Dream Chaser zou vracht, en uiteindelijk bemanning, naar een lage baan om de aarde brengen. Ken Ulbrich / NASA
Het ruimteveer van de NASA heeft 30 jaar in een baan om de aarde gedraaid voordat het in 2011 met pensioen ging. De vervanger van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie, Orion, keerde echter terug naar het kegelvormige capsuleontwerp dat bekend is van de Apollo-missies. De reden hiervoor was dat Nasa dit nieuwere vaartuig wilde gebruiken voor het verkennen van doelen in de diepe ruimte, zoals de maan.
Maar de laatste jaren zien we een terugkeer van het ruimtevliegtuigontwerp. Sinds 2010 lanceert de US Space Force (en voorheen de US Air Force) een robotisch ruimtevliegtuig genaamd de X-37B in een lage baan om de aarde voor geheime missies. China heeft zijn eigen militaire ruimtevliegtuig genaamd Shenlong.
Dit jaar zou de Dream Chaser van het bedrijf Sierra Space een testvlucht kunnen maken – het eerste commerciële ruimtevliegtuig dat in een baan om de aarde kan vliegen. Als alles goed gaat, zou het vliegtuig gebruikt kunnen worden om het Internationale Ruimtestation (ISS) te bevoorraden met vracht en uiteindelijk ook met bemanning.
Ruimtevliegtuigen kunnen vliegen of zweven in de atmosfeer van de aarde en landen op landingsbanen in plaats van parachutes te gebruiken om te landen in water of vlakke grond zoals capsules. Ze zijn ook wendbaarder als het ruimteschip de atmosfeer weer binnenkomt, waardoor het gebied van het aardoppervlak waar geland kan worden vanaf een specifiek terugkeerpunt groter wordt.
Ruimtetuigen maken ook een zachtere maar langere vliegroute mogelijk tijdens de terugkeer in de dampkring en een zachtere landing, wat gemakkelijker is voor de bemanning en de vracht dan capsules, die met een dreun kunnen landen. Een landingsbaan zorgt er ook voor dat de bemanning en de infrastructuur klaar zijn op de landingsplaats.
Kosten en complexiteit
Maar ruimtevliegtuigen zijn complexer en zwaarder dan een gelijkwaardige capsule. De vorm van het gevleugelde lichaam vormt een bijzondere uitdaging voor het ontwerpen van thermische beschermingssystemen (TPS) – de hittebestendige materialen die het vaartuig beschermen tegen verzengende temperaturen bij de terugkeer. Door deze extra kosten is het onpraktisch om een ruimtevliegtuig te ontwerpen voor een enkele vlucht. Ze moeten steeds opnieuw worden gebruikt om levensvatbaar te zijn.
De X-37B van de Amerikaanse ruimtemacht heeft geen bemanning aan boord en de missies zijn geheim.
Staf Sgt. Adam Shanks / Amerikaanse ruimtemacht
Al sinds de begindagen van de bemande ruimtevaart is er belangstelling voor ruimtevliegtuigen. Een militair ruimtevliegtuigproject met de naam Dyna-Soar werd in 1957 in de VS gestart, maar vlak na de start van de bouw geannuleerd. Het voertuig was geavanceerd voor die tijd, gebouwd met een metaallegering die bestand was tegen hoge temperaturen en met een hitteschild aan de voorkant dat kon worden losgemaakt nadat het was teruggekeerd uit de ruimte, zodat de piloot goed kon zien wanneer hij landde.
Het ruimteveer, dat in 1981 in gebruik werd genomen, was het eerste operationele ruimtevliegtuig. Het werd verondersteld vaker te lanceren dan het deed en een grotere herbruikbaarheid te hebben, maar het bleek dat uitgebreide opknapbeurten nodig waren tussen de lanceringen. Het demonstreerde echter wel de mogelijkheid om astronauten en grote vracht terug te brengen uit een baan om de aarde.
Andere ruimtevaartorganisaties investeerden in de jaren 1980 en 1990 in Europa met het Hermes-ruimtevliegtuig en in Japan met het HOPE-voertuig. Beide programma’s werden grotendeels geannuleerd vanwege de kosten. De Sovjet-Unie ontwikkelde zijn eigen shuttle-achtige voertuig, Buran genaamd, dat in 1988 één keer met succes naar de ruimte vloog. Het programma werd geannuleerd na het uiteenvallen van de Sovjet-Unie.
De hitte voelen
Ruimtevliegtuigen hebben specifieke vereisten voor het laatste deel van hun reis – als ze terugkeren uit de ruimte. Tijdens de terugkeer in de atmosfeer worden ze verhit tot meer dan duizend graden Celsius terwijl ze met hypersonische snelheden van meer dan zeven kilometer per seconde reizen – meer dan 20 keer de geluidssnelheid. Een ontwerp met een stompe neus (waarbij de rand van het ruimteschip afgerond is) is een ideale vorm omdat het de opbouw van hitte bij het voorste deel van het voertuig vermindert.
