Slaagt de valk in wat het veer nooit kon?

Transcriptie

1 Slaagt de valk in wat het veer nooit kon? Vooruitblik op de historische ruimtevlucht van SpaceX door Kevin Nys We staan op een keerpunt in de geschiedenis van de ruimtevaart, nu het Amerikaanse ruimteveer op stal is gezet en enkel Rusland mensen de ruimte kan insturen, zijn alle ogen gericht op de commerciële sector. Bedrijven die duurzame en betrouwbare vaartuigen beloven tegen een zelfs naar ruimtevaartnormen bescheiden kostenplaatje, ze worden steeds talrijker. Space Exploration Technologies Corporation (kortweg SpaceX) van voormalig PayPaloprichter Elon Musk is tot op heden misschien wel de beste leerling van de klas. Met hun volledig binnenshuis ontworpen raketfamilie Falcon (valk) ambiëren ze op relatief korte termijn bemande reizen naar het ISS, de maan en zelfs Mars, zonder dat dit afdoet aan veiligheid of kostprijs. Nog dit voorjaar is het uitkijken naar een demovlucht waarbij SpaceX hun capsule zal proberen te koppelen aan het internationale ruimtestation ISS. Op termijn zullen het echter hun volledig(!) herbruikbare systemen zijn die ervoor zorgen dat bemande ruimtevaart eindelijk routine wordt, een belofte die het spaceshuttleprogramma nooit heeft kunnen waarmaken. Zal de valk slagen in wat het veer nooit kon? Exit spaceshuttle Mission complete, Houston. After serving the world for over 30 years, the space shuttle has earned its place in history. It s come to a final stop Met deze historische woorden besloot Chris Ferguson, commandant van de allerlaatste missie, een tijdperk van 30 jaar. Een bijzonder waardevolle periode die ons enerzijds deed dromen maar anderzijds ook een uiterst belangrijke les leerde doordat we soms de pijnlijke realiteit onder ogen moesten zien. Het verhaal van de ruimteveren begon reeds in de late jaren 60. Nog voor de maanlandingen plaats vonden werd er bij de NASA gedacht aan een opvolger voor de Apollo-capsules en de Saturn raketfamilie. Het nieuwe systeem zou volledig herbruikbaar moeten zijn zodat missies elkaar in sneltempo zouden kunnen opvolgen. Vooral de eerste eis bleek al heel snel een illusie te zijn, en toen het ontwerp van het ruimteveer steeds meer vorm kreeg werd ook duidelijk dat het kostenplaatje danig zou oplopen. Dankzij grote kapitaalinjecties van de Amerikaanse overheid én het baanbrekend werk dat werd verricht door ingenieurs en technici van het ruimtevaartbureau, werd er toch doorgezet. En na heel wat tests met een replica (de Enterprise) stond op 12 april 1981 de eerste ruimtewaardige spaceshuttle Columbia vertrekkensklaar. Een unieke combinatie van een externe brandstoftank, twee opduwraketten en een gevleugelde bemanningscapsule zorgen ervoor dat het ruimteveer gelanceerd wordt als een gewone raket, maar landt als een lijnvliegtuig. 30 jaar geleden was dit misschien een futuristisch beeld maar tot op vandaag, misschien wel

