211service.com
Aftellen voor raketvliegtuigen
De zonovergoten stad Mojave, CA, met slechts 3.700 inwoners, heeft een luchthaven die bijna net zoveel oppervlakte in beslag neemt als Los Angeles International. De uitgestrekte, geïsoleerde locatie, aan de bergrand van een uitgestrekte hoge woestijnvlakte, was de thuisbasis van verschillende non-conformistische lucht- en ruimtevaartbedrijven. Voyager, het extreem lichtgewicht vliegtuig dat in 1986 als eerste non-stop rond de wereld vloog zonder bij te tanken, werd hier voortgebracht. Nu, in een bescheiden laag gebouw aan de rand van de luchthaven, wordt de toekomst van ruimtevervoer mogelijk geboren.
Let wel, die toekomst ziet er nog niet zo uit: een klein tweezits vliegtuig dat lijkt op een straaljager met zijn staart afgehakt en stompe winglets geïnstalleerd bij zijn neus. Afgelopen juli bereikte dit lichtgewicht vaartuig, genaamd EZ-Rocket, een nieuwe luchtvaartmijlpaal toen piloot Dick Rutan, die ook Voyager had bestuurd, zijn twee raketmotoren door een cruciale touch and go-manoeuvre liet gaan: opstijgen, de motoren uitschakelen, landen, de motoren weer aanzetten en opstijgen zonder te stoppen. Dit betekende een nieuw hoogtepunt in het geven van vliegtuigachtige flexibiliteit en bestuurbaarheid aan een raketaangedreven vaartuig, een feit dat een grotere betekenis heeft sinds de ramp met de Space Shuttle Columbia nieuwe vragen opriep over de levensvatbaarheid van het bemande ruimteprogramma van de Amerikaanse regering.
Elk van die twee vluchten duurde minder dan 15 minuten en bereikte nooit hoogten hoger dan 3.000 meter. Maar ze toonden aan dat Xcor Aerospace, het bedrijf achter EZ-Rocket, misschien wel de beste kans tot nu toe heeft om de wereld een herbruikbare routine te geven voor het brengen van raketvliegtuigen, luchtvaartachtige operaties in de wereld van raketten en het verlagen van de lanceringskosten tot zo weinig als een tiende van die van de lancering van de spaceshuttle en de huidige vervangbare raketten. Zo'n vaartuig zou binnen enkele jaren goedkope satellietinzet voor onderzoek en communicatie mogelijk kunnen maken en ruimtetoerisme een vliegende start kunnen geven. Over een langer tijdsbestek kan een opvolger van het vaartuig een passagiersvlucht in New York CityTokyo bieden die minder dan drie uur duurt. En omdat het loskomen van de zwaartekracht van de aarde de grootste kostenpost is van elke ruimtemissie, zijn goedkopere lanceringen essentiële voorwaarden voor zulke visionaire ondernemingen als zonnecollectoren in de ruimte die 24 uur per dag energie naar de aarde zouden sturen en de winning van edelmetalen uit asteroïden.
Natuurlijk hebben mensen tientallen jaren geprobeerd om de visie van een herbruikbaar raketvliegtuig te realiseren, met weinig succes. Raketwetenschap is synoniem geworden met geavanceerde technologie, maar feit is dat er sinds het begin van de jaren zestig heel weinig nieuwe ontwikkeling van raketten is geweest, zegt Jeff Greason, president van Xcor Aerospace, een voormalig directeur van Intel. Wat nu anders is, zeggen hij en anderen, is dat zelfs voordat Columbia op 1 februari uit elkaar viel, mensen daadwerkelijk begonnen met het bouwen en testen van nieuwe ontwerpen. Meer dan twee dozijn bedrijven wereldwijd, om nog maar te zwijgen van NASA en andere nationale ruimteagentschappen, zijn actief bezig met het ontwikkelen van raketvliegtuigen. En met het verlies van de Columbia, de dood van zeven astronauten en het vervolgens aan de grond houden van de resterende shuttles, zullen zowel het aantal ontwikkelaars als de urgentie van hun taak waarschijnlijk toenemen. De noodzaak om een manier te vinden om nieuwe technologieën en nieuwe benaderingen van ruimtetransport te krijgen, is waarschijnlijk een stuk duidelijker dan voorheen, zegt Greason.
