211service.com
De volgende grote sprong van de luchtvaart
Ondanks zijn uitstraling als een hypermoderne industrie, stagneert de lucht- en ruimtevaart al tientallen jaren. Dezelfde soorten straalvliegtuigen die in de jaren zestig in gebruik werden genomen, heersen nog steeds in commerciële en militaire vluchten. In de Verenigde Staten is er geen significant nieuw programma voor raketmotoren geweest sinds de ontwikkeling van de hoofdmotor van de spaceshuttle 20 jaar geleden. Niets aan de Boeing 777 zou de vliegtuigontwerpers uit het Eisenhower-tijdperk in verwarring brengen.
Tegenwoordig zou de beschikbaarheid van betrouwbare, herbruikbare raketmotoren echter de volgende grote stap in het ruimtevaarttransport mogelijk kunnen maken: het raketvliegtuig. Raketvliegtuigen combineren raketaandrijving met luchtvaart, waardoor vliegtuigen die opstijgen en landen vanaf conventionele luchthavens omhoog en uit de atmosfeer kunnen vliegen. Raketvliegtuigen verlagen de kosten van het lanceren van satellieten, versnellen de levering van pakketten en bieden mensen uiteindelijk een manier om binnen een uur of zo van de ene kant van de wereld naar de andere te vliegen. Hoe vergezocht deze visie ook lijkt, de technologie is nabij.
Het idee van een raketvliegtuig is niet nieuw. Het eerste dergelijke vliegtuig, de Duitse Heinkel He-176, vloog in 1939. Het was in de raketaangedreven X-1 dat Chuck Yeager voor het eerst door de geluidsbarrière brak, 50 jaar geleden afgelopen oktober. In de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig werkten NASA en het Amerikaanse ministerie van Defensie samen aan het National Aerospace Plane Project - een poging, die sindsdien is geannuleerd, om technologieën te ontwikkelen die een voertuig mogelijk zouden maken dat zou opstijgen als een gewoon vliegtuig, en in een baan rond de aarde zou versnellen. aarde, en keer dan terug door de atmosfeer voor een landingsbaan.
Maar recente technologische vooruitgang - van efficiëntere raketten tot betrouwbaardere en robuustere thermische schilden - hebben het raketvliegtuig dichter bij de praktische realiteit gebracht. Tegelijkertijd groeit de markt voor de diensten die zo'n voertuig kan bieden. De noodzaak om satellieten economisch te lanceren kan de eerste stimulans zijn voor de ontwikkeling van een raketvliegtuig. In de toekomst zal het belangrijkste dagelijkse gebruik van deze hypersonische voertuigen echter wel eens kunnen liggen in het afleveren van passagiers en waardevolle pakketten over de hele wereld.
Het is geen mysterie waarom vliegtuigontwerpers er zo lang over hebben gedaan om raketmotortechnologie te omarmen. Ten eerste zijn raketten inefficiënt en verbruiken ze zeven keer zo snel brandstof als een turbojet op vol vermogen. En terwijl een straalmotor lucht uit de atmosfeer inademt om zijn brandstof te verbranden, zijn raketten ontworpen om in het vacuüm van de ruimte te werken en moeten ze dus niet alleen brandstof maar ook oxidatiemiddel vervoeren - meestal in de vorm van vloeibare zuurstof. Deze eis legt een grotere gewichtslast op een raket dan een straaljager.
Ten tweede zijn raketten over het algemeen niet zo betrouwbaar gebleken als gasturbinemotoren. Deze onbetrouwbaarheid komt deels voort uit het feit dat deze motoren bij extreem hoge temperaturen werken. Bovendien hebben vliegtuigontwerpers en ingenieurs relatief weinig ervaring met raketten, vergeleken met hun miljarden uren ervaring met straalmotoren.
