De ontwikkeling van de raket

Uit Astrowiki
Ga naar: navigatie, zoeken

Meer dan honderd jaar vóór de Apollo-landingen op de maan had Jules Verne al ideeën over een reis door de ruimte naar de maan. Toen werd zoiets als onmogelijk geacht, maar negentig jaar later gingen we toch echt de ruimte in. Weliswaar niet met een enorm kanon, maar met een raket. Dit verhaal vertelt hoe de raket zich ontwikkelde, tot aan de lancering van Sputnik in 1957.

De eerste 900 jaar van de raket[bewerken]

De raket is ontstaan in China, waar rond het jaar duizend het buskruit werd uitgevonden. In eerste instantie werd het buskruit alleen gebruikt om vuurwerk te maken, maar al snel werd het ook gebruikt in oorlogen voor onder andere raketten om vijandelijke steden te verwoesten. De koersvastheid liet uiteraard nog veel te wensen over.


In 1791 kwamen de Britten in contact met raketten, toen zij daar op een veldtocht in India door werden aangevallen. Ze namen het wapen mee naar Europa en in 1806 werd in Groot-Brittannië de eerste Britse raket ontwikkeld voor gebruik tegen de troepen van Napoleon. In 1814 probeerden de Britten de raket te gebruiken voor een aanval op Fort McHenry in de Verenigde Staten. Die aanval mislukte, omdat de koersvastheid van de raket zeer slecht was. Artillerieaanvallen werden echter juist steeds nauwkeuriger, met als gevolg dat de raketten in het verdomhoekje werden gezet. Nog steeds bleven raketten echter bij sommigen tot de verbeelding spreken. Zij dachten serieus na over het gebruik van de raket om de ruimte in te komen, terwijl dat door de media wijd en zijd belachelijk werd gemaakt. Eén van hen was de Rus Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), een leraar die ruimtevaart enthousiast promootte en boeken vol schreef over het onderwerp, lang voordat er serieus aandacht voor was.

Robert Hutchins Goddard[bewerken]

Op 19 oktober 1899 klom een jonge Amerikaan, genaamd Robert Hutchins Goddard (1882-1945), een oude kersenboom in om de oude, rotte takken te snoeien. In plaats daarvan begon hij, toen hij naar het oosten keek over de grote velden, te dagdromen over het idee om een apparaat te maken dat de mogelijkheid had om naar Mars te vliegen. Dat was het moment dat Goddard besliste om zich met de ruimtevaart bezig te gaan houden. "Toen ik de boom uit klom, was ik een andere jongen dan toen ik de boom in klom," aldus Goddard. 19 oktober werd Goddards persoonlijke vakantiedag: 'Anniversary Day', zoals hij het elk jaar in zijn dagboek schreef.


De ballistische slinger.
Goddard begon te experimenteren met meertrapsraketten in 1915 (hoewel dat uiteraard niet zijn eerste raketten waren) en pijpen (nozzles) en vloeibare brandstof in 1922; het octrooi was in 1914 al verleend. In 1915 begon hij, als assistent-professor aan de Clark University in Worcester, te experimenteren aan de efficiëntie van raketten. Hij kocht wat commerciële raketten en mat hun stuwkracht met behulp van een ballistische slinger: een zware massa waar de raket aan vast zat, hing daarbij aan een touw.


In die ballistische slinger probeerde Goddard het evenwicht te behouden. Daarvoor moest de kracht die op de slinger werkte gelijk zijn aan de impuls (massa keer snelheid of mv) die de raketmotor gaf. Laatstgenoemde bepaalde dan de duur en hoogte van de slinger. Door de raket voor en na de test te wegen, kon Goddard de massa (m) van de uitgestoten gassen berekenen en daaruit kon hij de snelheid (v) afleiden.


De energie die ontstaat bij een motor van een raket wordt – helaas – hoofdzakelijk omgezet in warmte. Er ontstond maar weinig kinetische energie (Ek), in formule mv²/2, van de uitlaatvlam. Wanneer m en v bekend waren, kon Goddard dus de kinetische energie die aan het gas werd gegeven berekenen. Door een bepaalde hoeveelheid brandstof te verbranden, de warmte te absorberen in bijvoorbeeld water en dan de temperatuur te meten, kon de hoeveelheid chemische energie die was omgezet in warmte ook berekend worden. De conclusie was nogal teleurstellend: slechts 2% van de beschikbare energie droeg bij aan de kinetische energie van de uitstroomgassen.


Gelukkig voor Goddard had een Zweedse ingenieur van Franse komaf, Gustav de Laval, al jaren eerder een betere stoommotor ontwikkeld met een betere turbine. De Laval kwam er achter dat de meest efficiënte manier van omzetten van warmte in Ek plaatsvond wanneer de pijpen eerst versmalden, om door de druk de snelheid van het geluid te bereiken, en vervolgens weer verbreedden. Boven de geluidssnelheid zorgde die verbreding er voor dat de snelheid nog meer verhoogd werd; daaronder echter niet. Dit was dé oplossing voor de problemen met de snelheid van de raket!