2 Een nachtelijke lancering van het ruimteveer Discovery het grootste technische mirakel ooit. Echter zijn ingenieuze complexiteit bleek ook meteen de zwakte te zijn van het systeem, technische problemen waren dan ook nooit ver weg in de laatste uren voor elke lancering. Het ruimteveer bleek fragieler te zijn dan oorspronkelijk gedacht, en één defect radertje kon ervoor zorgen dat de tijd stil bleef staan. Op 28 januari 1986 explodeerde de Challenger 73 seconden na de lancering, met aan boord 7 astronauten waaronder lerares Christa McAuliffe die de eerste burger in de ruimte zou worden. En ook op 1 februari 2003 sloeg het noodlot toe, toen 16 minuten voor de landing de Columbia desintegreerde boven Texas, ook bij deze ramp lieten 7 mensen het leven. Toch mogen we ook niet vergeten te erkennen dat de Amerikaanse ruimteveren een ongelooflijke erfenis nalaten. Tal van wetenschappelijke onderzoeksmissies droegen bij tot onze huidige kennis over het heelal, de Hubble-ruimtetelescoop werd uitgezet in een baan om de aarde en zorgt nog steeds voor wondermooie beelden van ons universum, en het internationale ruimtestation (dat sinds 2000 permanent bemand is) werd grotendeels dankzij de spaceshuttles geconstrueerd. Over 30 jaar vonden er 135 missies plaats waarvan er twee faliekant afliepen, het waren er echter twee te veel De opvolging verzekerd??! Al in 2004, een jaar na het ongeluk met de Columbia, werd een nieuwe weg voor de NASA uitgetekend. In zijn Vision for Space Exploration verplichtte toenmalig Amerikaans president George Bush Jr. het ruimtevaartagentschap om na de assemblage van het ISS, de shuttles op pensioen te stellen. Daarnaast moesten ze werken aan een draagraket en een capsule die tegen 2020 een Amerikaanse maanbasis zouden moeten verzekeren. Tegelijkertijd zou de commerciële sector gesteund en begeleid moeten worden door de NASA om hen op termijn bij te staan in het transport van vracht naar het ruimtestation. Het Constellation-programma was geboren, en al snel werden twee splinternieuwe draagraketten Ares I en Ares V en een bemanningscapsule Orion voorgesteld aan het publiek. Maar echte vooruitgang kwam er niet, het budget van de NASA was ondertussen al fel gekrompen en het meeste geld werd nog steeds besteed aan de shuttlemissies. Met als gevolg dat na enkele jaren enkel een groot budget was opgesoupeerd zonder dat er een vooruitzicht was op betrouwbare systemen die het ruimteveer konden vervangen. Het tij keerde echter toen huidig Ares I en Ares V, de draagraketten van Constellation president Barack Obama verkozen geraakte en het over een andere boeg gooide. De tijd van nodeloos geld uitgeven was voorbij en het Constellation-programma werd dan ook geschrapt. Het budget van de NASA werd licht verhoogd, wat het agentschap in staat moet stellen om een nieuwe zware draagraket te ontwerpen die astronauten tegen 2030

3 naar Mars kan brengen. De bestemming maan werd geschrapt en enkel de Orion-bemanningscapsule mocht verder worden uitgewerkt. En tot slot zouden enkel commerciële bedrijven zorgen voor het transport van Amerikanen naar het internationale ruimtestation, weliswaar onder supervisie van de NASA. SpaceX gevestigd in Hawthorne, Californië, kreeg in 2006 al eens een aanzienlijk sponsorbedrag om een concept uit te werken zodanig dat het bedrijf na het spaceshuttletijdperk mee kon voorzien in het aanvoeren van vracht. In 2008 dan werd er reeds een contract van goed 1 miljard euro ondertekend waarbij het Amerikaanse ruimtevaartagentschap opdracht gaf tot 12 cargovluchten naar het ISS. De testvlucht die er nu staat aan te komen zal trouwens de laatste vlucht zijn vooraleer het bedrijf later dit jaar de eerste missie van zijn overeenkomst lanceert. Door het plan van Obama komt daar echter nog een opdracht bij, want sinds 2011 is SpaceX ook geselecteerd om in de nabije toekomst Amerikaanse astronauten naar het ruimtestation te vervoeren. Drukke tijden voor één van de snelst groeiende ruimtevaartbedrijven in de VS Het (succes)verhaal van de valk en de draak SpaceX, dat pas 10 jaar geleden werd opgestart met het eigen vermogen van huidig CEO Elon Musk, staat vandaag op eenzame hoogte wat prestaties betreft. Andere commerciële bedrijven moeten hun eerste testvlucht nog uitvoeren of sleutelen nog steeds aan het ontwerp. Vaak gaat het ook om firma s die enkel een ruimtecapsule ontwikkelen en voor de lancering opteren voor bekende raketsystemen als Atlas of Delta. Bij SpaceX gaat het er echter volledig anders aan toe. Een jong team van ingenieurs en technici ging in 2005 aan de slag met het ontwerpen van een betrouwbaar en tegelijk goedkoop systeem om zowel vracht als bemanning naar een baan om de aarde te brengen. Het resultaat werd de draagraket Falcon 9 en de ruimtecapsule Dragon, beiden volledig binnenshuis ontworpen en getest. De F9 is een tweetrapslanceersysteem dat ontwikkeld werd met het oog op herbruikbaarheid om de kostprijs minimaal te houden. De eerste trap bestaat uit 9, volledig door SpaceX ontworpen, Merlinmotoren die werken op vloeibare zuurstof en kerosine, voor de buitenbekleding werd gekozen voor een hoogwaardige aluminiumlithium-legering. De tweede trap die het grootste deel van de lancering voor zijn rekening neemt (6 van de 9 minuten) werkt CEO Elon Musk poseert trots bij "zijn" Falcon 9 op slechts één motor, weliswaar van hetzelfde type als die van de eerste trap. Deze is echter uitgerust met twee parallelle ontstekingsmechanisme zodat bij het uitvallen van één van beide systemen de tweede trap nog steeds kan gestart worden en de capsule veilig kan worden afgezet in een aardbaan. Hetzelfde principe werd toegepast voor de vluchtcomputers, deze werden zelfs met 3 parallel geschakeld om de veiligheid te optimaliseren. Daarnaast zijn er nog twee belangrijke aspecten die de raket betrouwbaar maken: enerzijds is er de keuze voor 9 motoren in de eerste trap en anderzijds het zogenaamde hold-before-release (HBR) systeem. In principe zou de raket perfect gelanceerd kunnen worden met 8 motoren maar SpaceX koos ervoor om eentje extra te installeren zodat ook het uitvallen van een motor geen probleem vormt om alsnog in de ruimte te geraken. Daarnaast wordt er bij elke lancering ook gebruik gemaakt van het geïntegreerde HBR-systeem: wanneer de

