Vulcan (raket)

De Vulcan is een toekomstige tweetrapsraket van United Launch Alliance (ULA) die vanaf 2021 zowel de Atlas V als de Delta IV moet gaan vervangen. De Vulcan combineert technieken van beide voorgangers met nieuwe technieken. De Vulcan is ook de eerste door ULA zelf ontwikkelde raket sinds de oprichting van dat bedrijf, door de fusie van de raketbouw-en-lanceerafdelingen van Boeing en Lockheed Martin in 2006. De Vulcan moet zowel satellieten als al dan niet bemande ruimteschepen waaronder de Boeing Starliner en de SNC Dream Chaser in de ruimte brengen. De Vulcan wordt gebouwd in Decatur te Alabama

Een artistieke voorstelling van het ontwerp van de Vulcan 561. Deze voorstelling dateert van vóór de plannen van de Centaur V en toont nog de smallere Centaur III' als tweede trap.

Geschiedenis

Sinds 2011 was ULA al bezig met het ontwikkelen van een goedkopere raket daar de concurrentie van ILS, SpaceX en Arianespace erg sterk bleek te worden. Met name SpaceX dat voor veel lagere prijzen lanceert en bovendien certificatie door ULA's belangrijkste opdrachtgever, het Pentagon, waar ULA sinds haar oprichting in 2006 een monopolie op had, leek te gaan verkrijgen (SpaceX Falcon 9 is in 2015 daadwerkelijke gecertificeerd) vormt een bedreiging.

Door de Krimcrisis in 2014 wilde Amerika voor (militaire) ruimtevaarttechnologie niet langer afhankelijk van buitenlandse (Russische) leveranties en technieken.[1] Aangezien ULA's meest geboekte raket, de Atlas V de Russische RD-180 als hoofdmotor gebruikt en de (wel volledig Amerikaanse) Delta IV twee maal zo duur is om te bouwen en lanceren, was een versnelde ontwikkeling van een nieuwe raket nodig. Een kale Vulcan-lancering (zonder SRM's) zou de helft van een Atlas V-lancering ($186.000.000 in 2015) moeten gaan kosten en ULA daarmee beter concurrerend moeten maken.

In het najaar van 2015 probeerde Aerojet Rocketdyne middels een bod een groot belang aan ULA aandelen van aandeelhouders Boeing of Lockheed Martin over te nemen in de hoop zo invloed te krijgen op keuzes van haar belangrijkste klant voor de levering van toekomstige motoren. Nog voor er een deal rond kon komen kondigde ULA aan bestellingen voor de BE-4-hoofdmotoren bij Blue Origin te hebben gedaan en voor de GEM 63XL SRM’s bij Orbital ATK in plaats van de soortgelijke AJ-60A van Aerojet-Rocketdyne. Hiermee werd de rol van Aerojet-Rocketdyne in de Vulcan voorlopig gereduceerd tot het leveren van de RL10 die de Centaur-upperstage voortstuwt. Het overnamebod van twee miljard dollar werd afgewezen.

Begin 2017 kwamen de eerste volledige BE-4-motoren gereed. In april 2017 gaf Tory Bruno aan dat als de tests die met deze motor worden uitgevoerd een stabiele stuwkracht volgens de verwachtingen uitwijzen, de BE-4 binnen 60 tot 90 dagen formeel geselecteerd wordt.[2]

Op 27 september 2018 werd de BE-4 definitief geselecteerd als hoofdmotor van de Vulcan.

Op 10 oktober 2018 kreeg ULA een USAF-subsidie van 967 miljoen dollar toegewezen als onderdeel van de Launch Services Agreements-contracten voor de uitontwikkeling van de Vulcan-Centaur. Ook Blue Origin en Northrop Grumman kregen subsidies voor de uitontwikkeling van hun EELV-vervangingsraketten. Het bedrag wordt, verspreid over verschillende ontwikkelingsfases, uitbetaald zolang aan de afspraken over de ontwikkeling wordt voldaan.

Inmiddels is de verwachte datum voor de eerste vlucht verschoven van 2019 naar 2021. De bouw van de eerste Vulcan is in maart 2019 begonnen. In mei 2019 werd het definitieve ontwerp voor de Vulcan-Centaur goedgekeurd.[3] Op 31 juli 2019 meldde Tory Bruno op Twitter dat de eerste trap van de eerste Vulcan gereed was voor een constructietest. Dat houdt in dat deze in een testinstallatie wordt geplaatst waarin hij aan de krachten wordt blootgesteld die vergelijkbaar zijn met de krachten die vrijkomen tijdens een lancering (o.a. versnelling, tegendruk van de atmosfeer, het schudden in meerdere richtingen). Die testinstallatie is door Dynetics naast ULA’s rakettenfabriek in Decatur gebouwd.

