Jonge onderzoekers uit alle hoeken van de wereld werken aan een nieuw type supersonische raket. Aan het hoofd van het project staat een jonge ingenieur uit Ghlin, bij Bergen.

Misschien droomde Sandy Tirtey er als kind al van om raketten te bouwen. Hij behoort in ieder geval tot de microkosmos van mensen die erin geslaagd zijn. De 34-jarige jongeman leidt een team van onderzoekers en ingenieurs bij een enigszins geschift project: een functioneel alternatief bedenken voor de huidige raketten. Tirtey is gespecialiseerd in vloeistofmechanica en studeerde aan de polytechnische faculteit van de Universiteit in Bergen. Na zijn doctoraat aan het Von Karman-Instituut in Brussel trok hij naar de Universiteit van Queensland in Australië. Wetenschappelijk directeur prof. Russel Boyce schakelde hem in voor een proefproject met een supersonische stuwstraalmotor. Zes maanden lang werkte hij er alleen aan, tot er versterking kwam. Een aërodynamicus en een systeemingenieur kwamen hem helpen, waarna ze samen meer dan een jaar verder werkten aan de ontwikkeling van het prototype. “We moesten aan onze partners bewijzen dat het project haalbaar was. Ons eerste ontwerp overtuigde ze ervan dat we op de goede weg waren. Toen pas hebben we de rest van het team kunnen aannemen”, legt hij uit. De groep bestaat uiteindelijk slechts uit een tiental mensen, maar die kunnen rekenen op de hulp van tal van doctoraalstudenten over de hele wereld. Drie jaar later werd het project concreet: tekentafels en rekenbladen maakten plaats voor het eerste prototype, waarna de eerste vlucht volgde.

Begin september ging het volledige team naar Andoya in het uiterste noorden van Noorwegen, boven de noordpoolcirkel. Daar werd de raket voor het eerst op ware grootte gelanceerd. “Het was niet de bedoeling om een lange vlucht naar een bepaalde bestemming te maken, maar om onze theorieën uit te testen en zo veel mogelijk gegevens te verzamelen over het gedrag van de raket tijdens de vlucht”, vertelt de technisch directeur van het project.

Een oude techniek, in theorie

De technologie van de supersonische stuwstraalmotor of scramjet is niet nieuw. Die is al bijna vijftig jaar bekend, maar er spelen zoveel complexe factoren mee dat het tot nu toe bij experimenten bleef. “Vanuit geometrisch oogpunt is een scramjet eigenlijk best eenvoudig. Het is een simpele buis met gaten erin. Maar om die te laten werken, moet je heel wat kunnen controleren: de warmte, de weerstand aan de luchtdruk, de afvoer van de vloeistoffen. We zitten nog in een onderzoeksstadium, maar de laatste jaren hebben we flink wat vooruitgang geboekt, onder meer dankzij krachtigere berekeningen. Daardoor boeken we sneller progressie dan twintig jaar geleden.”

In tegenstelling tot de klassieke straalmotor van een raket gebruikt een scramjet de aanwezige lucht in de atmosfeer om te functioneren, zoals een auto. Alleen vindt de verbranding plaats bij supersonische snelheid (verschillende keren de snelheid van het geluid), en juist daar zit het probleem. Niet alle brandstoffen verbranden snel genoeg om een snelheid van bijna 8.000 km/u te verzekeren. Maar dat is niet alles. Er moeten ook materialen ontwikkeld worden die bestand zijn tegen de warmte die vrijkomt door de wrijving met de lucht, en dan zijn er nog een aantal mechanische vereisten. Ten slotte kan een dergelijke motor slechts werken bij een supersonische snelheid, terwijl hij die snelheid zelf niet kan bereiken. Hij moet dus gelanceerd worden door een klassieke raket en minstens Mach 5 bereiken voor hij die ongelooflijke snelheid kan houden of verhogen gedurende een lang traject.

Tot zover de technische moeilijkheden. Wat zijn dan de voordelen? Een scramjet is duidelijk sneller, maar ook stabieler, lichter, beter bestuurbaar en zuiniger. Daardoor kan hij veel langere afstanden afleggen dan een ‘normale’ raket, die zich bovendien alleen verticaal kan verplaatsen. “De technologie van de supersonische stuwstraalmotor heeft twee concrete toepassingen: satellieten in de ruimte lanceren en passagiers of goederen supersnel vervoeren.”

Klassieke raketten van het type Sojoez of Ariane, die eruitzien als vliegende wolkenkrabbers, verslinden ongelooflijk veel energie. Om een satelliet te lanceren, vreten ze tussen 200 en 250 ton brandstof. “Een raket is eigenlijk vooral een groot reservoir, want meer dan 80% van zijn gewicht komt van de brandstof. Dat betekent enorm hoge kosten, en uiteraard een vervuilende uitstoot in de atmosfeer”, voegt Sandy Tirtey toe. Het gewicht van een satelliet vormt trouwens maar een klein percentage van de totale massa van de raket. “Een satelliet kost grosso modo zijn eigen gewicht in goud. Als we erin slagen om een toestel te ontwikkelen dat het energieverbruik drastisch kan verminderen, zullen de kosten van de aandrijving even sterk dalen. Zo zouden we ook grotere raketten de ruimte in kunnen sturen.”