Veel particuliere spelers worden aangemoedigd door het vooruitzicht om de $ 10 miljoen X-Prize te veroveren. Deze premie, aangeboden door een in St. Louis, MO gebaseerde stichting, gefinancierd door ruimtetoerisme-boosters, zal worden toegekend aan het eerste privaat gefinancierde raketvaartuig dat drie mensen naar de rand van de ruimte brengt (op een hoogte van minstens 100 kilometer), terugkeert ze veilig naar de aarde, en doet het allemaal weer binnen twee weken. Er hebben zich al 24 spelers aangemeld om de poging te wagen.
Maar $ 10 miljoen is een druppel op een gloeiende plaat vergeleken met de echte prijs: ruimtetoerisme. Vorig jaar concludeerde een in opdracht van NASA uitgevoerde peiling dat als er betrouwbare vaartuigen beschikbaar waren, 15.000 rijke sensatiezoekers zich jaarlijks zouden aanmelden voor suborbitale vluchten die elk ongeveer $ 50.000 kosten. Dat vertegenwoordigt een markt van $ 750 miljoen. En hoewel het de huidige belangrijkste ruimtevaartactiviteit van het lanceren van satellieten niet zou evenaren - in 2001 genereerden 39 lanceringen wereldwijd bijna $ 3,3 miljard aan inkomsten - zou dit het begin kunnen zijn van iets veel groters. Ruimtetoerisme heeft het potentieel om uit te groeien tot een belangrijke nieuwe industrie die net zo belangrijk is als de burgerluchtvaart, zegt Patrick Collins, een econoom aan de Azabu University in Fuchinobe, Japan, en een lange tijd voorstander van commercialisering van de ruimte. Op de korte termijn, voegt hij eraan toe, is er geen andere toepassing van de ruimte met een vergelijkbaar potentieel. En of zo'n markt nu wel of niet snel tot stand komt - het is mogelijk dat de huiveringwekkende beelden van het uiteenvallen van Columbia potentiële ruimtetoeristen de komende jaren nerveus zullen maken - de technologie zelf is duidelijk aan het rijpen. Afgelopen november zei het rapport van een presidentiële commissie voor de Amerikaanse lucht- en ruimtevaartindustrie dat herbruikbare draagraketten die op zijn minst de kosten van het in de ruimte brengen van satellieten aanzienlijk zouden kunnen verlagen, dit decennium goed binnen ons bereik liggen.
Geschiedenis van mislukking
Het maken van herbruikbare raketvliegtuigen had de taak van NASA moeten zijn. Maar NASA's inspanning - de X-33, een ambitieus concept voor een herbruikbaar raketvliegtuig dat tegen 2005 technologieën moest demonstreren die uiteindelijk het spaceshuttle-programma zouden kunnen vervangen - werd de grootste witte olifant die ooit door het Amerikaanse ruimteprogramma is geproduceerd. Tussen 1997 en 2001 werd bijna $ 1,3 miljard uitgegeven aan het door waterstof aangedreven vaartuig, en daar is vrijwel niets van te zien. De NASA koos noodlottig voor een plan dat gebruikmaakte van een groot aantal technisch uitdagende (lees: riskante) technologieën, waaronder unieke raketmotoren, brandstoftanks en hitteschilden, en een complex voertuigontwerp. Elk van die technologieën zou hebben moeten werken om het ruimtevaartuig met succes de weg te wijzen om de space shuttle-vloot te ontmantelen - nu meer dan twee decennia oud - voor missies zoals het vervoeren van astronauten naar het internationale ruimtestation en het lanceren van wetenschappelijke ladingen zoals de Hubble Ruimte Telescoop.