Naamgeving

Het Next Generation Launch System vaak afgekort als NGLS was de werknaam die tot 2015 werd gebruikt. In het voorjaar van 2015 gaf ULA CEO Tory Bruno via social-media een aantal naam-suggesties voor de nieuwe raket. Op de website van ULA kon daarop gestemd worden. Star Trek-fans suggereerden echter massaal de naam Vulcan ter ere van de kort daarvoor overleden acteur Leonard Nimoy die de rol van de Vulcan Spock in Star Trek had gespeeld. Nadat deze naam aan de onlinestemming was toegevoegd bleek Vulcan favoriet te zijn en werd deze naam in april gepresenteerd. Andere geopperde namen waren Zeus, GalaxyOne, Eagle en Freedom. Voor het gebruiken van de naam Vulcan had ULA wel toestemming nodig van Paul Allens bedrijf Vulcan Inc., dat ook ruimtevaartactiviteiten heeft. Het is niet de eerste keer dat een stuk ruimtevaarthardware een Star Trek gerelateerde naam kreeg. In 1976 kreeg een prototype van de Spaceshuttle de naam Enterprise.

Boekingen

In 2019 werden de eerste vluchten van de Vulcan geboekt. Opvallend is dat het om commerciële klanten gaat. ULA was al een tijd nauwelijks meer voor commerciële vrachten geboekt. Daarmee lijkt de Vulcan daadwerkelijk de concurrentie met SpaceX, de Arianespace en Blue Origin aan te gaan. ULA wekt vertrouwen het verhaal dat bij de introductievlucht zo’n 95 procent van de hardware een variant is op onderdelen die al op een Atlas- of Delta-raket hebben gevlogen en dat er nog nooit een ULA-lancering is mislukt “Alleen de hoofdmotoren zijn nieuw maar die zullen door en door getest zijn” Aldus Tory Bruno.[4]

  • Op 14 augustus 2019 werd bekendgemaakt dat Sierra Nevada Corporation zes vluchten per Vulcan-Centaur heeft geboekt om zes Commercial Resupply Services-vluchten met de Dream Chaser te lanceren. De Dream Chaser zal met een Vulcan-Centaur 542 configuratie (met vier GEM-63XL’s en een tweemotorige Centaur) worden gelanceerd. De Atlas V die voor de testvluchten van de Dream Chaser wordt gebruikt is er als back-up-plan. De SNC-CRS-1 zal naar verwachting de tweede vlucht van de Vulcan zijn.[5]
  • Astrobotic maakte op 19 augustus 2019 bekend de Vulcan-Centaur voor de eerste vlucht van hun CLPS bevoorradings-maanlander Peregrine te hebben geselecteerd.[6]

Ontwerp en ontwikkeling

Aanvankelijk werd de eerste vlucht in 2019 verwacht. Begin 2018 werd dat halverwege 2020 en anno mei 2019 ligt ULA op schema voor een eerste vlucht in 2021.

Voor de Vulcan werden in eerste instantie extern twee verschillende hoofdmotoren ontwikkeld. Blue Origin ontwikkelde de BE-4 die methaan als brandstof gebruikt en waarvan er twee worden gebruikt, en Aerojet Rocketdyne ontwikkelde de AR1 die RP1-kerosine gebruikt[7][8] en ook als tweetal zou worden ingezet. De BE-4 waarvan de ontwikkeling in 2011 al begon heeft die strijd gewonnen, ULA had eerder al z'n voorkeur voor de BE-4 uitgesproken. De ontwikkeling van de AR-1, die later begon, wordt echter wel volledig gefinancierd en afgerond als plan B en eventueel gebruikt voor een andere latere versie. Het staat Aerojet Rocketdyne overigens vrij om de motor aan andere Amerikaanse raketfabrikanten te leveren en Aerojet Rocketdyne heeft inmiddels een samenwerking met Firefly Aerospace aangekondigd waarbij het gebruik van de AR-1 als hoofdmotor van de Beta-raket expliciet werd genoemd. [9] De BE-4 wordt in de toekomst ook op Blue Origins eigen orbitale raket - de New Glenn - gebruikt. De brandstoftanks van eerste trap Vulcan zijn gebaseerd op die van de Delta IV. Verschil is wel dat de steunbalken aan de binnenkant in een ortogridpatroon (rechthoeken) in plaats van een isogrid (driehoeken) zijn aangebracht.