Maar raketten hebben een tegenwicht. Hoewel ze brandstof slurpen, wegen ze slechts een fractie van wat gasturbines doen. De beste straalmotoren die nu in ontwikkeling zijn, genereren ongeveer 9 keer zoveel stuwkracht als het gewicht van de motor. Daarentegen produceert zelfs een zeer zware raketmotor een stuwkracht-gewichtsverhouding van 50. Bovendien kan met de huidige technologie alleen een raket de Mach 25-snelheid bereiken die nodig is om de zwaartekracht te overwinnen en in de baan van de aarde te komen. (Mach 1 is de geluidssnelheid in lucht - ongeveer 740 mph of 1200 kilometer per uur.) Zelfs de snelste luchtademende straalmotor sjokt voort met slechts ongeveer Mach 4.
Opstaan naar de wilde zwarte ginds
Commercieel succesvolle raketvliegtuigen zullen afhangen van ontwikkelingen in twee sleuteltechnologieën: een betrouwbare, herbruikbare raketmotor en een robuust thermisch beveiligingssysteem om schade tijdens terugkeer te voorkomen. In beide gevallen zijn geavanceerde oplossingen voorhanden.
Amerikaanse onderzoekers hebben zich gericht op het verbeteren van componenttechnologieën en geavanceerde materialen, niet op het vervaardigen van echte raketmotorproducten. In de voormalige Sovjet-Unie zijn onderzoekers echter doorgegaan met de ontwikkeling van raketmotorfamilies. Met name het Sovjet-spaceshuttle-programma leidde tot een nieuwe generatie geavanceerde herbruikbare raketmotoren die werden gevoed met kerosine (dat wil zeggen conventionele vliegtuigbrandstof), waterstof of een combinatie van beide. De herbruikbare RD-120, een kerosineverbrandingsmotor die is ontwikkeld als een motor in de bovenste trap voor de Zenit-booster, is bijvoorbeeld door de Amerikaanse importeur Pratt en Whitney gecertificeerd als goed voor 10 vluchten, plus nog eens 10 na een grote onderhoudsbeurt.
Lucht- en ruimtevaartingenieurs erkennen ook dat het thermische beveiligingssysteem op de spaceshuttle niet geschikt is voor een echt robuust voertuig. Hoewel de shuttle herbruikbaar is, wordt het hitteschild gemakkelijk beschadigd. Bovendien beschadigen gewone weersomstandigheden zoals regen en door de wind voortgedreven stof het hitteschild. Na elke landing moet de shuttle een kostbare en tijdrovende opknapbeurt ondergaan waarbij giftige chemicaliën en speciale procedures nodig zijn om de verloren en beschadigde tegels te vervangen, zodat het ruimtevaartuig veilig weer in een baan om de aarde kan stijgen.
De inspanningen van NASA om deze problemen op te lossen hebben indrukwekkende resultaten opgeleverd. Ontwerpers hebben een veel bredere selectie tegels, dekens, metalen oppervlakken en geavanceerde composieten en keramiek, die allemaal nieuwe generatie raketvliegtuigen kunnen maken die bestand zijn tegen weer en wind, waardoor het hitteschild binnen enkele minuten van de shuttle zou worden verwijderd. Een van de nieuwe materialen - de AETB-TUFI-C thermische beschermingstegel ontwikkeld door NASA's Ames Research Center - heeft een testvlucht op een F-15 onbeschadigd overleefd. Dit resultaat was des te opmerkelijker omdat de jager door een regenbui vloog die de verf van het oppervlak schuurde.
Dergelijke vorderingen hebben de vooruitzichten op het bouwen van een herbruikbaar raketvliegtuig versterkt. Maar voordat zo'n ambacht praktisch wordt, blijven er nog andere ontwerpvragen over. Ten eerste moet een raketvliegtuig, om te profiteren van de biljoenen dollars aan bestaande luchthaveninfrastructuur, op een conventionele, horizontale manier kunnen opstijgen en landen.