4 motoren gestart zijn, gaat een computerprogramma na of alle vluchtsystemen naar behoren werken en of alle druk- en temperatuurmetingen binnen de normen vallen, pas als dat ook zo effectief blijkt te zijn wordt het commando gegeven om de raket los te laten. De ontwikkeling van de Dragon-capsule startte net als die van de Falcon 9 in 2005, maar al na zijn eerste vlucht in 2010 bleek dat SpaceX geen half werk geleverd had. De Dragon werd namelijk het eerste commerciële ruimtetuig dat erin slaagde om door de dampkring te breken, en aan parachutes in de Stille Oceaan te landen. Het gaat hier om een kegelvormige capsule die 6 ton vracht of 7 personen naar een lage baan om de aarde kan brengen. De belangrijkste onderdelen van het ruimtetuig zijn ongetwijfeld het koppelingsmechanisme voor de Amerikaanse modules van het ISS, 18 zogenaamde Draco-stuwraketjes om te manoeuvreren in de ruimte en uiteraard het PICA-X hitteschild. De bescherming voor de terugkeer in onze atmosfeer is gebaseerd op het PICA materiaal dat door de NASA werd ontworpen, maar werd door SpaceX verder uitgewerkt tot een goedkoop hitteschild dat verschillende keren de terugkeer kan doorstaan (de Russische Soyuz kan slechts eenmaal gebruikt worden). De Dragon, met bovenaan de klokvormige terugkeercapsule en onderaan de servicemodule met alle systemen en zonnepanelen. De demovluchten SpaceX zette enkele jaren geleden al de toon, wanneer hun Falcon 1 als eerste commercieel vervaardigde raket een vracht wist uit te zetten in een baan om de aarde. Nu ging het echter om een veel zwaardere en meer gesofisticeerde draagraket. Falcon 9 heeft namelijk 9 motoren en is technisch gezien een waar meesterwerk, althans voor een zeer jong bedrijf waarvan het personeelsaantal tussen 2002 en 2011 met ca werknemers toenam. Maar de inzet en het lange wachten werd beloond op 4 juni Een eerste poging werd verhinderd door een defecte sensor, maar anderhalf uur later om 16:45u Belgische tijd kwamen de 9 motoren van de eerste trap brullend tot leven. De vluchtingenieurs die vlakbij in het controlecentrum de vlucht coördineerden hielden hun adem in, toen de raket loskwam van het lanceerplatform op Cape Canaveral in Florida. Het gevaarte schoot echter probleemloos als een naald de lucht in. Na bijna 3 minuten werd de volledig leeg gebrande eerste trap afgeworpen en werd de tweede trap succesvol tot ontsteking gebracht. Nog eens 6 minuten later was een testmodel van de Dragon-ruimtecapsule in een baan om de aarde. En ondanks enkele kleine onvolmaaktheden tijdens de vlucht (één van de parachutes die de eerste rakettrap zachtjes in de oceaan moesten doen landen weigerde dienst en de tweede trap ondervond een onverklaarbare spinbeweging) mocht SpaceX terecht spreken van een succesvolle eerste vlucht. Al een half jaar later, op 8 december 2010, vond dan de eerste demomissie onder NASA-vlag plaats. De Falcon 9 werd licht bijgewerkt om de foutjes van de eerste vlucht eruit te halen en voor het eerst zou een echte Dragon-capsule de ruimte in worden gestuurd. Het Amerikaanse ruimtevaartagentschap en president Obama keken hoopvol toe (aangezien dit een grote test was voor de nieuwe koers die was uitgezet) terwijl de F9 een tweede keer succesvol de ruimte in schoot. Er was echter geen enkele reden tot ongerustheid want de Dragon werd met grote precisie in een bijna cirkelvormige baan afgezet, maakte onmiddellijk contact met de satellieten van de NASA en slaagde erin om perfect te manoeuvreren in de ruimte. Na 2 rondjes om onze planeet en de nodige verificaties dat het ruimtetuig volledig naar behoren functioneerde, werd de capsule terug door de dampkring gehaald. Bange momenten voor het SpaceX-team dat zich afvroeg of het hitteschild