Voor de tweede trap zal in eerste instantie van de Centaur gebruik worden gemaakt. In 2018 werd gemeld dat de Centaur op een aantal punten aangepast en gemoderniseerd zijn ten opzichte van de Centaur III die momenteel op de Atlas V wordt gebruikt. Behalve een één- of tweemotorige Centaur zal er ook een viermotorige uitvoering komen. Deze Centaurs zullen de Centaur V heten. De Centaur V's zullen dezelfde diameter als de eerste trap en de neuskegel van de Vulcan hebben. De viermotorige Centaur V+ zal langer zijn en alvast het formaat van de ACES-trap hebben die na enkele jaren de Centaur V vervangt.

De eerste trap kan nog aangevuld worden met een aantal van maximaal zes vastebrandstof-raketten (Solid Rocket Motors alias SRM’s) van het type GEM 63XL die door Northrop Grumman Innovation Systems worden ontwikkeld en gefabriceerd. Wanneer deze worden toegevoegd zal dat in eventallen zijn.[10] In voorbereiding op de invoering van de Vulcan heeft ULA al besloten de Aerojet Rocketdyne AJ60 SRM’s van Atlas V vanaf 2018 te vervangen door GEM 63. Ook de SRM’s van ULA’s Delta-raketten zijn GEM-varianten. ULA heeft Lanceercomplex SLC-41 op de Cape Canaveral Air Force Station en SLC-3E op Vandenberg Air Force Base geselecteerd als lanceerplaats. De maatvoering van de 67 meter lange Vulcan zal qua lengte gelijk worden aan die van de Atlas V zodat de aanpassing aan de lanceerplaats zich beperken tot de brandstofopslag en laad-technieken terwijl de hangaars en de "crew acces tower" voor de Boeing Starliner nauwelijks aangepast hoeven te worden. Wel hebben de brandstoftanks van de eerste trap van de Vulcan de diameter van de Delta IV, dikker dan de Atlas V.[11][12] De logica hierachter is dat de Vulcan net als de Delta IV een vloeibaar gas als brandstof gebruikt (de Vulcan gebruikt methaan en de Delta IV waterstof). De brandstoftanks van de eerste trap zijn daarom afgeleid van de Delta IV. Ze hebben echter niet het isolatieschuim van de Delta IV nodig. Wel wordt er voor Cape Canaveral’s lanceerplatform SLC-41 de Vulcan een ander mobiel lanceerplatform gebouwd omdat de raket met deze diameter niet op het Atlas V-platform past. Had ULA voor de op RP-1 (raketkerosine) werkende AR-1-motoren gekozen dan zou de diameter gelijk zijn geweest aan die van de Atlas V. Op SLC-41 zullen de Atlas V en de Vulcan enige tijd beiden worden gelanceerd. Op platform SLC-3E van Vandenberg Air Force Base is dat niet mogelijk omdat daar met een vast lanceerplatform wordt gewerkt. Daarom zal er daar een “harde” overschakeling van lanceersysteem zijn.

De neuskegel wordt vervaardigd door Ruag Space, een Zwitsers bedrijf dat gespecialiseerd is in het maken van neuskegels en ook de neuskegels van Ariane-raketten levert. Ruag heeft op verzoek van ULA een eigen productielijn in ULA’s rakettenfabriek in Decatur opgezet. Ruag is vrij om daar ook voor andere partijen neuskegels te produceren. Eerdere plannen om de ontwerpen van de 4 en 5 meter neuskegels van de Atlas V te hergebruiken voor de Vulcan werden geschrapt toen werd besloten de grotere tweede trap Centaur V waarop die neuskegels niet passen te ontwikkelen.

Geplande doorontwikkeling

Het is de bedoeling dat de Vulcan zich na introductie doorontwikkelt. ULA CEO Tory Bruno had het bij de perspresentatie van de Vulcan in april 2015 over een "evolving rocket" naar voorbeeld van de Sojoez-raket die sinds de introductie in de jaren 1960 constant in kleine stapjes werd gemoderniseerd en zodoende relevant bleef.[13]

