Wanneer Elon Musk van SpaceX iets interessants tweets, genereert het een golf van opwinding. Dus toen hij onlangs tweette dat SpaceX mogelijk aan het werken was aan een manier om de bovenste stadia van hun raketten op te halen, veroorzaakte het een ketting van geïntrigeerde reacties.
SpaceX zal proberen de bovenste trap van de raket terug te brengen van de orbitale snelheid met behulp van een gigantische feestballon
- Elon Musk (@elonmusk) 15 april 2018
SpaceX haalt al geruime tijd hun lagere stadia op en hergebruikt het en verlaagt de kosten voor het lanceren van ladingen in de ruimte. Maar dit is de eerste aanwijzing dat ze hetzelfde proberen te doen met hogere stadia.
Twitter-responders wilden precies weten wat SpaceX in gedachten heeft en wat een 'gigantische feestballon' zou kunnen zijn. Musk heeft het nog niet uitgewerkt, maar een van zijn Twitter-volgers had iets interessants toe te voegen.
Quinn Kupec, een student aan de James Clark School of Engineering van de University of Maryland, tweette naar Musk:
Als je voorstelt wat ik denk dat je bent, een ultralage ballistische ingangscoëfficiëntvertrager, dan zouden jij en @SpaceX moeten komen kijken wat we hebben op @UofMaryland. We hebben hier een tijdje aan gewerkt en zijn net klaar met testen pic.twitter.com/nJBvyUnzaK
- Quinn Kupec (@QuinnKupec) 16 april 2018
Space Magazine nam contact op met de heer Kupec om te zien of hij ons kon helpen te begrijpen waar Musk mogelijk mee bezig was. Maar eerst een beetje achtergrond.
Een “ultralage ballistische ingangscoëfficiëntvertrager” is een mondvol. De ballistische coëfficiënt meet hoe goed een voertuig de luchtweerstand tijdens de vlucht kan overwinnen. Een hoge ballistische coëfficiënt betekent dat een terugkeervoertuig niet snel zijn snelheid zou verliezen en de aarde met hoge snelheden zou bereiken. Een vertragingscoëfficiënt met een zeer lage ballistische ingangscoëfficiënt zou snel snelheid verliezen, wat betekent dat een voertuig met lage, subsonische snelheden zou rijden voordat het de grond zou bereiken.
Om een booster in het bovenste stadium te herstellen, zijn lage snelheden wenselijk omdat ze minder warmte genereren. Maar volgens Kupec is er nog een ander probleem dat moet worden opgelost.
'Wat gebeurt er als deze dingen langzamer gaan tot landingssnelheden? Als je zwaartepunt aanzienlijk verschoven is achter je zwaartepunt, zoals het geval zou zijn bij een terugkerende bovenste trap, kan het onstabiel worden. Als het zwaartepunt van het terugkeervoertuig te hoog is, kan het worden omgekeerd, wat uiteraard niet wenselijk is. ”
Het is dus de kunst om de snelheid van het terugrijdende voertuig te verlagen tot het punt waar de warmte die wordt opgewekt door terugkeer de booster niet beschadigt, en om het te doen zonder dat het voertuig omkeert of anderszins onstabiel wordt. Dit is geen probleem voor de boosters op het hoofdpodium die SpaceX nu routinematig herstelt; ze hebben hun eigen retro-raketten om hun afdaling en landing te begeleiden. Maar voor de boosters in de bovenste trap, die de omloopsnelheid bereiken, is het een obstakel dat moet worden overwonnen.
"Mijn onderzoek is specifiek gericht op hoe hoog je het zwaartepunt kunt duwen en toch de juiste vluchtconfiguratie kunt behouden", aldus Kupec.
Maar hoe zit het met de "gigantische feestballon" waarover Musk tweette?
Musk zou in kleurrijke termen kunnen verwijzen naar wat een ballute wordt genoemd. Het woord is een combinatie van de woorden ballon en parachute. Ze zijn in de jaren 50 uitgevonden door Goodyear Aerospace. Ze kunnen de afdaling van instapvoertuigen stoppen en zorgen voor stabiliteit tijdens de afdaling.
"... de ballon moet een diameter van 120 voet hebben en gemaakt zijn van een stof met hoge temperatuur ..." - Professor Dave Akin, Universiteit van Maryland
Space Magazine nam contact op met professor Dave Akin van de Universiteit van Maryland voor enig inzicht in de tweet van Musk. Professor Akin werkt al meer dan twee decennia aan terugkeersystemen.
In een e-mailuitwisseling vertelde professor Akin ons: “Er zijn concepten voorgesteld om een grote ballon op een kabel te plaatsen die bij binnenkomst achter je wordt gesleept. De ballon verlaagt je ballistische coëfficiënt, wat betekent dat je hoger in de atmosfeer vertraagt en de warmtebelasting minder is. ” De sleutel is dus om je snelheid te schrobben voordat je dichter bij de aarde komt, waar de atmosfeer dikker is en meer warmte genereert.
Maar volgens professor Akin is dit niet altijd gemakkelijk te doen. "Om de twee ordes van magnitude-reductie in ballistische coëfficiënt te krijgen waar Elon het over had, zou de diameter 120 ft. Moeten zijn, en gemaakt van een stof met hoge temperatuur, dus het zal niet zo gemakkelijk zijn."
Maar het trackrecord van Musk laat zien dat hij niet terugdeinst voor dingen die niet gemakkelijk zijn.
Het ophalen van hogere raketfasen gaat niet alleen over het verlagen van lanceringskosten, het gaat ook over ruimteafval. De European Space Agency schat dat er meer dan 29.000 stukjes ruimteafval in een baan om de aarde draaien, en een deel van die troep wordt gebruikt voor boosters in de bovenste trap. Er zijn al enkele botsingen en ongevallen geweest, waarbij sommige satellieten in verschillende banen zijn geduwd. In 2009 kwamen de Iridium 33-communicatiesatelliet en de ter ziele gegane Russische Cosmos 2251-communicatiesatelliet met elkaar in botsing, waardoor beide werden vernietigd. Als SpaceX een manier kan ontwikkelen om zijn boosters in het bovenste stadium op te halen, betekent dat minder ruimteafval en minder potentiële botsingen.
Er is een duidelijk precedent voor het gebruik van ballonnen om de terugkeer te beheren. Met mensen als professor Akin en Quinn Kupec die eraan werken, hoeft SpaceX het wiel niet opnieuw uit te vinden. Maar ze zullen nog veel werk moeten verzetten.
Musk tweette nog een ander ding kort na zijn tweet "gigantische feestballon":
En land dan op een springkussen
- Elon Musk (@elonmusk) 16 april 2018
Nog geen woord over wat dat zou kunnen betekenen.
Elon Musk's 'gigantische feestballon' tweet: https://twitter.com/elonmusk/status/985655249745592320
De tweet van Quinn Kupec: https://twitter.com/QuinnKupec/status/985736260827471872
