De geschiedenis van raketten

De principes van raketten werden meer dan 2000 jaar geleden voor het eerst getest maar pas de afgelopen 70 jaar hebben we raketten gebouwd om er de ruimte mee te verkennen

Lancering van een SpaceX Heavy Falcon raket. Credit: SpaceX
Lancering van een SpaceX Heavy Falcon raket. Credit: SpaceX

Tegenwoordig lanceren raketten routinematig ruimtevaartuigen van de Aarde en sturen ze satellieten naar een lage baan om de Aarde of een vracht naar het International Space Station. En nu de commerciële ruimtevaartindustrie in opkomst is reizen astronauten nu regelmatig van en naar het in een baan om de Aarde draaiende laboratorium, met wetenschappelijke experimenten bij zich.

Door nieuwe ontwikkelingen zijn herbruikbare raketten zelfs gemeengoed geworden. Ze landen autonoom weer op Aarde, klaar om opnieuw te worden gebruikt.

Vroege rakettechnologie

Er zijn aanwijzingen dat rakettechnologie, of de vroege beginselen van raketten, duizenden jaren geleden werd gebruikt, bijvoorbeeld al in 400 voor Christus.

In een experiment uit die tijd toonde Archytas, een Griekse filosoof en wiskundige, een pseudo-raket: een houten duif die aan draden was opgehangen. Volgens NASA werd de duif door ontsnappende stoom voortgedreven.

Ongeveer 300 jaar na het duivenexperiment zou de Griekse wiskundige Heron van Alexandrië de “aeolipil” hebben uitgevonden. Dit is een bolvormig apparaat dat bovenop een kokende plas water zat. Gas uit het stomende water ging de bol in en ontsnapte door twee L-vormige buizen aan weerszijden van de bol. De ontsnappende stoom creëerde stuwkracht die de bol zou laten draaien.

Verdere ontwikkelingen in de vroege rakettechnologie werden in de 9de eeuw genoteerd toen Chinese monniken iets ontwikkelden wat we nu “buskruit” noemen, een mengsel van salpeter (kaliumnitraat), zwavel en houtskool. Van salpeter werd getheoretiseerd dat het levensverlengende eigenschappen had en het was die interesse in het zoeken naar een soort onsterfelijkheid die hielp leiden tot de ontwikkeling van  buskruit.

Tijdens de Tang dynastie, rond 80 na Christus, mengde een ondernemende alchemist, wiens naam helaas onbekend is, 75 delen salpeter met 15 delen houtskool en 10 delen zwavel. Dit mengsel had geen waarneembare levensverlengende eigenschappen maar het explodeerde met een flits en een knal bij blootstelling aan open vuur.

lancering van de Shenzhou-13
De bemande Shenzhou-13 bovenop de Lange Mars 2F draagraket. de lancering vond plaats op 15 oktober om 18:25 uur Nederlandse tijd vanaf het Jiuquan Satellite Launch Center in de Gobi woestijn. Credit: Xinhua.

Volgens teksten uit die tijd zijn rook en vlammen het gevolg waardoor handen en gezichten van alchemisten verbrandden en zelfs het hele huis waar ze aan het werk waren, afbrandde.

Het eerste militaire gebruik van rakettechnologie werd ook in China opgetekend. Dat was in 1232. De Chinezen gebruikten “vliegende vuurlansen” tegen het Mongoolse rijk toen die oprukten naar de voormalige Chinese hoofdstad Kaifeng. Kaifeng is tegenwoordig een prefectuur in de provincie Henan.

Deze vroege “raketten” zijn vermoedelijk een doorontwikkeling van een bescheidener apparaat uit de 12de eeuw. Deze “grondrat” werd beschreven in een boek genaamd “Ch’in yeh-yu” (Rustieke verhalen in Oost Ch’i).

Deze zogenaamde grondrat (ti lao shu) was een apparaat dat meer op vuurwerk leek. Het was gemaakt van een bamboebuis gevuld met buskruit dat in alle richtingen over de grond schoot. Tijdens een koninklijk banket in de 13de eeuw was de vrouw van keizer Li Chung doodsbang toen een grondrat onder haar stoel werd afgestoken. De festiviteiten werden abrupt afgebroken en degenen die verantwoordelijk waren voor het vuurwerk werden gevangen gezet.

