Icon up Overzicht

Landen van een raket

Onderwerp: Aerodynamica, Arbeid en energie

Hoe laat je een raket die je net hebt afgevuurd weer veilig landen? Dat lijkt misschien een gekke vraag, maar is een erg belangrijke vraag voor het Amerikaanse bedrijf SpaceX. Dit is een bedrijf van Elon Musk, een ondernemer die onder meer bekend is van het merk Tesla dat elektrische auto’s maakt. Met behulp van een op afstand bestuurbaar platform in zee, liet SpaceX al drie keer hun raket netjes terugkeren op aarde. In dit artikel leggen we uit waarom het laten landen van een raket belangrijk is en wat daarbij komt kijken.

 

Figuur 1: Het onderste deel van de Falcon 9 keert terug op Aarde

Raket lancering


Grote raketlanceringen zijn meestal bedoeld om satellieten in een baan om de aarde te brengen, of om goederen en astronauten naar het International Space Station te brengen. Om aan de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen en een satelliet in de ruimte te brengen heb je erg veel energie nodig. Met andere woorden: erg veel brandstof, en die brandstof moet je ergens kwijt kunnen. Daarom is de raket Falcon 9 van SpaceX erg groot. De Falcon 9 heeft een hoogte van 70 meter en een diameter van 3.7 meter. Het lanceren van de Falcon 9 kost wel liefst 62 miljoen dollar.

Een aanzienlijk deel van de kosten van een raketlancering wordt veroorzaakt doordat je na elke lancering een nieuwe raket moet bouwen. Als de raket gelanceerd is en weer terugkeert naar de aarde, heeft de raket een grote snelheid. Wanneer een raket met zo’n grote snelheid door de atmosfeer van de aarde beweegt, ontstaat er grote hitte, waardoor de raket bijna volledig opbrandt.

Dit artikel is geschreven door studenten die deelnemen in de ASML Technology Scholarship. Dit is een studiebeurs voor masterstudenten in de techniek. Via natuurkunde.nl proberen we ons enthousiasme voor de techniek over te brengen op middelbare scholieren.

De studenten die namens ASML de artikelen schrijven voor natuurkunde.nl zijn Ole Pfeifle, Anne-Mieke Reijne, Bas van 't Hooft, Tim Hermans, Jort Jacobs en Sjoerd Loenen.

 

Meer-traps raket


Een grote raket zoals de Falcon 9 bestaat uit meerdere secties en trappen (Figuur 2). De reden voor het gebruiken van een meer-traps raket kun je afleiden met behulp van de volgende formule voor de versnelling van de raket:

 

De formule hierboven laat zien dat de versnelling  van de raket het resultaat is van de kracht  die de raket levert gedeeld door de massa  van de raket. Om een satelliet in een baan om de aarde te brengen is een grote versnelling nodig, oftewel een grote kracht. Deze kracht wordt geleverd door het verbranden van een mix van kerosine en vloeibare zuurstof. Deze brandstof weegt veel meer dan de satelliet zelf en wordt in de raket opgeslagen. Je kunt je dus voorstellen, dat een groot deel van de raket alleen maar brandstof bevat.   

 

Figuur 2: Meer-traps raket

Zodra alle brandstof die in Trap 1 was opgeslagen is opgebruikt, is dit deel van de raket nu helemaal leeg.  Met andere worden, dit deel van de raket wordt niet meer gebruikt, en is dus loze massa. Om het totale gewicht van de raket te verlagen wordt Trap 1 afgeworpen, zodra het klaar is met vuren. Zodra de eerste trap van de raket is afgeworpen, begint Sectie 2 van de raket met vuren, daarna de  derde, enzovoort. Dit wordt ook wel een meer-traps raket in serie genoemd. Het afwerpen van de lege van de raket maakt de lancering een stuk efficiënter.

