raket [ruimtevaart]

Introductie

raket [ruimtevaart] (v. Ital. rocchetta = verkleinwoord van rocca = spinrokken, in deze betekenis duidt rocchetta op een houten beschermkap zoals deze in de middeleeuwen bij schijngevechten op lansen werd gestoken), een lucht- of ruimtevoertuig, voortgestuwd door de druk van de verbrandingsgassen, zie raketmotor. Een raket voert alle benodigde stuwstof (brandstof én oxidator [= zuurstofdrager]) met zich mee. Vaak is de raket uit verscheidene eenheden (trappen) opgebouwd. Meestal branden de trappen na elkaar (tandem getrapt). Om zwaartekrachtverliezen te beperken werken de verschillende trappen ook wel gelijktijdig (parallel getrapt), bijv. de Space Shuttle.

1. Geschiedenis

1.1 Oorlogvoering

Raketten dateren van het midden van de 13de eeuw. Onduidelijk is of hun oorsprong in China of Europa ligt (bij de belegering van Pien-King [Kai-Fung-Fu] in 1232 zijn, in tegenstelling tot wat vroeger wel werd aangenomen, waarschijnlijk geen raketten gebruikt). In ieder geval was buskruit, dat veel gelijkenis vertoont met de oudste soorten raketstuwstof, in de 13de eeuw zowel in Europa als in Azië bekend. Het 13de-eeuwse Liber Ignium van Marcus Graecus is de oudst bekende Europese bron die van raketten melding maakt. Het Chinese werk Wu-Pei-Shi, dat in 1628 door Mao Yuon-I werd voltooid, geeft de oudst bekende Chinese beschrijving van raketten. De oudste ontwerpen (1529) van meertrapsraketten zijn afkomstig van de Roemeen Conrad Haas. Ook Leonardo da Vinci heeft zich met raketontwerpen beziggehouden. De oudste toepassing van raketten is militair. In 1428 gebruikten de legers van Jeanne d'Arc raketten bij Orléans en in 1449 werden in de slag bij Pont Audemer raketten ingezet. Na de 15de eeuw raakte de raket als wapen in Europa in onbruik. Wel vond de raket toepassing voor vuurwerk. In India werd het fort van Bitar in 1657 met raketten verdedigd. In 1750 maakte een Frans leger onder kolonel De Bussy kennis met India's raketten en in 1756 werd een Engelse nederzetting bij Calcutta met behulp van raketten veroverd. De oorlogen van de prinsen van Mysore tegen voornamelijk Engelsen, maar ook Fransen en Nederlanders, tussen 1780 en 1800 zijn in dit opzicht bekend geworden.

In de 19de eeuw onderging de raket aanzienlijke verbeteringen. De Britse kolonel Sir William Congreve voorzag de raket van stabilisatievinnen en een brandstichtende kop. In de Napoleontische en Engels-Amerikaanse Oorlog werd op grote schaal van raketten gebruik gemaakt. Zo werd in 1807 Kopenhagen door meer dan 20 000 raketten voor driekwart verwoest. Behalve voor bombardementen werden raketten ook tegen cavalerie langs de grond gelanceerd. In 1838 introduceerde Congreve een raket om reddingslijnen naar schepen over te schieten. In 1846 patenteerde de Engelsman William Hale de spin-gestabiliseerde raket in de Verenigde Staten. In de Krimoorlog werden zowel door de Engelsen als door de Russen raketten gebruikt. De buskruitraket was aan het einde van de 19de eeuw volledig ontwikkeld.