Bovendien werkt een raketmotor het beste in het vacuüm van de ruimte; hoe dichter de lucht, hoe meer brandstof de raket moet verbranden om dezelfde hoeveelheid stuwkracht te ontwikkelen. De dikke luchtsoep van de atmosfeer legt ook een sleepstraf op, waardoor de raket gedwongen wordt enorme hoeveelheden brandstof te verspillen. Een door een raket aangedreven vliegtuig heeft dus een ander voortstuwingsmiddel nodig om het van de grond naar de bovenste regionen van de atmosfeer te tillen; eenmaal de rand van de atmosfeer bereikt, kan de raket ontbranden en het vaartuig de ruimte in stuwen.
Luchtvaartingenieurs hebben drie hoofdschema's ontwikkeld om dit te bereiken. In één is het raketvliegtuig bevestigd aan de buik van een straalvliegtuig, dat opstijgt en naar grote hoogte vliegt. Dan daalt het raketvliegtuig af om zijn vlucht te voltooien. Chuck Yeager gebruikte deze techniek in 1947 om de eerste menselijke reis met supersonische snelheid te bereiken.
In een moderne variant van deze benadering sleept een straalvliegtuig een raketvliegtuig naar grote hoogte met een ketting, ongeveer zoals conventionele vliegtuigen zweefvliegtuigen lanceren. Dit schema wordt ontwikkeld bij Kelly Space and Technology in San Bernardino, Californië. Kelly's Eclipse-vliegtuig wordt door een Boeing 747 naar een hoogte van ongeveer 14 kilometer gesleept. Daar vuurt de Eclipse zijn raketmotor af, wordt losgekoppeld van de sleepkabel en klimt naar ongeveer 150 kilometer. De Eclipse glijdt vervolgens naar een niet-aangedreven landing.
Een voordeel van deze twee technieken is dat het raketvliegtuig zelf maar één motor nodig heeft: de raket. Aan de andere kant heeft elk voertuig dat afhankelijk is van een ander vliegtuig om het te lanceren een ernstig nadeel. Als het raketvliegtuig bijvoorbeeld op de verkeerde plek landt, moet het wachten op de komst van een dragend of trekkend vliegtuig voordat het weer de lucht in kan. Bovendien zou voor het opstijgen in een dergelijke tandemconfiguratie langere en bredere start- en landingsbanen nodig zijn dan die op bestaande luchthavens. Bovendien, als de raketmotor niet ontsteekt na het loskoppelen van het draagvliegtuig, zou het raketvliegtuig waarschijnlijk verloren gaan.
Ons bedrijf, Pioneer Rocketplane, is voorstander van een ander lanceerhulpprogramma. In de Pioneer-aanpak zou het Pathfinder-vliegtuig op een conventionele manier opstijgen en tot negen kilometer klimmen onder het vermogen van conventionele turbofan-straalmotoren. Daar zou het een ontmoeting hebben met een groot subsonisch vliegtuig, zoals een KC-135 transport of een Boeing 747, die als vliegende tanker zou dienen. Ter voorbereiding op de tweede vluchtfase zou het raketvliegtuig bij deze tanker aanmeren en ongeveer 290.000 kilogram vloeibare zuurstof eruit zuigen. Dergelijke overdrachten zijn gebruikelijk in de militaire luchtvaart, hoewel het voortstuwingsmiddel dat wordt verplaatst vliegtuigbrandstof is in plaats van vloeibare zuurstof.
Na het loskoppelen van de tanker, zou het vliegtuig zijn raketmotor aansteken en naar 150 kilometer klimmen, met een snelheid van Mach 12. Het raketvliegtuig zou dan boven de buitenste randen van de atmosfeer reizen, gedurende welke tijd een satelliet bevestigd aan een kleine raket bovenaan stadium zou kunnen worden vrijgegeven voor overdracht naar een baan. Het vliegtuig zou dan terug in de atmosfeer dalen. Na het vertragen tot een subsonische snelheid, zouden de turbofanmotoren opnieuw opstarten, waardoor het vliegtuig naar een landingsveld werd voortgestuwd. Omdat het vanaf elk middelgroot vliegveld zou kunnen opstijgen, zou het Pioneer-raketvliegtuig een grote flexibiliteit bieden bij de keuze van de lanceerplaats en bij het afbreken van opties.