Goddard testte de nieuwe motoren op efficiëntie en die bleek aanzienlijk verbeterd; de efficiëntie van de raket werd nu namelijk maar liefst 63%, wat de raket de meest efficiënte motor maakte. Hij was namelijk beter dan stoommotoren (21%) en dieselmotoren (40%). Dat is ook geen wonder; de tweede wet van de thermodynamica stelt namelijk dat de theoretisch haalbare efficiëntie van een warmtemotor groter wordt naarmate de temperatuur groter wordt. Geen machine wordt natuurlijk zo heet als een raketmotor.


Robert Goddard met zijn eerste vloeibare raket. De raket (boven!) krijgt de brandstof via twee pijpen uit de tank (beneden).
Na zijn ontdekking vroeg Goddard steun bij de Smithsonian Institution in Washington om een raket te maken die tot grote hoogten zou kunnen komen. Hij kreeg $5000, - toegekend. In eerste instantie wilde Goddard raketten bouwen met vaste brandstof, maar al snel had hij door dat vloeibare brandstof veel beter uitkwam. Het bouwen van raketten op vloeibare brandstof bracht echter wel problemen met zich mee; beide vloeistoffen moesten voorzichtig in de raket gepompt worden en bovendien moest (en moet!) zuurstof zeer koud gemaakt worden, voordat dat vloeibaar werd. Het kookpunt van zuurstof is namelijk -183 °C; de temperatuur moest dus daaronder gebracht worden. Om te voorkomen dat de verbrandingskamer te warm werd, ontwikkelde Goddard de techniek om de aanstromende brandstof die kamer af te laten koelen. Als dat namelijk met de ijskoude vloeibare zuurstof zou worden gedaan, zouden de metalen in en om de verbrandingskamer zeer snel oxideren.

Een ander probleem was de stabiliteit van de raket. Goddards eerste vloeibare raket, die op 16 maart 1926 gelanceerd werd, had de raket boven (!) de brandstoftank, zoals in de afbeelding hiernaast te zien is. Goddard dacht dat de stabiliteit van de raket op deze manier veel beter was. Het viel echter tegen; de raket werkte wel, maar produceerde niet de gehoopte stabiliteit. De raketmotor was al twintig seconden ontbrand voordat er voldoende uitstroomsnelheid werd bereikt om de raket te doen opstijgen. In die twintig seconden verbrandde de vlam delen van de nozzle. De raket steeg tot 12 meter voordat hij weer naar beneden kwam. Het stijgen en dalen nam slechts 2,5 seconden in beslag; de gemiddelde snelheid was 95 kilometer per uur.


Goddard verbeterde zijn raketten in de jaren die volgden, en rustte zijn raketten vanaf 1929 uit met instrumenten zoals een thermometer, barometer en een kleine camera. Zijn raketten verbeterden en kregen meer en meer stabiliteit. In 1935 bereikte een door Goddard ontworpen raket van 4,6 meter in lengte al een hoogte van 2300 meter. In 1937 zette hij een nieuw record van 2750 meter, een record dat hij nooit meer zou breken. Goddard overleed op 10 augustus 1945 aan de gevolgen van keelkanker.

Duitsland en de Tweede Wereldoorlog[bewerken]

Al lang voor de Tweede Wereldoorlog (in 1927) was een ruimtevaartgenootschap in Duitsland al bezig met proeven met raketten op vloeibare brandstof, op basis van Goddards raketten. In 1932 kreeg de zogenaamde Reichswehr echter weet van de proeven van het genootschap en dacht dat de raket wel eens een goed militair wapen zou kunnen worden. Een team van Duitse militairen nam toen een kijkje bij een lancering van een vloeibare brandstofraket, ontworpen en gelanceerd door de raketgeleerde Wernher von Braun. De raket was niet geweldig goed, maar het team doorzag Von Brauns genialiteit en haalde hem over bij het leger te komen. De rest van het team volgde snel.


Von Braun scoorde met een nieuw ontwerp in 1934: de A2. De A daarin stond voor het Duitse woord Aggregat. De raket werd aangedreven door ethanol (alcohol) en zuurstof, omdat Duitsland kampte met een tekort aan op olie gebaseerde brandstoffen. Het benodigde ethanol werd voornamelijk uit aardappelen gehaald.


Een Duitse V2-raket op een mobiel lanceerplatform. Aan de hand van de 'mannetjes' rechts is de grootte in te schatten.
In 1936 werden er twee nieuwe raketten ontworpen: de A3 en de A4. De A3 bleek niet goed te functioneren en al snel werd in plaats daarvan de A5 gebouwd, die 70 succesvolle lanceringen heeft gemaakt. De A4 deed het echter het best; die bereikte een hoogte van maar liefst 80 kilometer en landde 193 kilometer verderop. Deze raket werd omgedoopt tot V2 door de Minister van Propaganda, Joseph Goebbels, oftewel: Vergeltungswaffe Zwei, en de productie werd gestart. Die liep ernstige vertraging op door een Brits bombardement van het testterrein in 1943; de Britten hadden weet gekregen van de ontwikkeling van het extreem vernietigende wapen en wilden koste wat kost de bouw stoppen dan wel vertragen.