Maar één onderdeel, een samengestelde vloeistof-waterstof brandstoftank gebouwd door Lockheed Martin, faalde in tests. In 2001 liep NASA, met het vooruitzicht nog een jaar te wachten op een nieuwe versie, de inspanning opzij en begon aan iets nieuws, zegt Lori Garver, voormalig associate administrator voor beleid en planning van het bureau. Elke keer dat je dat doet, verlies je terrein. Nu, twee jaar na de annulering van de X-33, wordt verwacht dat NASA's nog grotendeels ongedefinieerde nieuwe inspanning niet eerder dan twee decennia zal leiden tot een vervanging van de spaceshuttle. Er zal echter ongetwijfeld post-Columbia onder druk komen te staan om dat tijdschema te versnellen.
Een van de resultaten van het X-33-debacle was een serieuze domper op de particuliere investeringen in het veld. Conventionele wijsheid was van mening dat als NASA geen herbruikbare raket kon bouwen, niemand dat zou kunnen, zegt Collins. Maar de wereld heeft geen raketvliegtuig, niet omdat het moeilijk te bouwen is, zegt hij. Alleen is vrijwel al het raketonderzoek gedaan door een overheidsinstantie met een monopolie. Buzz Aldrin, die in 1969 de tweede man op de maan werd, zegt dat de Verenigde Staten eenvoudigweg geen coherent nationaal programma hebben om betaalbare, herbruikbare lanceertechnologie te ontwikkelen. En hoewel het vreselijke lot van Columbia de focus zou kunnen verscherpen, zegt Aldrin dat we voorlopig hoe dan ook in de problemen zitten.
In deze puinhoop arriveren Xcor Aerospace en zijn concurrenten. Hun visie: een nieuw soort raket bouwen. In tegenstelling tot elke tot nu toe gelanceerde raket, zou dit vaartuig de ruimte in vliegen en intact naar huis terugkeren. (Sommige ontwerpen vragen om een proces in twee fasen waarbij de raket in eerste instantie omhoog komt door bovenop een straaljager te liften.) Zelfs de spaceshuttles, 's werelds eerste en enige herbruikbare ruimtevaartuig, gooien delen van de dubbele booster-raketten en alle enorme externe brandstoftank bij elke lancering.
Het realiseren van deze visie lijkt op papier relatief eenvoudig. Raketmotoren zijn in feite verbrandingskamers met pompen die brandstof en oxidatiemiddel-zuurstof of een zuurstofrijke chemische stof naar binnen brengen waardoor de brandstof zelfs in het vacuüm van de ruimte kan verbranden. Ze hebben geen snelle turbofans en compressoren van een straalmotor nodig, die zuurstof uit de lucht leveren om brandstof te verbranden en ongeveer 80 procent van de grootte, het gewicht en de complexiteit van de motor uitmaken. En als gevolg daarvan kunnen raketten veel hoger vliegen dan straaljagers, die niet hoger kunnen zijn dan 16 kilometer omdat de lucht te dun wordt om vliegtuigbrandstof te verbranden en hun vleugels op te tillen.
Niemand zegt dat starters als Xcor Aerospace in één stap de ruimte kunnen bereiken. Het bereiken van een baan betekent het bereiken van snelheden van 27.800 kilometer per uur, het vervoeren van enorme hoeveelheden brandstof en het weerstaan van extreme belastingen. Het aangaan van deze uitdagingen zal in alle opzichten minstens een decennium in beslag nemen. In de tussentijd kan er echter veel worden geleerd tijdens het fotograferen voor een veel bescheidener doel: het bouwen van een raketaangedreven vaartuig dat de rand van de ruimte kan bereiken - een hoogte van 100 kilometer - zonder daadwerkelijk in een baan om de aarde te gaan. Om die hoogte te bereiken is een snelheid van ongeveer 4.500 kilometer per uur nodig, niet veel sneller dan de topsnelheden van de hedendaagse straaljagers, dus ontwerpers van het vaartuig moeten in staat zijn om de relatief beproefde systemen en technische procedures van de jagers aan te passen aan de nieuwe taak.