Herbruikbare hoofdmotoren

Een van de wijzigingen is dat de hoofdmotoren, die veruit het duurste onderdeel van de Vulcan zijn, herbruikbaar worden. ULA wil dat midden harsen 2020 implementeren wanneer de Vulcan regelmatig vliegt. Anders dan bij de SpaceX Falcon 9, die zijn gehele eerste trap rechtstandig laat landen, zal de eerste trap van de Vulcan het onderste gedeelte met de motoren na gebruik afstoten. Dit deel valt, los van de grote brandstoftanks, terug naar de aarde. Een door NASA ontwikkeld opblaasbaar hitteschild moet voor eerste afremming en bescherming tegen extreme hitte zorgen. Daar waar de luchtdichtheid voldoende is zullen parachutes worden gebruikt om verder af te remmen. Een helikopter zal dan een mid-air capture oftewel het met een haak vangen van een aan een parachute hangende lading, uitvoeren. De hoofdmotoren kunnen dan, na een opknapbeurt, klaar voor hergebruik, in een nieuwe raket geplaatst worden.[14] Voordeel van deze methode is volgens Tory Bruno dat uiteindelijk na elke vlucht de motoren geborgen kunnen worden, terwijl dat bij volledige boosterlandingen bij hooguit twee-derde van de lanceringen mogelijk is terwijl de kracht en brandstof van de booster maximaal gebruikt worden. Ook worden de motoren door het hitteschild aan minder destructieve reentry-hitte blootgesteld dan bij concurrent SpaceX.

ACES

Een nieuw te ontwikkelen zeer geavanceerde tweede trap genaamd Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES), zal op den duur de Centaur moeten vervangen en de capaciteit van de Vulcan met dertig procent moeten doen toenemen.[15] ACES zal met driemaal de hoeveelheid brandstof van ULA’s huidige upperstages gevuld worden. Daarnaast zal ACES ook een serie nieuwe mogelijkheden bieden. Zo kan Vulcan/ACES gebruikt worden om een zware satelliet in een lage aardbaan te brengen. Daarna kan een tweede Vulcan/ACES-combinatie naar de eerste vliegen met extra brandstof en de eerste ACES bijtanken voor een vervolg van de ruimtereis.[16] Ook kan een ACES maanden achtereen actief blijven terwijl andere upperstages slechts enkele uren werkend in de ruimte kunnen overleven.[17] Brandstofrestanten kunnen ook worden overgeladen in andere ACES-modules die bijvoorbeeld een ruimtestation op koers en snelheid houden en ACES-modules kunnen in de ruimte achter elkaar gekoppeld worden voor een extra lange boost naar cislunar-banen of deep space-missies. Afkokende waterstof- en zuurstof-gassen worden in een interne generator in elektriciteit omgezet waardoor de accu’s geladen blijven. Deze 60-kilowattgeneratoren kunnen ook een ruimtestation, ruimtesonde of satelliet van stroom voorzien. De uitstoot van de generator kan vervolgens weer als drijfgas terug in de brandstoftanks worden gepompt waardoor er geen helium nodig is. Ook kunnen de afgekookte gassen voor de besturingsstuwers gebruikt worden waardoor er geen hydrazine-of-stikstof-stuwers nodig zijn. ULA had drie verschillende hoofdmotoren op het oog voor ACES, de Blue Origin BE-3U, de Aerojet Rocketdyne RL-10 en de XCOR 8H21. Die laatste viel af toen XCOR in 2017 failliet ging. In 2018 werd duidelijk dat ook de BE-3U is afgevallen.[18] Er komt een tweemotorige en een viermotorige uitvoering met RL10-motoren.

Triple-core Vulcan Heavy

Daarnaast was er een plan voor een Vulcan Heavy, die twee extra eerste trappen als side-boosters gebruikt (net als de Delta IV Heavy en de Falcon Heavy) hoewel de daadwerkelijke ontwikkeling daarvan niet overbodig leek. De mogelijkheid ACES bij te tanken in de ruimte zou een "triple core" versie overbodig maken. En met zes toegevoegde GEM-63XL SRM’s en een viermotorige tweede trap zou de Vulcan meer kracht en vrachtcapaciteit hebben dan de Delta IV Heavy. Die laatste configuratie (Vulcan 564) wordt sinds de viermotorige Centaur V werd aangekondigd dus ook Vulcan Heavy genoemd. Deze Vulcan Heavy kan met een extra lange neuskegel worden uitgerust zodat er niet alleen zwaardere maar ook grotere vrachten mee kunnen.

Andere formaten

In 2015 werd er gesproken over Vulcan met dezelfde afmetingen als de Delta IV. Deze zou dan mogelijk ook andere hoofdmotoren krijgen. Als deze uitvoering er komt dan zou de AR-1 mogelijk daarvoor geselecteerd worden. In de jaren na 2015 is over dit plan niets meer meegedeeld.

Zie ook
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.