Atlas V-raket
Een Atlas V-raket op weg naar het lanceerplatform. Credit: United Launch Alliance

De Engelse filosoof en Franciscaner monnik Roger Bacon hield zich bezig met experimentele wetenschap. Voor zover bekend is hij de eerste die in wat de “westerse” wetenschap wordt genoemd, aanwijzingen geeft voor het maken van buskruit. Omstreeks 1200 speculeerde hij dat buskruit nuttig zou kunnen zijn in de oorlogsvoering. Een voorbode van de toekomstige naam van het mengsel en het gebruik van wapens in de volgende eeuw.

Ondertussen leidden de mogelijkheden van deze nieuwe buskruit- en rakettechnologie rond 1500 in China tot een legende rond een overheidsfunctionaris (een mandarijn) genaamd Wan Hu.

Het verhaal gaat dat hij, gezeten op een stoel door 47 zwarte poederraketten werd gelanceerd. Hij reisde een korte afstand en verdween toen in een explosie en een rookwolk. Als het echt is gebeurd dan had Wan Hu een drievoudige primeur. Namelijk de eerste die op een raket vloog, de eerste die vloog op een zelf voortbewogen zwaarder dan lucht apparaat en de eerste raketpiloot die tijdens een testvlucht om het leven kwam.

Raketten in theorie en praktijk

Tegen de 16de eeuw werd de vroege rakettechnologie regelmatig gebruikt bij militaire schermutselingen in Azië en Europa, evenals bij vuurwerkshows.

Hoewel waarschijnlijk veel mensen in die tijd mijmerden over het potentieel van raketten zullen we er maar een paar belichten. De Oostenrijker Conrad Haas schreef halverwege de 16de eeuw een verhandeling over rakettechnologie, inclusief bemande raketten. Dit werk werd pas in 1961 door historici gevonden.

Een eeuw later publiceerde de Pools-Litouwse generaal Kazimierz Siemienowicz een boek over raketten en meertrapsraketten. Volgens NASA publiceerde Siemienowicz een ontwerp voor meertrapsraketten dat zou leiden tot de fundamentele rakettechnologie op weg naar de ruimte. Ook stelde hij batterijen voor het lanceren van militaire raketten en deltavleugelstabilisatoren voor om de geleidestangen die in militaire raketten worden gebruikt te vervangen.

Parallelle ontwikkelingen in wetenschap en techniek hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van raketten. De Italiaanse astronoom Galileo Galilei (1564-1642) beschreef voor het eerst de eigenschappen van traagheid. Dit betekent dat een bewegend object in beweging blijft terwijl een  stilstaand object in rust blijft (als er geen krachten van buitenaf op worden uitgeoefend).

Galileo’s werk was een voorproefje voor de natuurkunde die werd ontwikkeld door de Engelse wetenschapper Isaac Newton (1642-1727). Newton formuleerde theorieën over zwaartekracht en beweging die fundamenteel opnieuw definieerden hoe we denken over de beweging van planeten en de beweging door de ruimte. Newton’s derde bewegingswet die (simpel gezegd) dat elke actie een tegengestelde reactie oproept, ligt ten grondslag aan het principe van raketten.

In het begin van de 19de eeuw experimenteerde Sir William Congreve met talloze raketontwerpen voor militaire doeleinden en bedacht hij wat we tegenwoordig de “Congreve-raket” noemen. Het is bekend dat de Engelsen en Amerikanen tijdens de oorlog van 1812 beiden Congreve-raketten gebruikten.

Ondertussen stelde de Franse sciencefictionschrijver Jules Verne (1828-1905) zich in 1865 een kanon voor dat astronauten naar de Maan zou brengen. dat was iets meer dan een eeuw voordat het door middel van de Apollo 8-missie in 1968 daadwerkelijk gebeurde. Het beschrijft niet helemaal raketten in zijn moderne vorm maar de visie van Verne was generaties na publicatie van invloed op raketpioniers.

Saturnus V raket
Eén van de resterende Saturn V draagraketten nabij NASA’s Johnson Space Center in Houston, Texas

De vaders van de rakettechnologie

In de modern tijd erkennen ruimtevaarthistorici vaak drie “vaders van de rakettechnologie” die hebben geholpen de eerste raketten de ruimte in te duwen. De term verwijst overigens vaak naar de leider van een groot team.