Een raketvliegtuig berijden voor plezier en winst
Het eerste dat bij veel mensen opkomt als ze aan raketvliegtuigen denken, is het potentieel voor snel persoonlijk reizen. Hoewel die mogelijkheid bestaat, beloven andere toepassingen een stabielere inkomstenstroom en zullen ze zich waarschijnlijk eerst ontwikkelen.
lancering van satellieten: ondanks een gezond bedrijf door de lancering van overheids- en commerciële satellieten, heeft de internationale ruimtelanceringsindustrie de afgelopen twee tot drie decennia een periode van bijna volledige technologische stagnatie doorgemaakt. De meeste lanceersystemen die nu in gebruik zijn, waaronder de Delta, Atlas, Titan, Sojoez, Molniya en Proton, vlogen al in min of meer hun huidige vorm in het midden van de jaren zestig. Hoewel er in de tussenliggende decennia enkele aanvullende systemen zijn geïntroduceerd, zoals de Europese Ariane, waren de technologische verbeteringen zo gering dat oudere systemen nog steeds concurrerend zijn. Als gevolg hiervan blijven de vrachttarieven van het aardoppervlak naar een baan rond de $ 10.000 tot $ 20.000 per kilogram - hetzelfde als in de jaren zestig. Deze aanhoudend hoge kosten belemmeren de commerciële ontwikkeling van de ruimte ernstig.
Een nieuwe ruimtevaartindustrie creëren
Aangezien raketvliegtuigen een technologie voor de korte termijn zijn met wijdverbreide commerciële toepassing, moet het mogelijk zijn om hun ontwikkeling voornamelijk met particuliere investeringen te financieren. Desalniettemin brengt de ontwikkeling van nieuwe vluchtsystemen altijd aanzienlijke bedrijfsrisico's met zich mee, die kunnen worden beperkt door overheidsparticipatie.
Verwijzing naar ons huidige tijdperk als het ruimtetijdperk is een verkeerde benaming om de jaren 1910 het luchttijdperk te noemen. Behalve het leger voelde de wereld de impact van vliegreizen pas echt als de technologie routine en gemeengoed werd en betaalbaar werd voor meer dan een elite. Evenzo, als er een echt ruimtetijdperk aanbreekt, moet er een markt zijn voor raketvoertuigtechnologie die de fabricage van ruimtevaartuigcomponenten ondersteunt, niet in een groot aantal of twee, maar in honderden of duizenden.
Producenten van deze vliegtuigen zullen de productiemethoden moeten gaan gebruiken die gebruikelijk zijn in de commerciële luchtvaart in plaats van de dure productietechnieken voor kleine partijen die tegenwoordig de ruimtevaartindustrie domineren. Bovendien hebben we een wereldwijde lanceringsinfrastructuur nodig die niet honderden vluchten per jaar ondersteunt, maar honderden vluchten per dag. De enige markten die groot genoeg zijn om investeringen in dergelijke productiecapaciteit en lanceringsinfrastructuur te stimuleren, zijn pakketbezorging over lange afstand en passagiersvervoer.
Om dezelfde reden dat militaire en vervolgens postvliegtuigen aan passagiersvliegtuigen voorafgingen, zullen satellietlancering, militaire en snelle pakketbezorgingsraketvliegtuigen ongetwijfeld voorafgaan aan passagiersraketvliegtuigen. Desalniettemin zal de dag zeker komen dat duizenden raketvliegtuigen dagelijks de wereld oversteken om zakenreizigers en vakantiegangers van New York tot Tokio te bedienen - misschien zelfs in een baan om de aarde.