Een artistieke weergave van de Integrated Powerhead Demonstrator. Afbeelding tegoed: NASA. Klik om te vergroten.
Als je denkt aan toekomstige rakettechnologie, denk je waarschijnlijk aan ionenvoortstuwing, antimaterie-motoren en andere exotische concepten.
Niet zo snel! Het laatste hoofdstuk in traditionele vloeibare raketten moet nog worden geschreven. Er wordt onderzoek gedaan naar een nieuwe generatie raketontwerpen op vloeibare brandstof die de prestaties kunnen verdubbelen ten opzichte van de ontwerpen van vandaag en tegelijkertijd de betrouwbaarheid verbeteren.
Raketten op vloeibare brandstof bestaan al heel lang: de eerste vloeistofaangedreven lancering werd in 1926 uitgevoerd door Robert H. Goddard. Die eenvoudige raket produceerde ongeveer 20 pond stuwkracht, genoeg om hem ongeveer 40 voet de lucht in te dragen. Sindsdien zijn ontwerpen verfijnd en krachtig geworden. De drie vloeibare motoren aan boord van de spaceshuttle kunnen bijvoorbeeld meer dan 1,5 miljoen pond gecombineerde stuwkracht uitoefenen op weg naar de baan om de aarde.
Je zou kunnen aannemen dat inmiddels alle denkbare verfijningen in raketontwerpen met vloeibare brandstof moeten zijn gemaakt. Je zou het mis hebben. Het blijkt dat er ruimte is voor verbetering.
Onder leiding van de Amerikaanse luchtmacht werken een groep bestaande uit NASA, het ministerie van Defensie en verschillende industriepartners aan betere motorontwerpen. Hun programma heet Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies en ze kijken naar veel mogelijke verbeteringen. Een van de meest veelbelovende tot nu toe is een nieuw schema voor brandstofstroom:
Het basisidee achter een raket met vloeibare brandstof is vrij eenvoudig. Een brandstof en een oxidatiemiddel, beide in vloeibare vorm, worden in een verbrandingskamer gevoerd en ontstoken. De shuttle gebruikt bijvoorbeeld vloeibare waterstof als brandstof en vloeibare zuurstof als oxidatiemiddel. De door de verbranding geproduceerde hete gassen ontsnappen snel door het kegelvormige mondstuk en produceren zo stuwkracht.
De details zijn natuurlijk veel gecompliceerder. Zo moeten zowel de vloeibare brandstof als de oxidator zeer snel en onder grote druk in de kamer worden geleid. De hoofdmotoren van de shuttle zouden in slechts 25 seconden een zwembad vol brandstof leeg laten lopen!
Deze stromende brandstofstroom wordt aangedreven door een turbopomp. Om de turbopomp aan te drijven, wordt een kleine hoeveelheid brandstof “voorverbrand”, waardoor hete gassen ontstaan die de turbopomp aandrijven, die op zijn beurt de rest van de brandstof in de hoofdverbrandingskamer pompt. Een vergelijkbaar proces wordt gebruikt om de oxidator te pompen.
De huidige raketten met vloeibare brandstof sturen slechts een kleine hoeveelheid brandstof en oxidatiemiddel door de voorverbranders. De bulk stroomt rechtstreeks naar de hoofdverbrandingskamer en slaat de voorbranders volledig over.
Een van de vele innovaties die door de luchtmacht en NASA worden getest, is om alle brandstof en oxidatiemiddel door hun respectievelijke voorverbranders te sturen. Daar wordt slechts een kleine hoeveelheid verbruikt - net genoeg om de turbo's te laten draaien; de rest stroomt door naar de verbrandingskamer.
Dit ontwerp met "full-flow staged cycle" heeft een belangrijk voordeel: met meer massa die door de turbine gaat die de turbopomp aandrijft, wordt de turbopomp harder aangedreven, waardoor een hogere druk wordt bereikt. Hogere drukken staan gelijk aan betere prestaties van de raket.
Een dergelijk ontwerp is nog nooit eerder in een raket met vloeibare brandstof in de Verenigde Staten gebruikt, aldus Gary Genge van NASA's Marshall Space Flight Center. Genge is de adjunct-projectmanager voor de Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) - een test-engine voor deze concepten.
"Deze ontwerpen die we onderzoeken, kunnen de prestaties op veel manieren verbeteren", zegt Genge. "We hopen op een betere brandstofefficiëntie, hogere stuwkracht-gewichtsverhouding, verbeterde betrouwbaarheid - en dit alles tegen lagere kosten."
"In deze fase van het project proberen we dit alternatieve stroompatroon echter correct te laten werken", merkt hij op.
Ze hebben al één belangrijk doel bereikt: een koeler draaiende motor. "Turbopompen met traditionele stromingspatronen kunnen tot 1800 C opwarmen", zegt Genge. Dat is veel thermische belasting van de motor. De “full flow” turbopomp is koeler, omdat er meer massa doorheen kan stromen, lagere temperaturen kunnen worden gebruikt en toch goede prestaties worden behaald. "We hebben de temperatuur enkele honderden graden verlaagd", zegt hij.
IPD is alleen bedoeld als testbed voor nieuwe ideeën, merkt Genge op. De demonstrator zelf vliegt nooit de ruimte in. Maar als het project succesvol is, kunnen enkele van de verbeteringen van IPD hun weg vinden naar de lanceervoertuigen van de toekomst.
Bijna honderd jaar en duizenden lanceringen na Goddard, mogen de beste vloeibare raketten nog komen.
Oorspronkelijke bron: NASA Science Article
