Onlangs maakte ‘s werelds grootste vliegtuig een proefvlucht. Dit naar de mythische vogel Roc genoemde vliegtuig gaat voor het Amerikaanse Stratolaunch vanaf grote hoogte ruimteschepen lanceren. Roc is hierin niet alleen, eerder dit jaar lanceerde Virgin Orbit een raket met een Boeing 747, terwijl de White Knight van zusterbedrijf Virgin Galactic het Space Ship 2 lanceerde naar de rand van de ruimte. Wat maakt vliegtuigen zo aantrekkelijk voor het lanceren van ruimteschepen?
De Roc is met een lengte van 73 m en een breedte van 117 m ‘s wereld grootste vliegtuig en heeft ook nog eens twee rompen die via een middenvleugel met elkaar verbonden zijn. Hetzelfde geldt voor de White Knight van Virgin Galactic. Beide toestellen zijn speciaal voor hun taak als vliegend lanceerplatform ontwikkeld. De Boeing 747 van Virgin Orbit, die luistert naar de naam Cosmic Girl, is een uitzondering. Hoewel, ook aan de eerste lancering vanaf dit bestaande vliegtuig ging een jarenlange ontwikkelings-, ombouw- en testfase vooraf voordat het vliegtuig in oktober zijn LauncherOne lanceerde.
Objectief gezien overbrugt het vliegtuig alleen de eerste 10-20 kilometer van een honderden kilometers lange vlucht naar een baan om de aarde. Hoe kan zo’n lancering met het extra gewicht van een vliegtuig dat ook nog eens stukken minder aerodynamisch is dan een raket alleen, efficiënter zijn dan een lancering vanaf de aarde?
Voor er antwoord op bovenstaande vraag komt, eerst uitleg over een traditionele lancering vanaf een vaste locatie op het aardoppervlak. “Bij een lancering vanaf de grond zal een raket steeds sneller door de laagste delen van de atmosfeer gaan, waar de dichtheid van de lucht het hoogst is”, zegt Niels Bernving, R&D space systems engineer bij het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum. “Tijdens de lancering staat de raket bloot aan akoestische krachten en weerstanden die toenemen tot het moment van maximale dynamische belasting. Bij een lancering vanaf de grond zijn deze krachten en vibraties het grootst en die moet de constructie van de raket kunnen weerstaan.”
De raket moet met toenemende verticale snelheid niet alleen hoogte winnen, maar ook horizontale snelheid. Een baan om de aarde is immers een horizontale beweging, parallel aan het aardoppervlak. Om die reden kantelt elke raket vrijwel direct na het opstijgen een beetje. “Het grootste deel van de zijwaartse snelheid levert vervolgens de zwaartekracht. Deze trekt aan de gekantelde opstijgende raket en zet zo een deel van de verticale snelheid om in een horizontale beweging”, zegt Bernving. “We noemen dit een gravity turn trajectory.”
Bij een lancering limiteert de breedtegraad van de startlocatie de baan die bereikt kan worden. Een raket die opstijgt vanaf het Amerikaanse Kennedy Space Center in Florida (28,5o noorderbreedte), kan een baan bereiken met een hellingshoek ten opzichte van de evenaar van hooguit 28,5o. Om een kleinere hellingshoek te bereiken (meer richting evenaar), kan de raket een stuurkunstje uithalen, het zogenaamde plane change manoeuvre. Bernving: “Je wil al deze manoeuvres meteen na de start uitvoeren, als de snelheid nog relatief laag is. Hoe groter de snelheidsvector in een bepaalde richting, hoe moeilijker je deze immers ombuigt. De eerste fase van lancering vanaf de grond is daarmee vechten tegen de zwaartekracht en de hoge luchtweerstand. Dat kost heel veel energie.” Ter illustratie: de spaceshuttle verbruikte 25% van zijn brandstof om op 10 kilometer hoogte te komen. De benodigde kinetische energie van de shuttle nam daarbij met maar 0,16% toe.
Voordelen vliegtuig
Een vliegtuig haalt een deel van zijn draagvermogen uit de vormgeving van zijn vleugels die een opwaartse kracht of lift veroorzaken. “Daarnaast halen vliegtuigmotoren hun zuurstof uit de lucht”, zegt Bernving. “Een raket neemt zuurstof mee. Bij een lancering van onder een vliegtuig is er dus minder zuurstof en brandstof nodig. Bovendien starten de raketmotoren pas op 10-20 km hoogte, waar de dichtheid van de atmosfeer lager is dan op het aardoppervlak. De maximale dynamische druk en daarmee de trillingen op de constructie zijn dan veel lager. De raket kan toe met een minder robuuste constructie.”
Het vliegtuig maakt het brandstof slurpende plane change manoeuvre overbodig omdat het naar de breedtegraad kan vliegen die overeenkomt met de hellingshoek van de gewenste baan om de aarde.
