Hoe raketmotoren werken in het luchtledige

Vogels vliegen door met hun vleugels door de lucht te slaan, vissen zwemmen door hun vinnen en staart tegen het water te duwen en de mens zet zich af tegen de grond om vooruit te komen. Maar hoe komen raketten dan vooruit in het luchtledige?

Raketten kunnen in een vacuüm versnellen, vertragen en manoeuvreren door gebruik te maken van de natuurwet die wordt beschreven in de bewegingswetten van Newton alsook in de wet van behoud van impuls.

Een raketmotor werkt door iets met massa ‘uit te spuwen’ met een zeer hoge snelheid. Deze massa wordt ‘propellant’ genoemd. Het ruimtevaartuig beweegt in de tegenovergestelde richting waaruit het verbrande propellant vrijkomt. Dit is te vergelijken met de terugslag van een wapen als gevolg van een snel wegvliegende kogel.

Raketten bestaan grotendeels uit brandstof. Hier schuilt een ander probleem dat vaak door Platte Aarders naar voren wordt geschoven. In een vacuüm is er geen lucht en dus ook geen zuurstof. Er wordt gesteld dat het onmogelijk is om in het luchtledige verbranding te krijgen vanwege deze afwezigheid. Om dit probleem op te lossen, moeten raketten naast brandstof ook een eigen oxidator (zuurstof) meenemen.

Raketten kunnen ook elektrisch worden aangedreven door ionenmotoren. In ionenmotoren kunnen raketten via zonnepanelen energie van de zon gebruiken en hiermee de motor aandrijven. Het ‘stuwgas’ moet echter nog steeds vervoerd worden. Een populair stuwgas is xenongas. Het vermogen dat wordt opgewekt door ionenmotoren is relatief klein en lanceringen vanaf het aardoppervlak zijn dus onmogelijk met dit soort motor. Maar ze kunnen ingezet worden nadat het ruimtevaartuig zich in een baan om de aarde bevindt, waar slechts een relatief kleine hoeveelheid kracht nodig is om het ruimtevaartuig in de gewenste baan of positie te brengen. Indien een ionenmotor langdurig wordt ingezet kan een enorme snelheid bekomen worden met weinig ‘brandstof’. De snelheid van bijvoorbeeld de satelliet Deep Space 1 nam toe met 4,4 km per seconde door slechts 81,5 kg af te vuren!

Referencies

Credit

  • Gebruikte afbeelding: WALL-E, © Disney & Pixar.

Gebogen rakettraject

Raketten vliegen niet loodrecht omhoog tot ze de dampkring verlaten maar volgen een gebogen traject wanneer ze zichzelf de ruimte in lanceren. Dit omdat hun doel niet alleen is om daar te geraken, maar ook om in een baan om de aarde terecht te komen en te blijven. In een baan om de aarde hebben raketten voldoende snelheid om de zwaartekracht van de aarde tegen te gaan en hebben ze niet veel energie nodig om in die baan te blijven zonder neer te storten. Maar om een baan om de aarde te bereiken, moet een raket een voldoende hoge horizontale snelheid bekomen.

Platte Aarders beweren dat het gebogen traject van een raketlancering ons vertelt dat geen enkele raket ooit de ruimte heeft bereikt. Ze hebben het mis. Het gebogen traject is een manier voor raketten om in een baan om de aarde terecht te komen.

Zo ver is de ruimte trouwens niet. Hoger dan 80 à 100 km boven het aardoppervlak wordt reeds als de ruimte beschouwd. Het bereiken van de ruimte is het gemakkelijkste deel. Een voldoende hoge horizontale snelheid bereiken om niet neer te storten echter is een ander paar mouwen.

Door rond de aarde te draaien, kan een ruimtevaartuig zijn stuwraketten stopzetten en daar heel lang blijven. Op basis van een simulatie zal een object van 100 kg met een doorsnede van 1 m², indien geplaatst in een baan ter hoogte van 300 km, pas na 46 dagen op de aarde neerstorten. En dit zonder extra brandstof te gebruiken.

De meest efficiënte manier om een stabiele baan te bereiken, is door aanvankelijk recht omhoog te vliegen om de luchtweerstand te verminderen, vervolgens langzaam te kantelen en steeds minder steil te vliegen totdat de raket evenwijdig vliegt aan het aardoppervlak.

Als de raket recht omhoog zou (blijven) schieten, zou hij sneller de ruimte bereiken met minder energie. Maar op deze manier is er niet genoeg horizontale snelheid om in een baan terecht te komen. De raket zou continu energie moeten verbruiken om daar te blijven. En zodra de brandstof op is, zal de raket maar al te snel weer bij zijn vertrekpunt zijn.

Dit is geen ‘rocket science’.