Noot van de redactie: dit gastbericht is geschreven door Lukas Davia & Marijn Achternaam.
Als je 'herbruikbare raketten' in een zoekmachine typt, kun je niet anders dan aangetrokken worden door de aantrekkingskracht van SpaceX-gerelateerde links die het scherm vullen. De reden hiervoor is begrijpelijk: met de dood van de Space Shuttle en het ontbreken van een duidelijke planning voor de toekomst door de meeste oude spelers in het ruimtevaartveld, maken het eenvoudige, kortetermijnplan en eerdere vluchttesten van SpaceX ze ieders favoriet om de kosten drastisch te verlagen baan met raketten die naar huis terugkeren - klaar om opnieuw te worden gebruikt.
En met de aanstaande lancering van SpaceX's 14e Falcon 9-raket op 6 januari met Dragon naar het ISS, ligt het potentieel voor echte hergebruik van raketten zeker voor het eerst in de bijna 90 jaar sinds Goddard 's werelds eerste vloeibare raket lanceerde vanaf Massachusetts in 1926. Toch is het nu een belangrijker moment dan ooit om onze wilde verwachtingen te temperen voor de mogelijkheid van raketten die zichzelf terugvliegen naar het lanceerplatform. Hoewel er een raketrevolutie onder ons is, is het een iteratief, meerstapsproces dat elke afzonderlijke missie overstijgt - en we mogen niet verwachten dat we binnenkort een regelmatig hergebruik van luchtvaartmaatschappijen en grote kostenverlagingen zullen zien.
Opgemerkt moet worden dat Elon Musk, voor al zijn verbazingwekkende prestaties, nooit een harde en snelle tijdlijn heeft geplaatst wanneer goedkope en toegankelijke raketten beschikbaar zouden zijn, laat staan een solide prijs. Waarom? Simpelweg omdat we een gebied betreden dat nog niet in kaart is gebracht.
Het enige lanceervoertuig in de geschiedenis dat ooit meerdere keren opnieuw is gevlogen na het bereiken van een baan was de Space Shuttle. Ondanks dat verreweg het duurste onderdeel van elke raket - de motoren en de bijbehorende systemen - opnieuw werd gebruikt, kostte de shuttle volgens NASA minstens $ 450 miljoen om te lanceren, met een relatief klein laadvermogen van 24 ton naar Low Earth Orbit, of bijna $ 19.000 per kilogram . Inclusief ontwikkelingskosten, opgeteld en verdeeld per vlucht, kan de te lanceren prijs gemiddeld oplopen tot $ 1,5 miljard, of driemaal het door NASA vermelde bedrag. Wat de kosten per kilogram van het heffen van lading in een baan om de aarde drastisch moest verlagen, werd uiteindelijk een van de duurste lanceervoertuigen in de menselijke geschiedenis. Waarom is het zo duur geworden?
De conceptie van de Space Shuttle was het resultaat van een huwelijk tussen NASA, de luchtmacht en andere partners. Elk wilde zijn eigen ontwerpspecificaties, die uiteindelijk een zwierig voertuig produceerden zonder een duidelijk omschreven doel, en het werd de "catch all" van de ruimtevaartindustrie. Vooral de hoeveelheid onderhoud die na elke missie nodig was, werd door NASA sterk onderschat. Na elke vlucht moest het hele voertuig in wezen opnieuw worden opgebouwd: tegels vervangen, motoren geïnspecteerd, boosters opgeknapt. In het bijzonder moest het trio van de RS-25-hoofdmotoren uit elkaar worden gehaald en gecontroleerd op elk mogelijk defect dat een storing kon veroorzaken, en toen de dingen stuk gingen, was er geen gezonde toevoerleiding die ze gemakkelijk kon vervangen, waardoor de kosten van reserveonderdelen omhooggeschoten, en het personeel in dienst houden en in staat zijn om de shuttle op te knappen, werd al snel een geldput die NASA nooit kon herstellen.
SpaceX is echter geen NASA. Ze hebben een meer flexibele, responsieve ontwikkelingsbenadering van hun producten geïntroduceerd, die overweldigend succesvol is geweest. Ze hebben ook jaren van eerdere projecten (van meerdere bronnen) om van te leren dat NASA dat niet deed. Dit zijn echter geen problemen die eenvoudigweg kunnen worden weggewuifd. Het zijn eerder fundamentele kwesties die moeten worden aangepakt: er is geen ontkomen aan de grenzen van de natuurkunde.