Xcor Aerospace president Greason zegt dat het bereiken van het ontwerpdoel binnen de komende jaren mogelijk is. In feite verliet hij ongeveer zes jaar geleden de bloeiende microchipindustrie omdat hij de ruimtevaartindustrie zag als de plaats waar computers in de jaren zeventig waren: een paar bedrijven controleerden een markt voor grote, dure, exclusieve hardware, en ze waren zich niet bewust van de verandering van de zee die op het punt staat te worden veroorzaakt door een paar geobsedeerde drop-outs die in garages werken en gebruik maken van kant-en-klare onderdelen om verbazingwekkende nieuwe personal-computersystemen te produceren. Het lijkt erg op de begindagen van de pc, zegt Peter Diamandis, voorzitter en oprichter van de X-Prize Foundation. Suborbital-voertuigen die duizenden vluchten per jaar kunnen maken, zullen een markt creëren door het perspectief op de ruimte te veranderen: niet alleen voor overheden, maar ook voor het publiek.
Kleine, wendbare competitie
De EZ-Rocket van Xcor Aerospace is net als die vroege pc's: eenvoudig, eenvoudig en vanuit het standpunt van de reguliere ruimtevaartindustrie praktisch microscopisch klein. Zijn dubbele raketmotoren, aangedreven door alcohol en vloeibare zuurstof, produceren afzonderlijk slechts een duizendste van de stuwkracht van elk van de drie hoofdmotoren van de spaceshuttle. Maar in tegenstelling tot hun shuttle-tegenhangers, kunnen de EZ-Rocket-motoren volledig worden gecontroleerd en zelfs worden uitgeschakeld en opnieuw gestart tijdens de vlucht. Toch is de EZ-Rocket slechts een demonstratievoertuig. Het kleine vaartuig is ontworpen om ervaring op te doen voor het bouwen van een suborbitaal ruimtevliegtuig met twee zitplaatsen, Xerus genaamd, dat nu in ontwikkeling is.
Voor de Xerus ontwikkelt Xcor Aerospace een raketmotor met vijf keer het vermogen van EZ-Rocket, een motor die met een groot aantal snelheden op en neer kan worden gesmoord. Een cluster van vier of vijf van dergelijke motoren zou het raketvliegtuig naar een hoogte van 100 kilometer brengen; dan zouden kleinere raketten het vaartuig in staat stellen om stabiliteit te behouden tijdens een uitstapje naar de rand van de ruimte.
Xcor Aerospace streeft naar de tweepersoons Xerus, ook al zal deze niet voldoen aan het driepersoonscriterium van de X-Prize. Prijs of geen prijs, Greason, Rutan en hun handvol collega's zien volop marktprikkels. Greason zegt dat de Xerus een kleine satellietlading van ongeveer 10 kilogram in een lage baan zou kunnen lanceren met behulp van een boosterraket op de satelliet. Dergelijke kleine satellieten worden gebruikt voor universitaire onderzoeksprojecten, die vaak jaren moeten wachten om op een grotere satellietlancering te kunnen meeliften. En de Xerus zelf kan ook worden gebruikt voor onderzoek, zoals het verzamelen van atmosferische gegevens of het uitvoeren van technische experimenten die korte tijdsperioden vereisen in omgevingen zonder zwaartekracht.
Het echte doel is echter het toerisme. Greason zegt dat de Xerus toeristen een joyride van een half uur kan bieden - drie minuten gewichtloosheid en een kans om de kromming van de aarde en de duisternis van de ruimte te zien - en vervolgens op een gewone landingsbaan te landen. Eén Xerus alleen, zegt hij, zou 24 miljoen dollar per jaar aan toeristeninkomsten kunnen verdienen met ontwikkelingskosten van minder dan 10 miljoen dollar. Gevoed door dergelijke visies hoopt Xcor Aerospace binnen drie jaar Xerus te hebben gevlogen en getest en het vaartuig klaar te maken voor productie. We besloten om de kleinst mogelijke stappen te zetten, met zoveel mogelijk inkomsten, legt Greason uit. Als Xerus werkt en toeristische winsten binnenstromen, zegt hij, zouden de ontwikkelaars van het bedrijf beginnen met de ultieme taak om in een baan om de aarde te komen.