De Duitsers begonnen het wapen in september 1944 te gebruiken in een poging om de geallieerden de stuipen op het lijf te jagen. Vanaf verschillende locaties in Nederland, België en Duitsland werden raketten afgevuurd op onder andere Antwerpen, Parijs en Londen. Er werden in totaal meer dan 3000 V2’s succesvol door de Duitsers gelanceerd, maar ook honderden lanceringen mislukten.

Naoorlogse raketten[bewerken]

Na de Tweede Wereldoorlog ontstond er een wedloop tussen de Verenigde Staten en de USSR om wie het eerste de ruimte kon bereiken. Daarom werden de V2’s zoveel mogelijk meegenomen door zowel de Russen als de Amerikanen. De VS hadden een groot deel van het team achter de V2 te pakken kunnen krijgen: 126 mensen, waaronder Wernher von Braun, gaven zich over aan de Amerikanen uit angst voor de Russen. Het verblijf van de geleerden in de VS werd onder het mom van "Operatie Paperclip" gelegaliseerd. De Duitsers hielpen de Amerikanen in de jaren die daarop volgden bij de bouw van een raket die een satelliet in een omloopbaan rond de aarde kon brengen.


De eerste dieren in de ruimte werden al in 1946 (!) gelanceerd door de Amerikanen. Dat waren fruitvliegjes die bovenop een V2 werden gezet om de effecten van ruimtestraling te bepalen. De Amerikanen bleven doorgaan met het standaardontwerp van de V2 en breidden dat uit. Dat leidde in 1949 tot de toenmalige recordhoogte van 400 kilometer door de V2 uit te breiden met een tweede trap, die was afgeleid van de WAC-raket, de eerste sounding rocket van de VS. Die raket werd Bumper genoemd en was de eerste raket die gelanceerd werd vanaf de bekende lanceerbasis Cape Canaveral in Florida. Op onderstaande afbeelding zien we de lancering van zo’n raket.

Bumper Launch.JPG

Ondertussen waren de Russen ook actief bezig een raket te bouwen. Ook zij hadden kans gezien een deel van de Duitse wetenschappers en V2’s mee te nemen naar de USSR. Aldaar werden de Duitsers aan de leiding gezet van een team van 250 - grotendeels Russische - ingenieurs.


De Russen pakten het anders aan dan de Amerikanen: zij namen meteen een exacte kopie van de V2 in productie, de R1, al snel gevolgd door de verder geëvolueerde versie, R2. De raket werd verder geperfectioneerd en dat leidde uiteindelijk tot een raket die iedereen kent: de Scud. Ook namen de Russen alleen de pluspunten van de Duitse ontwerpen over. De rest van de raket ontwierpen ze zelf en zo vergaarden ze veel kennis in het vakgebied. De Duitsers werden al in het begin van de jaren ’50 gerepatrieerd toen de Russen hen niet meer nodig achtten.


De Amerikanen bouwden in de jaren ’50 verder en verder aan hun raketten, allemaal uiteindelijk afgeleid van de Duitse V2. Zij kregen steun van de Amerikaanse overheid, die vooral de militaire doeleinden van raketten wel zag zitten. Ook bij de Russen ging het voornamelijk om het creëren van een Intercontinentale Ballistische Raket (Intercontinental Ballistic Missile – ICBM).


De Amerikanen bouwden achtereenvolgens met zowel tegenslagen als successen, bij elke lancering weer iets lerend, de Viking, de Redstone, de Jupiter, de Juno (die uiteindelijk Amerika’s eerste satelliet zou lanceren in 1958), de Vanguard en de Atlas, ’s werelds (!) eerste succesvolle ICBM, in 1958. De Russen probeerden het ruim een jaar eerder al – voor Sputnik 1 –, maar de neuskegel van de nucleaire raket verbrandde bij terugkeer in de dampkring.


De Russen gaven hun eerste raketten niet allemaal mooie namen, maar gaven ze de letter R en een nummer, beginnend met de al eerder genoemde R1. Het waren de Russen die succes boekten met de R7 (ook wel Semyorka, de zevende). Met die raket lanceerden ze namelijk ’s werelds eerste satelliet: Sputnik 1.


Een gebeurtenis die de wereld veranderde. Waar zouden we nu namelijk zonder ruimtevaart zijn? Satellieten zorgen er voor dat we dagelijks ons weerbericht krijgen, dat we kunnen internetten, dat we mobiel kunnen telefoneren, dat u met uw TomTom zonder problemen op uw eindbestemming komt en, niet te vergeten, dat onze wetenschappelijke kennis, vooral op het gebied van de astronomie, aanzienlijk vergroot wordt. Zonder de raket waren satellieten en de daarbij horende successen niet mogelijk geweest.


Auteur: Marijn de Pagter.

Laatst gewijzigd op: dinsdag 19 december 2006.