5 de hitte zou kunnen weerstaan en of de parachutes zouden opengaan Echter 3 uur en 20 minuten na de lancering daalde een bijna ongeschonden Dragon aan perfect werkende parachutes neer in de Stille Oceaan, op slechts 800m van het target. Met deze prestatie werd SpaceX het eerste commerciële bedrijf dat erin slaagde om hun eigen capsule een volledig geslaagde re-entry te maken in onze atmosfeer. De tweede lancering van een Falcon 9 met de eerste Dragon-capsule De echte grote test Ondertussen heeft het bedrijf ons laten zien dat ze zelfstandig een ruimtecapsule kunnen lanceren en laten landen op zee. Er is echter nog één belangrijke doelstelling die getest moet worden: de koppeling met het internationale ruimtestation ISS. Als dat zou lukken zijn alle 40 doelstellingen voltooid die SpaceX onder het NASA-programma moet uitvoeren. En zo zou het bedrijf later dit jaar kunnen starten aan de echte bevoorradingsmissies naar het ruimtestation. Maar zover zijn we nog lang niet want het missieschema is zeer strak opgesteld en er is geen marge voor fouten, de NASA kijkt dan ook streng toe. De missie start met de lancering van de Falcon 9 vanaf Cape Canaveral in Florida en wanneer deze slaagt komt een eerste grote doelstelling opzetten. Slechts luttele minuten nadat de Dragon-capsule is afgezet in een baan om de aarde moeten de zonnepanelen zicht ontplooien, zodat het hele ruimtevaartuig van stroom kan voorzien worden. Daarna zal het ongeveer een dag duren om bij het ISS te geraken, waar de capsule tot op 2,5km zal naderen zodat er een eerste contact plaats vindt tussen de astronauten van het ruimtestation en de onbemande capsule. Vervolgens zal de Dragon in een grote loop rond het ISS vliegen, om alle manoeuvreersystemen te testen. Pas op de derde dag vindt de koppeling plaats, een procedure die ongeveer 8 uur zal duren. Want eerst zal de capsule verschillende commando s krijgen van zowel de grond als de

6 ISS-bemanning. Pas wanneer alle tests vlot verlopen en het ruimtetuig naar behoren functioneert, kan de koppeling ingezet worden. De Dragon zal dan geleidelijk naar een punt op 10 meter van het station gebracht worden, waar hij door de astronauten met de robotarm zal vastgegrepen worden. Vanaf een afstand van 2,5km is Mission Control Hawthorne (SpaceX) niet meer bevoegd en worden alle beslissingen door Houston genomen om de veiligheid van de bemanning aan boord te garanderen. Als alles volgens schema verloopt zal de Dragon 18 dagen gekoppeld blijven met het ISS. Daarna zal hij met de robotarm worden losgelaten en na enkele uren een duik maken in onze dampkring waarna hij aan parachutes in de Stille Oceaan terecht zal komen. Elon Musk, CEO van SpaceX, beschreef de missie als een perfect haalbaar doel, maar vroeg wel om ook realistisch te blijven aangezien dit nog steeds testvluchten zijn en er dus nog steeds heel wat risico s aan verbonden blijven. Een grafische voorstelling van hoe de koppeling er zou uitzien De bestemming Het is dus nog lang niet zeker of de Falcon 9 ooit een curriculum zal vergaren als dat van de spaceshuttle, en ook over de betrouwbaarheid van de systemen is na twee vluchten nog helemaal niets gezegd. Toch is het alvast bewonderenswaardig dat een jong bedrijf in staat is om zulke ingenieuze systemen volledig te ontwerpen en te testen, en zich op dit moment voorbereidt op een cruciale missie. Een valk en een draak, op dit moment nog in hun kinderschoenen, maar met de uiteindelijke bestemming om mensen de ruimte in te brengen, en toe te geven aan onze allesoverheersende exploratiedrang. Of zoals Russisch ruimtepionier Konstantin Tsiolkovsky het zou verwoorden: A planet is the cradle of mind, but one cannot live in a cradle forever. Kevin Nys voor :00u CET