Een veelvoorkomend thema in Musks uitspraken is de gedurfde ambitie om een revolutie teweeg te brengen in het model voor eenmalig gebruik en weggooien dat de raketindustrie sinds het begin domineerde en het veranderde in iets dat nauwer verwant was aan een servicegericht model van luchtvaartmaatschappijen. Dit is een grote taak, zelfs volgens de normen van Iron Man.
Veel fans tonen onvoldoende waardering voor de toegangsbarrières. In een recent onderzoek uitgevoerd op de SpaceX-fancommunity op Reddit.com, koos een aanzienlijk deel van de bijna 600 respondenten, toen hem werd gevraagd een weloverwogen schatting te geven van de prijs van een Falcon 9-raketlancering over 5 jaar, een waarde onder $ 20.000.000. Sommigen selecteerden zelfs prijzen onder de $ 10.000.000. Hoewel COO van SpaceX, heeft Gwynne Shotwell terloops vermeld dat herbruikbare Falcon 9-lanceringen uiteindelijk een prijskaartje van $ 5-7 miljoen zouden kunnen opbrengen, dit is waarschijnlijk ver in de toekomst, ver voorbij slechts de dageraad van herbruikbare raketten. Voor een perspectief, vijf jaar geleden in 2010, lanceerde SpaceX twee Falcon 9-raketten. Vorig jaar lanceerden ze er zes, en plotseling, tegen 2020, zijn de kosten van een standaard Falcon 9-lancering drie keer zo goedkoop? Waar komt deze extra versnelling in ontwikkeling vandaan? Mogelijk komt het uit de hoofden van enkele iets te optimistische fans.
In feite is iets dat zelfs zo basaal is als langdurig motoronderhoud nog relatief onbekend. Eerder heeft SpaceX verduidelijkt dat elke motor een levensduur heeft van ongeveer 40 afvuren, en een toevallige waarnemer zou aannemen dat dit resulteert in een motor die kan worden gebruikt voor 40 missies. Met drie motortestbranden voorafgaand aan elke lancering, de lancering zelf en de drie brandwonden die nodig zijn om het terugkeer- en landingsproces te voltooien, moet de middenmotor in feite 7 keer vuren om een missie te voltooien, en met negen motoren op elke lagere trap - zelfs als de meeste slechts een paar keer schieten, resulteert dat in een behoorlijk aantal onderdelen die na elke vlucht kunnen stukgaan. Het controleren op deze storingen en het repareren ervan kan veel duurder en tijdrovend worden dan men zou hopen.
Zo is er met een diameter van 3,66 m en een hoogte van ongeveer 42 meter bijna 500 vierkante meter aan oppervlak van de eerste trap dat aan de ene kant is blootgesteld aan de koude temperaturen van vloeibare zuurstof en gekoelde kerosine, en aan de andere kant , verschillende temperaturen van terugkeer naar de soepele lagere atmosfeer. Zelfs de opeenhoping van ijs op de buitenhuid van het voertuig alleen is al significant genoeg om de massa van het voertuig aanzienlijk te veranderen! Binnen dat grote gebied kan trek-, thermodynamische en drukgerelateerde vermoeidheid zich ophopen. Striations kunnen kiemen vormen en haarscheurtjes vormen. Dit is een gevaar dat zou kunnen leiden tot een kritieke mislukking tijdens een operationele missie, en een dergelijk evenement zou permanent een verband tussen de ontluikende herbruikbare raket en instabiliteit in de hoofden van satellietexploitanten en de verzekeringssector kunnen veroorzaken. En hoewel Falcon 9 als over-engineered kan worden beschouwd, is het onwaarschijnlijk dat SpaceX rocket roulette zal spelen.
