Meertrapsraket
Een meertrapsraket is een raket die naast de nuttige lading bestaat uit meerdere onderdelen genaamd trappen, die in de loop van een lancering een voor een worden losgekoppeld, en elk beschikken over hun eigen motor(en) en brandstof. Afhankelijk van hoeveel trappen een raket telt onderscheidt men een tweetrapsraket, drietrapsraket, enz.
De trappen kunnen zowel op elkaar als naast elkaar worden bevestigd. De eerste trap is meestal het grootst, en zit onderaan. Deze bevat de brandstof nodig voor de lancering. Naar boven toe worden de trappen steeds kleiner. Er blijft uiteindelijk een nuttige lading over, zoals een ruimtesonde, een kunstmatige satelliet, een ruimtecapsule of (een capsule met) een of meer kernkoppen. Met vaak een kleine raketmotor voor koerscorrecties. Trappen die voor extra kracht als hulpmotoren aan de zijkant van een raket zijn bevestigd en gelijktijdig werken met de motor(en) die onderaan in het midden zit(ten) worden vaak, vooral als ze eerder stoppen met functioneren dan de motor(en) die onderaan in het midden zit(ten), als trap 0 aangeduid. Zoals deze nummering suggereert is in zo'n geval het aantal trappen van de raket niet duidelijk gedefinieerd. Soms wordt deze trap 0 als halve trap geteld. De Atlas LV-3B wordt bijvoorbeeld aangeduid als anderhalftraps. Deze startte met drie motoren die dezelfde brandstof-en-zuurstof-tanks deelden. De buitenste motoren werden na enkele minuten afgeworpen terwijl de middelste motor de raket in een baan om de aarde bracht[1]. Ook is niet zo duidelijk hoe het afwerpen van bijvoorbeeld een lege tank voor zuurstof en waterstof, zoals bij de Space Shuttle, geteld moet worden.
De achterliggende gedachte bij meertrapsraketten is dat als de brandstof van een trap op is, dit gedeelte kan worden afgestoten om de raket zo lichter te maken en brandstof bij de volgende trappen te kunnen besparen. Door dit gewichtsverlies kunnen latere trappen bovendien meer snelheid maken. De maximale snelheid van een eentrapsraket is immers beperkt door zijn massaverhouding en de uitlaatsnelheid, zoals blijkt uit de raketvergelijking van Tsiolkovski. Het is voor een chemische eentrapsraket daarom bijna onmogelijk om voldoende snelheid te halen om een stabiele baan rond de aarde te bereiken met een bruikbare hoeveelheid nuttige lading.
Een ander voordeel is dat elke trap een ander type motor kan bevatten, zodat de raket zich kan aanpassen aan verschillende omstandigheden. Zo zijn de motoren van de eerste en soms tweede trap bedoeld voor reizen door de atmosfeer, en de motoren van de latere trappen voor reizen in een vacuüm. In een vacuüm ontbreekt namelijk de tegendruk van de atmosfeer. Een langere straalpijp (uitlaat) compenseert hiervoor.
Een nadeel van een meertrapsraket is echter dat het voertuig complexer is dan een raket die uit een geheel bestaat, en daarom lastiger om te bouwen. Bovendien moet een meertrapsraket motoren meenemen die pas later in gebruik worden genomen. Door het afstoten van trappen bij hoge snelheid is het ook moeilijk om de raket meer dan één keer te gebruiken, waardoor de kostprijs van ruimtereizen hoog is.
Draagraketten die op vloeibare brandstof werken bevatten meestal twee soms drie trappen al dan niet aangevuld met aanhaakboosters. Bij draagraketten op basis van vaste brandstof is het gebruik van vier trappen niet uitzonderlijk. Dit komt omdat vastebrandstof-motoren een kortere brandduur hebben en er dus meer trappen nodig zijn om lang genoeg te werken om deze tot de orbitale snelheid of verder te krijgen.