Bij de lancering was de spaceshuttle bevestigd aan de zijkant van een grote externe voortstuwingstank.
NASA / JSC
Desondanks kunnen de verwachte temperaturen in het ruimteschip oplopen tot 1600°C, waardoor een thermisch beschermingssysteem aan de buitenkant van het voertuig nodig is. Het TPS van het ruimteveer bevatte keramische tegels die bijzonder hittebestendig waren en een versterkte koolstof-koolstofmatrix die bestand was tegen temperaturen tot 2400°C.
Het verlies van de Columbia shuttle tijdens de terugkeer in 2003, waarbij zeven astronauten om het leven kwamen, was het gevolg van een breuk in het TPS aan de voorrand van de vleugel. Dit was het gevolg van een stuk isolatieschuim dat van de externe tank van de shuttle vloog tijdens de lancering van Columbia en de vleugel raakte.
Dit schuimprobleem kwam regelmatig voor bij de shuttle vanwege de manier van lanceren aan de zijkant van de externe voortstuwingstank. Maar nieuwere ruimtevliegtuigontwerpen vliegen op conventionele raketten, waar vallend schuim geen probleem is.
Een effectief TPS blijft van vitaal belang voor het toekomstige succes van ruimtevliegtuigen, net als systemen die de TPS-prestaties in realtime monitoren.
Huidige voertuigen
Er zijn momenteel twee operationele ruimtevliegtuigen, een Chinese en een Amerikaanse, die een baan om de aarde kunnen bereiken. Er is weinig informatie beschikbaar over China’s Shenlong, maar de X-37B van het Amerikaanse leger is bekender. Het negen meter lange, onbemande voertuig weegt bijna vijf ton bij de lancering, wordt gelanceerd met een conventionele raket en landt autonoom op een landingsbaan aan het einde van zijn missie.
Het TPS van de X-37B maakt gebruik van tegels die lijken op dat van de shuttle aan de onderkant, met een goedkoper alternatief voor versterkt koolstof-koolstof genaamd Tufroc, ontwikkeld voor de X37B, op de neus en de voorranden.
Ze zouden binnenkort gezelschap moeten krijgen van de Dream Chaser, die door het bedrijf werd ontwikkeld om zowel vracht als astronauten te vervoeren, maar Nasa wil de veiligheid ervan bewijzen voordat het mensen vervoert door het eerst te gebruiken om vracht naar het ruimtestation te vervoeren. De mogelijkheid om relatief kwetsbare vracht terug te brengen naar het oppervlak door een zachtere landing is een belangrijke eigenschap. De tegels die Dream Chaser beschermen zijn gemaakt van silica en hebben elk een unieke vorm die is afgestemd op het gebied op het voertuig dat ze moeten beschermen.
Dream Chaser wordt geëvalueerd in de Neil Armstrong Test Facility van Nasa.
NASA
Toekomstige ontwikkelingen
Er is blijvende interesse in ruimtevliegtuigen vanwege hun vermogen om bemanning en vracht terug te brengen naar een landingsbaan. De vraag naar deze mogelijkheid is nu beperkt. Maar als de kosten van lancering naar de ruimte blijven dalen en een uitbreiding van de industrie in de ruimte de vraag doet toenemen, zullen ze een steeds levensvatbaarder alternatief worden voor capsules.
Op de langere termijn is er ook potentieel voor ruimtevliegtuigen die een baan om de aarde kunnen bereiken na het opstijgen van een landingsbaan. De uitdagingen van het ontwikkelen van deze single-stage-to-orbit (SSTO) voertuigen zijn aanzienlijk. Concepten zoals het Skylon-voertuig leiden echter tot technische ontwikkelingen die uiteindelijk de ontwikkeling van een SSTO-vaartuig zouden kunnen ondersteunen.
Voor de nabije toekomst zien ruimtevaartuigen er veelbelovend uit om de volgende redenen: nieuwe ontwerptechnieken, verbeterde materialen voor het TPS, geavanceerde computermodellen en simulatiehulpmiddelen voor het optimaliseren van verschillende aspecten van ontwerp en vluchtparameters en voortdurende verbeteringen in voortstuwingssystemen.
Gezien het feit dat verschillende regeringen, ruimteagentschappen en privébedrijven wereldwijd zwaar investeren in onderzoek en ontwikkeling van ruimtevliegtuigen, zouden we een toekomst kunnen zien waarin vluchten met deze voertuigen routine worden.
De auteurs werken niet voor, adviseren niet, bezitten geen aandelen in en ontvangen geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en hebben geen relevante banden bekendgemaakt buiten hun academische aanstelling.