Maar toch hebben deze individuen een grote stempel op de ontwikkeling van raketten geplaatst zoals wij die vandaag de dag begrijpen. Slechts één van de drie overleefde lang genoeg om te zien hoe raketten werden gebruikt  voor de verkenning van de ruimte.

De Rus Konstantin E. Tsiolovsky (1857-1935) publiceerde in 1903 wat nu bekend is als de “raketvergelijking”. Simpel gezegd beschrijft deze vergelijking de relaties tussen de snelheid van raketten en de massa en ook hoe groot de snelheid van de brandstof is als het de uitlaat van het aandrijvingssysteem verlaat en hoeveel brandstof er voor de voortstuwing is.

Robert Goddard (1882-1945) was een Amerikaanse natuurkundige die op 16 maart 1926 te Auburn, Massachusetts, de eerste vloeibare brandstof raket lanceerde. Hij had twee Amerikaanse patenten voor het gebruik van een vloeibare brandstofraket en ook voor een twee- of drietrapsraket die vaste brandstof gebruikt.

Hermann Oberth (1894-1989) werd geboren in het tegenwoordige Roemenië en vertrok later naar Duitsland. Als nazi-ingenieur is zijn erfenis gecompliceerd aangezien hij tijdens de Tweede Wereldoorlog voor een onderdrukkend regime werkte. Zijn studies over meertrapsraketten werden voor het eerst gebruikt voor nazi-aanvallen op Groot-Brittannië. Dat was met de A4-raket die bij ons beter bekend is als de V2. Deze raket maakte gebruik van 95 door Oberth gedane uitvindingen en suggesties. Oberth leefde tot ver in het tijdperk van de spaceshuttle. Hij heeft dus als enige van de “vaders” mensen naar de ruimte zien vliegen en gezien dat we herbruikbare ruimteschepen hebben gemaakt.

Raketten tijdens de begindagen van de ruimtevaart

Na de tweede Wereldoorlog emigreerden verschillende Duitse en nazi-raketwetenschappers naar zowel de Sovjet-Unie als de Verenigde Staten om die landen bij te staan in de Space Race van de jaren ’60. In die wedstrijd ijverden beide landen om hun technologische en militaire superioriteit te demonstreren waarbij ze de ruimte als grens gebruikten.

De beroemdste van deze ingenieurs was Walter Von Braun (1912-1977), ook een nazi met een gecompliceerde erfenis. Nadat hij naar de Verenigde Staten was geëmigreerd werd hij het meest bekend door het leiden van het ontwerp van de Saturnus V-raket die mensen naar de Maan bracht en door het populariseren van ruimtereizen via Disney-producties.

Hier is een korte tijdlijn van de eerste jaren van raketten: Op 4 oktober 1957 lanceerde de Sovjet-Unie de Spoetnik 1. Het was voor het eerst dat een raket werd gebruikt om iets de ruimte in te sturen. De Amerikanen gebruikten een aangepaste militaire Jupiter-C raket (die Juno-1 werd genoemd) om op 1 februari 1958 de Explorer 1 de ruimte in te lanceren, dit na een mislukking met een ander, grotendeels niet getest rakettype.

Het duurde nog een aantal jaren voordat beide landen zich zelfverzekerd genoeg vonden om raketten te gebruiken om mensen de ruimte in te sturen. Beide landen begonnen met het lanceren van dieren (vooral apen en honden). De Russische kosmonaut Yuri Gagarin was de eerste mens in de ruimte. Hij verliet op 12 februari 1961 aan boord van een Vostok-K-raket de Aarde om een orbitale vlucht te maken. Ongeveer drie weken later maakte Alan Sheppard met behulp van een Redstone raket de eerste Amerikaanse suborbitale vlucht. Een paar missies later in het Mercury-programma schakelde de NASA over op Atlas-raketten en in 1962 was het John Glenn die als eerste Amerikaan in een baan om de Aarde draaide.

Bij het steven naar de Maan maakte de NASA gebruik van de Saturnus V-raket die met een hoogte van 110 meter drie trappen omvatte. De laatste trap was zwaar genoeg om los te komen van de zwaartekracht van de Aarde. Er werden tussen 1969 en 1972 met succes 6 bemande maanlandingsmissies mee uitgevoerd. De Sovjet-Unie ontwikkelde een maanraket, de N1, maar na meerdere vertragingen en problemen, waaronder een dodelijke explosie, werd het programma permanent stopgezet.