Ontkoppelen met vloeibare stuwstoffen
[bewerken | brontekst bewerken]Bij vloeibare stuwstoffen levert de ontkoppeling van de trappen en het starten van de motoren een moeilijkheidsfactor op. Wanneer de raket zijn motoren uitdoet ondervinden de stuwstoffen relatieve gewichtloosheid en beginnen deze door de tanks te zweven. Om de stuwstoffen bij de motoren te kunnen krijgen moeten deze stabiel onderin de tank zitten. Er zijn twee methoden om dit te bewerkstelligen.
- Kleine stuwers geven de trap een korte kleine stoot waardoor deze ietwat versneld, de gewichtloosheid daarmee wordt opgeheven en de stuwstoffen weer onderin de tanks terechtkomen. Deze stuwers kunnen werken op gasdruk (koudstikstof), afgekookte stuwstoffen uit de tanks, vaste brandstof of hypergole stuwstoffen uit kleine membraantanks waarin deze stoffen niet kunnen zweven.
- Ontstoken ontkoppeling (hot staging); de motoren van de volgende trap ontsteken terwijl de voorgaande trap nog voor versnelling zorgt, waarna de ontkoppeling plaatsvindt. Hiervoor moet de bovenkant van de voorgaande trap vuurbestendig zijn en de tussentrap met vuurgaten zijn uitgerust waardoor de uitstoot van de te ontsteken trap kan ontsnappen zonder de raket op te blazen. Deze oplossing was vooral bij Sovjet-raketten in zwang maar werd ook bij de Amerikaanse Titan-raketten gebruikt en wordt door SpaceX in Starship toegepast. Voordelen van deze methode zijn minder onderdelen en een ononderbroken versnelling die effectiever is.
Kick stage
[bewerken | brontekst bewerken]Meestal bevatten draagraketten boosters, eerste trap, en bovenste trap (upper stage). Maar aan sommige raketten wordt nog een zogenaamde kick stage toegevoegd. Dit zijn kleine bovenste rakettrappen die pas na het bereiken van de orbitale snelheid in functie treden om de vracht extra snelheid te geven, of om de vracht met meer precisie in de juiste baan af te zetten. Voorbeelden van een kick stage zijn:
- de Fregat op de Sojoez-raket en de Zenit-raket voor precisie injectie
- de Briz-M op de Proton-M voor precisie injectie
- de Star-48 die bij de lanceringen van New Horizons en de Parker Solar Probe aan een Atlas V en een Delta IV Heavy voor extra snelheid werden toegevoegd
- de ASTRIS die voor de Ariane 6 wordt ontwikkeld voor precisie injectie en het afzetten van grotere hoeveelheden satellieten in verschillende banen
- de Blue Ring die voor de New Glenn wordt ontwikkeld
- de Curie van de Electron voor precisie injectie en het afzetten van meerdere satellieten in verschillende banen
Vaak kunnen kick-stages veelvuldig herstart worden of hebben ze de mogelijkheid een satelliet in een spinbeweging brengen. Sommige kick-stages hebben aansluitingen waardoor er instrumenten (van derden) permanent aan gekoppeld kunnen worden die de stroomvoorziening en communicatieapparatuur van de kick-stage kunnen gebruiken. In dat geval is de kick-stage ook een satellietbus.
Bijtanken in de ruimte
[bewerken | brontekst bewerken]Een nieuwe techniek die nog van de grond moet komen is het bijtanken van bovenste trappen in de ruimte. Voordeel hiervan is dat de raket minder stuwstoffen aan boord hoeft te hebben waardoor er meer vrachtcapaciteit overblijft. Nadeel is dat de stuwstoffen met extra lanceringen in de ruimte moet worden gebracht. Ook is de vloeistofoverdracht van een lanceertuig naar een orbitaal stuwstofdepot en vervolgens naar een ander lanceertuig bij gewichtloosheid ingewikkeld. Deze techniek kan alleen uit bij herbruikbare raketten als SpaceX Starship.