Vliegen naar de juiste breedtegraad heeft nog een voordeel. Raketten starten altijd in oostelijke richting, dat is de draairichting van de aarde. De raket krijgt daarmee de horizontale draaisnelheid van de aarde cadeau. Op de evenaar draait de aarde met ongeveer 430 m/s om zijn as. Die snelheid neemt af naarmate de breedtegraad toeneemt en wel met een factor die gelijk staat aan de cosinus van de breedtegraad. Bij het Kennedy Space Center op 28,5o noorderbreedte bedraagt de draaisnelheid nog maar 430 * cos 28,5 = 378 m/s. Door met het vliegtuig richting evenaar te vliegen, wint de raket aan ‘gratis’ snelheid. Daarbovenop krijgt de raket ook de horizontale snelheid van het vliegtuig mee (ruim 200 m/s).
Gewichtsloos probleem
Hoewel lanceren met een vliegtuig dus vele voordelen heeft, zijn er natuurlijk ook nadelen. Zo beperkt het draagvermogen van het vliegtuig het gewicht van de raket en dat heeft weer gevolgen voor de hoeveelheid brandstof die mee kan en de hoogte die de raket kan bereiken. Meestal halen vliegtuiglanceringen een lage aardbaan van 400-800 km.
“Zo’n lancering brengt zijn eigen problemen met de zwaartekracht met zich mee”, zegt Bernving. “Tussen het moment van loslaten door het vliegtuig en het starten van de raketmotor, bevindt de raket zich in vrije val. De vloeibare raketbrandstof heeft in zo’n gewichtsloze toestand de neiging om samen te ballen. Het is dan erg moeilijk de brandstof naar de motor te brengen.” Vaste brandstof heeft dit probleem niet, maar is geen optie want vaste brandstof levert de raket te weinig impuls om de ruimte te bereiken.
Een ander nadeel van het lanceren op hoogte zijn de hoge kosten voor de ontwikkeling van het draagvliegtuig. Het moet kunnen opstijgen en landen vanaf luchthavens en vliegt over grotere delen bewoond gebied dan een raket. Daarom moet het aan alle zeer strenge veiligheidseisen voor de luchtvaart voldoen en bovendien veilig een raket vol brandstof dragen.
Goedkoper
“Ondanks de nadelen en de hoge ontwikkelkosten, is er een business case van te maken”, zegt Bernving. “Zeker in de VS waar meerdere commerciële partijen meedingen in de markt voor lanceringen. Geen ander land brengt zoveel satellieten in de ruimte als de VS.” Van de 5465 nu operationele satellieten lanceerde de VS er 3433.
Veel van de commerciële satellieten zitten tegenwoordig als sardientjes in het blik van de raket. Space X bijvoorbeeld lanceert tegelijkertijd tientallen satellieten voor internet communicatie. “Als in zo’n satellietnetwerk één exemplaar kapot gaat, dan is het heel kostbaar om deze met weer een raket van Space X te vervangen. Een lancering met een vliegtuig is dan zeker goedkoper.”
Er is nog een voordeel voor het vliegtuig dat vooral de interesse van het Amerikaanse leger wekt. Het is sneller en flexibeler inzetbaar dan een raket die vanaf een vaste basis opstijgt. Het leger werkt al jaren met geheimzinnige onbemande mini space shuttles zoals de X40 en zijn opvolger de X-37B. Tot nu toe lanceerde de luchtmacht deze shuttles met een raket, maar onlangs vloog de X-37B mee als passagier onder de White Knight van Virgin Galactic voor een proefvlucht in de atmosfeer.
Stratolauncher zal begin 2023 de Talon-a lanceren, een testvliegtuig voor hypersone vluchten bij mach 5-6. Het bedrijf werkt ook aan een ruimte-variant. Virgin Orbit gaat, na de eerste geslaagde testvlucht eerder dit jaar, zijn Launchers inzetten voor commerciële lanceringen. Deze bedrijven zijn niet de eersten die met een vliegtuig de ruimte bereiken. Sinds 1990 lanceerde het Amerikaanse Northrop Grumman 45 keer een Pegasus raket van onder de Stargazer, een omgebouwde Lockheed Tristar.
Zweven
De toekomst biedt zicht op nog meer air launch to orbit systemen. Zo werkt NASA aan een zweefvliegtuig met dubbele romp. Al zwevend op de thermiek kan zo’n vliegtuig vrijwel zonder brandstof de gewenste lanceerhoogte bereiken. Het Nederlands-Nieuw Zeelandse Dawn Aerospace gaat nog een stap verder. Het ontwikkelt een ruimteschip dat zelfstandig, als vliegtuig, opstijgt en naar de ruimte vliegt. Eerste schaalmodellen maakten testvluchten, terwijl het bedrijf ook zijn raketmotoren testte.
Vliegen naar de ruimte, ooit science fiction, begint langzaam maar zeker zijn fictieve karakter te verliezen. Wie weet wordt op deze manier ooit de ruimte bereikbaar vanaf Nederlandse bodem.
Met dank aan Barry Zandbergen van de faculteit lucht- en ruimtevaartechniek van de TUDelft, die waardevolle informatie leverde voor dit artikel.