Het idee van de kleinste stappen heeft natuurlijk een zekere historische weerklank als het gaat om ruimtetechnologie. Maar terwijl Xcor Aerospace zich richt op de incrementele benadering, streven verschillende concurrerende bedrijven al naar de grootse visie: een vaartuig dat helemaal in een baan om de aarde kan gaan. Een speler is Pioneer Rocketplane in Solvang, CA. Het bedrijf heeft een raket-en-jet-hybride ontworpen, Pathfinder genaamd, die zal opstijgen met traditionele straalmotoren. Eenmaal op een kruishoogte van ongeveer 5.500 meter, zal een vliegtuig van een brandstoftanker de Pathfinder ontmoeten en vloeibare zuurstof in een lege tank aan boord van het vaartuig pompen. Vervolgens zal de Pathfinder, voortgestuwd door een combinatie van vloeibare zuurstof en kerosine, zijn raketmotor aansteken en naar een hoogte van 139 kilometer vliegen, waar hij een onbemande bovenste trap zal loslaten om een lading van 2.280 kilogram in een baan om de aarde te brengen.
Net als Xcor Aerospace begint Pioneer met een kleinere versie - de Rocketplane XP - die zal strijden om de X-Prize. Hoewel noch de XP, noch de Pathfinder zelfs maar het prototypestadium hebben bereikt, wordt Pioneer Rocketplane als een serieuze speler beschouwd. De CEO, Mitchell Burnside Clapp, was verantwoordelijk voor een luchtmachtontwerp van een vliegtuigachtige herbruikbare raket die later uitgroeide tot het Pathfinder-concept. Vanwege dat ontwerp is Pioneer Rocketplane een toonaangevende concurrent voor een Defense Advanced Research Projects Agency-project om een goedkope raketaangedreven satellietdraagraket te ontwikkelen. (Het bureau zal naar verwachting op 1 maart de gunning van twee definitieve ontwerpcontracten aankondigen.)
De meeste herbruikbare raketspelers denken in termen van het vervoeren van mensen, zowel piloten als toeristen. Maar het Duitse Astrium laat uitdrukkelijk menselijke lading achterwege. In plaats daarvan ontwikkelt het een autonoom raketvaartuig genaamd Hopper, ontworpen om goedkope satellietlanceringen te bieden. De eerste stap in deze richting is de Phoenix, een één-zesde-schaalversie van de Hopper.
De Phoenix is vooral een testbed voor autonome landingstechnologie. De ontwerpers van het vaartuig integreren op laser gebaseerde hoogtemeters, hoogtesensoren en digitale apparatuur van het Global Positioning System, samen met intelligente navigatie-algoritmen die het vaartuig in staat stellen een glijdende landingsbaan te maken zonder hulp van mensen of apparatuur op de grond. De eerste test van het voertuig, dat in aanbouw is, wordt volgend jaar verwacht: een helikopter zal de Phoenix van een hoogte van zo'n 1.400 meter laten vallen en zelfstandig laten landen. Astrium schat dat de Hopper op ware grootte in 15 tot 20 jaar satellieten zou kunnen lanceren, tegen de helft van de lanceringskosten van vandaag.
En NASA zit niet aan de zijlijn. Hoewel de exacte vorm van een vervolgprogramma voor de noodlottige X-33 nog steeds wordt uitgewerkt door beheerder Sean O'Keefe, die eind 2001 het roer overnam, was NASA begonnen langetermijnplannen te maken voor een groter, ambitieuzer vaartuig vóór de ramp in Columbia. Het Orbital Space Plane is op dit moment slechts een blanco vel papier, maar het idee is dat het in 2012 klaar zou zijn om bemanning en kleine hoeveelheden vracht naar het internationale ruimtestation te brengen.