Een andere variant is de parallelle meer-traps raket. Deze raket heeft bestaat uit een hoofddeel en heeft een of meerdere hulpraketten, die ook wel boosters worden genoemd. De boosters en de raket zelf beginnen meestal tegelijkertijd met branden. Zodra de boosters leeg zijn, worden ze afgeworpen om de massa van de raket te verlagen. In Figuur 3 kun je zien hoe de boosters van de raket die gebruikt is om Amerikaanse Space Shuttle te lanceren, worden afgeworpen

  

 

Figuur 3: Links: De Space Shuttle wordt gelanceerd. Rechts: De boosters worden afgeworpen.
 

Op heel andere schaal kun je zelf ook raktjes maken, gelanceerd met behulp van  luchtdruk. De mechanica die hierbij komt kijken is voor elke raket hetzelfde, lees daar meer over in het artikel Analyseren van een raketvlucht

 

 

Recyclen van een raket


Zodra de eerste trap van een raket is afgeworpen, valt deze trap door de zwaartekracht weer terug naar de Aarde en brandt op in de atmosfeer. Zoals we hierboven al hebben gezien, is dat een dure aangelegenheid! Zou het dus niet mooi zijn als we dit deel van de raket zouden kunnen hergebruiken?

Dat is dus precies waar SpaceX mee bezig is. Er komt een hoop kijken bij zo’n landing. Om de trap van de raket veilig te laten landen gebruikt het bedrijf een platform op zee (Figuur 4) dat van afstand bestuurbaar is. Met computers wordt uitgerekend hoe de raket precies gestuurd moet worden om uit te komen op de locatie van het platform. Als er een landing fout zou gaan, is er met een platform op zee alleen maar materiële schade.

 

Figuur 4: Landingsplatform van SpaceX

Om de landing voor elkaar te krijgen, wordt er een kleine hoeveelheid brandstof in de eerste trap bewaard. Zodra de eerste trap gescheiden is van de tweede trap, verbrandt de eerste trap nog wat brandstof aan de zijkant van de raket. Met behulp van deze kracht wordt een moment gegenereerd waardoor de raket wordt omgedraaid, om met de goede kant naar beneden te kunnen landen.

 

 

 Figuur 5: Na afwerping wordt de eerste trap wordt omgedraaid
 

 

De kracht  aan de zijkant wordt geleverd door kleine verbrandingsmotoren, in het Engels ook wel ‘thrusters’ genoemd. Door de arm  met het massamiddelpunt wordt er een moment  gecreëerd die de raket laat draaien:

 

Vervolgens blijft de eerste trap op een laag pitje brandstof verbranden om de richting van de raket te corrigeren. Zodra de raket in de buurt van de aarde komt, vuurt de raket opnieuw om flink af te remmen. Hiermee wordt voorkomen dat de trap opbrandt in de atmosfeer. Ook worden er nu kleine vleugels uitgevouwen waarmee de raket beter georiënteerd wordt voor de landing, zie figuur 6.

  

 

Figuur 6: Vleugels van de Falcon 9 
 

 

  

Figuur 7: De eerste trap is geland op het platform
 

Zodra de raket in de buurt van het platform op zee is, vouwt het een landingsgestel uit. Met deze vier poten kan de raket landen en stabiel blijven staan (Figuur 7).

 

Landing op video

Hieronder zie je een video waarin je een succesvolle landing van de Falcon 9 kan zien

 

  

 

 

Conclusie


In dit artikel heb je kunnen lezen dat je veel brandstof nodig hebt om een satelliet naar de ruimte te brengen. Voor zo’n raketlancering heb je dus een erg grote en zware raket nodig, wat veel geld kost. De raketten die gebruikt worden om satellieten te lanceren zijn vaak verdeeld in verschillende trappen en secties. Voor een efficiënte lancering is het slim om de verschillende trappen van een raket af te werpen zodra ze leeg zijn. Om deze trappen te kunnen hergebruiken heeft SpaceX een manier bedacht om ze veilig op aarde te laten terugkeren. Al is het sturen van zo’n raket terug naar de Aarde erg lastig, is ze dit al drie keer gelukt! Het is te hopen dat hierdoor in de toekomst raketlanceringen goedkoper kunnen worden gemaakt en de ruimte een toegankelijkere bestemming zal worden.