In het begin van de 20ste eeuw verscheen Konstantin Tsjolkovski's: Studie van de ruimte met toestellen met straalaandrijving, waarin voor het eerst de raketvlucht fysisch en wiskundig correct wordt beschreven, evenals raketmotoren werkend op vloeibare waterstof en zuurstof. Behalve aan de Rus Tsjolkovski, is de grote vlucht van de rakettechniek te danken aan pioniers als Robert Hutchins Goddard (Verenigde Staten), Hermann Julius Oberth (Duitsland/Roemenië) en Robert Esnault-Pelterie (Frankrijk). Goddard was de eerste die een vloeibare-stuwstofraket ontwierp, bouwde en succesvol lanceerde (in 1926). Hoewel zijn werk aanvankelijk geen grote bekendheid kreeg, werd het in Duitsland voortgezet. In Peenemünde aan de Oostzeekust werd in de jaren voor de Tweede Wereldoorlog (o.a. door Wernher von Braun) de grondslag voor de V-2 (zie V-wapens) – een gyroscopisch bestuurde, ballistische raket – gelegd. Stuwstoffen waren alcohol en vloeibare zuurstof. Met een startmassa van ca. 13 000 kg en een bereik van ca. 350 km was de V-2 de voorloper van de huidige vloeibare-stuwstofraketten voor de ruimtevaart. Inmiddels had ook de vaste-stuwstofraket grote verbeteringen ondergaan. Het buskruit was vervangen door homogeen kruit (Engelse handelsnaam cordite), waardoor veel hogere prestaties en betrouwbaarheid konden worden behaald. In de Tweede Wereldoorlog is zowel door de Duitsers als door de geallieerden op grote schaal van vaste-stuwstofraketten gebruik gemaakt. Dit waren in het algemeen kleine, niet-geleide lichte raketten met een beperkte dracht. Von Kàrmàn en Malina ontwikkelden ondertussen composietstuwstoffen, stuwstoffen die uit een mengsel van brandstof en oxidator bestaan en door hun goede mechanische eigenschappen, hogere prestaties en grotere explosieveiligheid de homogene stuwstof gedeeltelijk hebben verdrongen. Von Kàrmàns en Malina's werk leidde o.a. tot JATO-raketten (Jet Assisted Take Off) en de oprichting van het Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Californië. Na de Tweede Wereldoorlog werd de raketontwikkeling aanvankelijk in Rusland in sterke mate voortgezet. De Verenigde Staten, die veel van de Duitse rakettechnici uit Peenemünde in dienst hadden genomen, volgden wat later.

1.2 Amerikaanse raketten

De eerste grote Amerikaanse strategische raketten, waaronder de uit V-2 voortgekomen Redstone en Jupiter, gebruikten vloeibare stuwstoffen. Vooral de hoge prestaties die met vloeibare stuwstoffen te behalen zijn, rechtvaardigden deze keus. De Atlasraket stoelde op een geheel nieuwe ontwerpfilosofie: de tankwanden vormden de buitenwand van de raket, in tegenstelling tot de V-2, die afzonderlijke tanks in de romp gemonteerd had. Een ander verschil met de V-2 was dat verscheidene motoren gelijktijdig werkten. Als stuwstoffen gebruikte de Atlas kerosine en vloeibare zuurstof. Doordat deze laatste stuwstof steeds verdampt, was het in feite erg moeilijk de Atlas ICBM (InterContinental Ballistic Missile) steeds lanceergereed te hebben. In 1955 werd begonnen met de bouw van de IRBM (Intermediate Range Ballistic Missile)-Thorraket. Evenals de Atlasraket ontleent deze raket zijn bekendheid aan ruimtevaartprojecten waarbij hij als draag- raket is gebruikt. De derde grote Amerikaanse raket, de Titan, werd als aanvulling op het Atlas ICBM-programma ontwikkeld, en gebruikte oorspronkelijk eveneens kerosine en vloeibare zuurstof als stuwstoffen. Dat cryogene stuwstoffen slecht bewaard kunnen worden, zodat een ICBM niet steeds lanceergereed kan worden gehouden, heeft er echter toe geleid dat bij de nieuwere versie, de Titan II, is overgeschakeld op asymmetrisch dimethylhydrazine [UDMH, N₂H₂(CH₃)₂] als brandstof en stikstoftetroxide (N₂O₄) als oxidator. Met deze ‘opslaanbare’ stuwstoffen is de ICBM op ieder moment lanceerbaar. Zowel Atlas, Thor en Titan zijn in diverse uitvoeringen gebruikt, met vaste-stuwstofhulpraketten, met diverse hogere trappen, Agena, Centaur, enz. Voor strategische doeleinden spelen deze raketten echter geen rol meer. De naam Thor is vervangen door Delta, aangezien de meeste Thors met een Delta bovenste trap werden gelanceerd. Een geheel andere ontwikkeling ving omstreeks 1959 aan met de ontwikkeling van de Scout, nadat prestaties en betrouwbaarheid van vaste stuwstoffen aanzienlijk waren toegenomen en er voldoende vertrouwen bestond om een lanceerraket, geheel op vaste stuwstoffen gebaseerd, te ontwikkelen. De Scout was een van de eerste raketten die van de aanvang af uitsluitend voor ruimtevaartdoeleinden was ontwikkeld. Het bleek een betrouwbare goedkope lanceerraket te zijn. De voordelen van vaste stuwstoffen voor militair gebruik (zie ballistisch wapen en geleid wapen) begonnen zich in de jaren zestig af te tekenen: de Minuteman, Polaris, Poseidon en Trident zijn alle vaste-stuwstofraketten. Op het gebied van de ruimtevaart was de Saturn V, die gebouwd werd om landingen op de Maan uit te voeren, nog volledig een vloeibare-stuwstofraket; de Space Shuttle heeft echter twee vaste-stuwstofmotoren, die tot de allergrootste in hun soort behoren.