwinnen; hierdoor werkt dit type alleen in vacuüm.

Tegenwoordige raketwapens zijn veelal zogenaamde geleide wapens. Tevens kan er onderscheid gemaakt worden naar de tactische rol die een geleid wapen heeft:

• Air-to-Air-missile (AAM) oftewel lucht-luchtraket
• Air-to-Ground of Air-to-Surface-missile (ASM) oftewel lucht-grondraket
• Ground-to-Air of Surface-to-Air-missile (SAM) oftewel luchtdoelraket
• Ground-to-Ground-missile of Surface-to-Surface-missile (SSM) oftewel grond-grondraket
• Anti-ship-missle (ASM) oftewel antischeepsraket.

Naar lading kunnen worden onderscheiden:

• kinetisch wapen (geen lading, het gaat om de botsing)
• explosief
• kernwapen
• chemisch of biologisch wapen

Wat techniek betreft werken vrijwel alle raketwapens tegenwoordig op vaste brandstof. Dit is zo omdat ze snel inzetbaar moeten zijn. Eerder werden voor midden-lange afstands raketten en intercontinentale raketten ook hypergolische brandstoffen gebruikt omdat die stabiel en langdurig in de raket konden worden opgeslagen zodat deze langdurig gereed konden staan voor een lancering. De Amerikaanse raketten Titan I, Atlas, en Thor en de Russische R7 die op RP1 en vloeibare zuurstof werkten werden daarom begin jaren 1960 al binnen enkele jaren vervangen door hypergolische raketten. Cryogene zuurstof is niet stabiel op te slaan waardoor het 15 minuten duurde om de raketten vol te tanken. Deze raketten werden daarna (uitgezonderd de Titan I) aangepast voor de ruimtevaart.

De Spaceshuttle maakte bij de start gebruik van twee vastebrandstofopduwraketten gevuld met vaste brandstof of stuwstof. Dit brandstofmengsel bestond uit ammoniumperchloraat (69,9%, oxidant), aluminiumpoeder (16%, brandstof), rood ijzeroxide (0,4%, katalysator), een polymeer (12,04%, PBAN of HTPB) en epoxy (1,96%). Deze "Thiokol" (nu Northrop Grumman Innovation Systems)-raketmotoren zorgden voor 1320 ton stuwdruk per motor op zeeniveau en 83% van de stuwkracht bij het opstijgen en waren vastgehecht aan de enorme centrale cryogene brandstoftank. Zij wogen bij de lancering samen 590 ton en verbruikten in ongeveer 2 minuten 7700 kg stuwstof. De onderdelen van deze motoren worden nu hergebruikt op het Space Launch System.

Een veel gehoorde misvatting is dat een raket zich zou afzetten tegen de atmosfeer en daardoor in beweging zou komen (zoals een auto zich tegen het wegdek afzet). Als dit waar zou zijn dan zou een raket in het vacuüm van de ruimte niet kunnen accelereren. In werkelijkheid kan een raket in het vacuüm veel effectiever accelereren doordat daar geen luchtweerstand is. Een raket maakt gebruik van het principe “actie is reactie”. De beweging is een gevolg van de massa van de uitstoot die met zeer hoge snelheid achterwaarts gedreven wordt waardoor de raket zich in de tegenovergestelde richting beweegt. In principe veroorzaakt de beweging van gassen in de uitlaat van een auto ook voorwaartse druk. Die druk is echter verwaarloosbaar, veel minder dan de frictieweerstand van het voertuig en kan zodoende een auto niet in beweging zetten.

• Sojoez (raket)
• Saturnus V
• Space Launch System
• Ariane 5
• Atlas V
• Falcon 9

Voor een uitgebreider overzicht zie: Lijst van draagraketten.