Concreet moet de scramjet lichter zijn, en vooral efficiënter bij het versnellen. “In de eerste fase brengt een klassieke raket de supersonische stuwstraalmotor tot een snelheid boven Mach 5, want eerder kan hij niet starten. Zodra deze het overneemt, versnelt hij in hoog tempo tot op grote hoogte, om een satelliet te lanceren of een passagiersvlucht te maken. Op die afstand van de aarde is er bijna geen lucht meer, net genoeg om de brandstof te verbranden.” En weinig lucht betekent weinig wrijving, dus ideale omstandigheden om tegen lage kosten een constante supersonische snelheid te behouden, vooral tijdens het stijgen, waarbij er veel brandstof verbruikt wordt.

Eerste verrassende test

We gaan terug naar Noorwegen voor de eerste vlucht van het prototype. Dat is twee meter lang, met een diameter van 35 cm. Vooraan is het erg zwaar; het totale gewicht is 150 kg. Het prototype is ontworpen als een pijl, met kleine vleugels aan beide kanten van de romp achteraan. Dat maakt het moeilijk om een geschikt design te ontwikkelen, maar efficiëntie heeft zijn prijs. De test op ware grootte is bedoeld om de verwachtingen van de ingenieurs te bevestigen (of net niet) en om het team een reeks gegevens te laten verzamelen die cruciaal is voor het vervolg van het avontuur. “Met de vlucht kunnen we onze methodologie bekrachtigen. We confronteren 4 of 5 jaar onderzoek met het empirische, met de verplichte overgang naar de werkelijkheid. Het is essentieel om het zuivere concept snel te toetsen aan de realiteit, want onze tijd is beperkt”, beklemtoont Tirtey.

De scramjet wordt op de derde trap van een raket geplaatst. De eerste twee trappen drijven de raket aan tot op ruim 100 km hoogte. Daar wordt de supersonische stuwstraalmotor afgeworpen. De traagheidskracht doet de rest om het hoogtepunt te bereiken, op meer dan 300 km. Daarna volgt de afdaling, waardoor de gewenste snelheid bereikt wordt om de motor aan te zetten en een vlucht van 2,5 seconden uit te voeren. Dat is genoeg om het gedrag van het toestel te beoordelen en waardevolle vluchtgegevens te registreren.

“Met de vlucht kunnen we onze methodologie bekrachtigen. We confronteren 4 of 5 jaar onderzoek met het empirische, met de verplichte overgang naar de werkelijkheid. Het is essentieel om het zuivere concept snel te toetsen aan de realiteit, want onze tijd is beperkt”

Tot zover de theorie, waarbij meestal alles goed gaat. In de praktijk is de vlucht helaas niet verlopen zoals voorzien. “Bij het vertrek van de raket is een deel van de eerste trap beschadigd geraakt. Daardoor werd de vlucht veel instabieler. We hebben niet de gewenste snelheid of hoogte kunnen bereiken. Na twee minuten was het toestel nog niet waar het moest zijn, maar het is toch in werking getreden en het heeft alle geprogrammeerde functies kunnen uitvoeren.” De tegenslag is niet rechtstreeks toe te schrijven aan het team van Sandy Tirtey, want de draagraket was geleverd door een industriële partner. De technisch directeur laat zich niet ontmoedigen. “We beschouwen het als een technisch succes, want het toestel heeft gefunctioneerd naar behoren. We hebben alle gewenste gegevens verkregen, en ook al beantwoordde de vlucht niet aan onze verwachtingen, ons toestel heeft zich beter gedragen dan we verwacht hadden. Het heeft beter weerstand geboden aan een snelheid en een hoogte die we niet gepland hadden.” Tijd dus om uit te zoeken waarom het toestel zo goed gewerkt heeft, tegen alle verwachtingen in, en ook om het defect te analyseren dat het opstijgen verstoord heeft. “We weten nog niet wie er verantwoordelijk is voor wat er is misgelopen, want we hebben nog niet alle gegevens bekeken, maar we wijzen niemand met de vinger aan. We zijn allemaal partners in dit project, ook al zijn we natuurlijk een beetje teleurgesteld. Om dit prototype te kunnen bouwen in een jaar tijd, hebben we alles op alles gezet. We hebben met 4 of 5 mensen meer dan 12 uur per dag gewerkt, ook in het weekend.” Doorzettingsvermogen en passie zijn hier geen holle woorden. Het team laat zich duidelijk niet zo snel ontmoedigen. De volgende vlucht is nog niet gepland, maar het lijkt onwaarschijnlijk dat het avontuur hier ophoudt. “We moeten nog heel wat dingen regelen. Je moet niet vergeten dat we nog met fundamenteel onderzoek bezig zijn. Dat is absoluut nodig voor we een commerciële activiteit kunnen overwegen. Het kan nog 20 of 25 jaar duren voor er voor het eerst materiaal of passagiers vervoerd kunnen worden.”

In de nabije toekomst zou Virgin Galactic een eerste suborbitale commerciële vlucht organiseren. De opzet en het toestel zijn dan wel verschillend (hier gaat het niet om lange reizen), maar de dynamiek rond de gebeurtenis kan de hele sector alleen maar goeddoen. “We zullen het op de voet volgen, want als het lukt, zou het enthousiasme dat ontstaat ons kunnen helpen om nieuwe fondsen te werven, en dat is van groot belang om verder te kunnen met ons project”, besluit Sandy Tirtey.

facebook.com/ScramspaceOne