Als het in 2012 of eerder vliegt, zou het Orbital Space Plane in een baan boven een conventionele, vervangbare raket komen. Maar NASA hoopt die raket uiteindelijk te vervangen door een herbruikbaar systeem. Om dit te doen, vereenvoudigen en stroomlijnen onderzoekers van NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, AL, het ontwerp van raketmotoren en integreren ze ingebouwde diagnostische systemen om problemen zoals scheuren, lekken en vastzittende kleppen te detecteren. Dergelijke systemen zouden enorme besparingen opleveren in vergelijking met de spaceshuttles, waarvan de motoren na elke missie worden gedemonteerd en geïnspecteerd door honderden ingenieurs. Het doel is om de betrouwbaarheid van raketmotoren in dezelfde categorie te brengen als de straalmotoren van vandaag, zegt Garry Lyles, die verantwoordelijk is voor voortstuwingssystemen voor NASA's programma om technologie te ontwikkelen voor toekomstige lanceervoertuigen. Op dit moment vragen NASA's plannen hoe dan ook om een volledig herbruikbare vervanging van de space shuttle tegen 2025.
Privé push
Ondanks zijn slechte staat van dienst met raketvliegtuigen, blijft NASA een serieuze concurrent op de lange termijn. Maar het ietwat rustige tijdschema van het bureau heeft het veld wijd opengelaten voor de particuliere sector. En de opwinding over het potentieel voor kleine bedrijven om daadwerkelijk een herbruikbaar raketvaartuig te produceren, groeit. Een overwinning op de X-Prize door een van deze bedrijven zou scepsis wegnemen en ook investeringen een boost geven. Het is een psychologische stap, zegt Rand Simberg, een lucht- en ruimtevaartingenieur en adviseur. De kleine bedrijven gaan terug en doen het zoals het in de eerste plaats had moeten gebeuren.
Inderdaad, vooruitlopend op het vermogen van kleine bedrijven om nieuwe wegen in te slaan, boekt een bedrijf toeristische vluchten op raketvliegtuigen die vandaag alleen op papier bestaan. Space Adventures, uit Arlington, VA, stuurt al toeristen op vliegtuigvluchten zonder zwaartekracht in Rusland, en het regelde Russische ruimtevluchten - elk met een prijskaartje van $ 20 miljoen - naar het internationale ruimtestation voor de Amerikaanse zakenman Dennis Tito in 2001 en Zuid-Afrikaanse Internetmagnaat Mark Shuttleworth vorig jaar. Nu zet het bedrijf in op Xcor: het heeft contracten gesloten voor 600 Xerus-toeristenvluchten en het heeft zelfs contante stortingen gedaan van meer dan 100 klanten.
We zijn onder de indruk van het team van mensen van Xcor en hun vermogen om echte vliegende hardware te produceren en demonstraties uit te voeren met een laag budget, zegt Eric Anderson, president van Space Adventures. En hoewel Anderson aanvankelijk vreesde dat de angstaanjagende ondergang van Columbia sommige van zijn klanten ertoe zou brengen om twee keer na te denken over ruimtereizen, had niemand in de eerste paar dagen nadat de shuttle was verloren om restitutie gevraagd - een feit dat volgens hem een sterke menselijke toewijding aan ruimtevluchten aantoont . In plaats van mensen af te schrikken, voegt hij eraan toe, zal wat er met Columbia is gebeurd als een wake-up call dienen. Over tien jaar zullen mensen zich veiliger voelen, zullen ze veiliger in een baan om de aarde gaan als gevolg van verbeteringen die onvermijdelijk zullen voortvloeien uit het onderzoek van het ongeval.
Space Adventure's steun van Xcor en andere raketbedrijven zorgt voor een synergie die cruciaal kan zijn voor het realiseren van de decennia-oude visies van herbruikbare raketten, zegt Bruce Lusignan, hoogleraar elektrotechniek aan de Stanford University en directeur van het Center for International Cooperation in Space, een wereldwijd consortium van universiteiten. Hij zegt dat inkomsten uit ruimtegerelateerd toerisme kunnen worden gebruikt om een nieuwe generatie toeristisch georiënteerde draagraketten te financieren, en dat zou de kern kunnen zijn bij het opbouwen van de capaciteit. Dat is misschien de juiste weg. En dat betekent dat de EZ-Rocket - dat onopvallende testvoertuig op het uitgestrekte Mojave Airport - misschien wel de eerste pc van een nieuw ruimtetijdperk wordt.