Hoewel de hoofdingenieur van de raket de kans op succes van een toss heeft ingeschat, zal de lege eerste trap, na de hoopvolle voortstuwende landing van CRS-5 op het onlangs gedoopte 'autonome drone-landingsschip', waarschijnlijk worden teruggestuurd naar het hoofdkantoor van SpaceX in Hawthorne, Californië, en worden geïnspecteerd met verschillende methoden van destructieve en niet-destructieve analyse om te kwantificeren hoe de ontberingen van het versnellen tot een snelheid van bijna 2 kilometer per seconde in minder dan drie minuten en vervolgens voldoende vertragen, door de atmosfeer terugkeren, in de nabijheid van zee en zout landen , het voertuig beïnvloeden.
Een ander voorbeeld van mogelijke renovatiekosten ligt in de favoriete brandstof van SpaceX, kerosine. Het brandt relatief vies, zoals blijkt uit de doorschijnende pilaar van bruinzwart roet waarop Falcon 9 opstijgt, een terugkeer naar de tijd van vroege vliegtuigen. Dit leidt tot een effect dat voornamelijk wordt geassocieerd met kerolox-motoren die bekend staan als "cokesvorming" - waarbij onvolledig verbrand roet zich hecht aan de bijna gesmolten motor en het mondstuk, waardoor het vermogen om warmte af te voeren wordt verminderd. Maak het schoon, zeg je? Gefeliciteerd, je hebt zojuist renovatie in de vergelijking geïntroduceerd, iets dat SpaceX probeert te vermijden.
Zelfs het negeren van het voertuig zelf, lanceringen en de benodigde chemicaliën zijn duur! Er is het exorbitant geprijsde helium dat nodig is om de tanks onder druk te houden, en de pyrofore TEA-TEB-ontstekingsvloeistof die wordt gebruikt om het explosieve huwelijk tussen de RP-1 en LOX te beginnen. Het zijn ook niet alleen chemicaliën. Er zijn ook kosten voor de lancering van de grond, variërend van lonen voor werknemers tot het saaie proces van vergunningaanvragen, tot de iets interessantere ablatieve verf die de Transporter-Erector-structuur bedekt die Falcon 9 verticaal houdt, tot transport- en verplaatsingskosten. Naar alle waarschijnlijkheid zijn de huidige kapitaaluitgaven van een enkele lancering alleen al, afgezien van de voor de hand liggende waarde van de raket zelf, in totaal in de regio van $ 3 miljoen plus.
In wezen moeten we herlanding, renovatie, herbruikbaarheid en financieel levensvatbaar en snel hergebruik van elkaar loskoppelen. Het kan een moeilijk concept zijn om te begrijpen dat ze alle vier verschillend zijn, en het succes van één betekent niet dat de volgende stap is gegarandeerd. Daarom blijven er vraagtekens staan bij de kosten, tijd en complexiteit van de laatste stappen die SpaceX nodig heeft om zijn herbruikbare raket-masterplan te voltooien. Bijvoorbeeld: het opnieuw landen van een raket betekent niet noodzakelijk dat een renovatie niet bestaat. Dit is het verhaal van de Space Shuttle.
Een landing alleen betekent geen revolutie in de raketten; we realiseren ons misschien alleen dat de revolutie van het verfijnen van raketten tot een vliegtuigachtig model alleen goed is gebeurd door terug te kijken in de achteruitkijkspiegel.
We hopen dat SpaceX bereikt wat het oorspronkelijk bijna 13 jaar geleden wilde doen. SpaceX is ver, veel dichter dan wie dan ook bij dit doel gekomen, maar zoals Musk zelf zei: "Raketten zijn moeilijk". Veel geluk voor het team van SpaceX voor hun aanstaande CRS-5 lancerings- en landingspoging, het is het begin van iets veel groters.
Geschreven door Lukas Davia & Marijn Achternaam
Bios: als je niet jongleert als student software engineering en fulltime webontwikkelaar in Nieuw-Zeeland, Lukas Davia is een zelfverklaarde SpaceX-verslaafde en kan bijdragen aan de Reddit-gemeenschap / r / SpaceX, toevoegt aan zijn website SpaceXStats.com en infographics maakt. Geloof het of niet, hij vindt wel tijd om naar buiten te gaan en ook in zijn vrije tijd te wandelen!
Marijn Achternaam is een Nederlandse student, zelfbenoemde fauteuilsingenieur en ruimtevluchtfanaat die vaak een bijdrage levert aan de / r / space- en / r / SpaceX Reddit-gemeenschappen.