Het spaceshuttleprogramma van de NASA (181-2011) gebruikte voor het eerst vaste brandstofraketten om mensen naar de ruimte te lanceren. Anders dan vloeibare brandstofraketten kunnen vaste brandstofraketten, eenmaal gestart, niet meer worden uitgezet. De shuttle zelf was uitgerust met drie vloeibare brandstofmotoren waaraan twee vaste brandstofboosters waren bevestigd. In 1986 lekte een O-ring van een vaste brandstofbooster en dat leidde tot een catastrofale explosie waarbij 7 astronauten in de spaceshuttle Challenger om het leven kwamen. Het ontwerp van deze vaste brandstofboosters werd na de ramp met de Challenger aangepast.

Sindsdien zijn raketten gebruikt om ruimtevaartuigen verder ons zonnestelsel in te sturen: in het begin van de jaren ’60 langs de Maan, Venus en Mars. Dit breidde zich later uit tot de verkenning van tientallen manen en planeten. Raketten hebben ruimtevaartuigen door het hele zonnestelsel vervoerd waardoor astronomen nu beelden hebben van alle planeet, veel manen, asteroïden en kleinere objecten. En dankzij krachtige en geavanceerde raketten konden de Voyagers 1 en 2 ons zonnestelsel verlaten en de interstellaire ruimte bereiken.

De raketten van vandaag en morgen

Verschillende bedrijven in veel landen produceren nu onbemande en bemande raketten – de Verenigde Staten, India, Europa, China, Rusland om er maar eens een paar te noemen, en sturen routinematig militaire en civiele ladingen de ruimte in. Elk van deze landen heeft zijn eigen complexe geschiedenis van raketten in alle soorten en maten die vaak worden geleverd met talloze varianten voor zwaardere ladingen of kleinere ladingen of verschillende bestemmingen in de ruimte.

Ondertussen blijft het aantal bemande ruimtevluchten toenemen. De Russen gebruiken al tientallen jaren varianten van hun Sojoez-raket waarmee ze mensen in verschillende versies de ruimte in hebben gebracht. NASA heeft nu twee verschillende leveranciers van raketten, eentje commercieel en eentje door de NASA zelf aangestuurd.

Voor missies naar het International Space Station gebruikt NASA het Crew Dragon systeem en de Falcon9 raket van SpaceX. In de toekomst wil NASA ook de door Northrop Grumman ontwikkelde Starliner gaan gebruiken die dan of door een door Northrop Grumman ontwikkelde Antares raket of door een Atlas V van United Launch Alliances wordt gelanceerd. Verder werkt NASA aan een Space Launch System om astronauten naar de Maan en potentieel naar Mars te lanceren. De eerste testvlucht van een SLS staat voor dit jaar in de planning.

Starship SN4 explodeert
De explosie die Starship SN4 vernietigde. Credit: NASA Spaceflight

Onder invloed van de particuliere sector blijft rakettechnologie zich snel ontwikkelen met mijlpalen die vaak in een periode van slechts enkele maanden worden behaald. Zo zijn SpaceX en Blue Origin pioniers in het gebruik van zelflandende raketten. Talloze bedrijven lanceren koppelingen van satellieten op een enkele raket terwijl de rakettechnologie steeds beter en kleiner wordt. Raketten worden lichter en flexibeler door 3D-printen, efficiëntere brandstoffen en voortdurende verbeteringen en machine learning (kunstmatige intelligentie).

Sinds 2022 hebben ruimtetoeristen en commerciële astronauten nu de keuze uit verschillende raket- of ruimtevliegtuigsystemen die zijn ontwikkeld door Blue Origin, Virgin Galactic en SpaceX. Ruimtetoerisme is misschien, alhoewel nu nog voor de superrijken, een trend om in de gaten te houden voor de komende jaren.

Het meest spraakmakende raketsysteem dat momenteel in ontwikkeling is, is Starship van SpaceX dat naar verwachting op korte termijn NASA-astronauten naar de Maan zal brengen en op de langere termijn mogelijk mensen naar Mars. De eerste vlucht moet nog gemaakt worden en die lancering staat voorzien voor 2022.

Eerste publicatie: 26 februari 2022
Bron: space.com