Motorherontsteking: hoe raketmotoren tijdens de vlucht opnieuw aanslaan
Stel je een gasfornuis voor dat je aanzet, na een minuut uitzet, en tien minuten later weer moet laten branden zonder dat er iemand bij staat om de knop om te draaien of de vlam aan te steken. Dat klinkt eenvoudig, maar in de vrieskou en het vacuüm van de ruimte, met brandstoffen die honderden graden onder nul zijn, is dat precies de uitdaging waar raketmotoren voor staan. Motorherontsteking is het vermogen van een raketmotor om, nadat hij is uitgeschakeld, tijdens dezelfde missie opnieuw en betrouwbaar te ontsteken.
Dit lijkt een technisch detail, maar het is een van de sleuteltechnologieën achter twee grote ontwikkelingen in de ruimtevaart: herbruikbare raketten die rechtop landen, en missies die met één raket meerdere manoeuvres in de ruimte uitvoeren. Zonder herontsteking zou een Falcon 9-trap van SpaceX niet kunnen terugkeren en landen, en zou een satelliet niet in verschillende stappen naar zijn uiteindelijke baan gebracht kunnen worden. Het is, kortom, een onopvallende maar cruciale schakel tussen "een raket lanceren" en "een raket besturen".
Wat is het precies?
Een raketmotor verbrandt brandstof en een oxidator (de stof die de verbranding mogelijk maakt, omdat er in de ruimte geen zuurstof uit de lucht beschikbaar is) om hete gassen met hoge snelheid uit te stoten. Die uitstoot levert de stuwkracht. Bij de eerste ontsteking, vlak voor lancering, gebeurt dat proces onder gecontroleerde omstandigheden op de grond, met uitgebreide veiligheidssystemen eromheen. Een herontsteking moet hetzelfde resultaat behalen, maar dan in het luchtledige, bij extreme temperaturen, zonder toegang van monteurs en vaak terwijl de motor nog nagloeit of juist bevroren is.
Er zijn grofweg twee manieren om een motor te ontsteken. Bij hypergolische brandstoffen ontbranden brandstof en oxidator vanzelf zodra ze met elkaar in contact komen; er is dus geen aparte ontstekingsbron nodig, wat herontsteking relatief eenvoudig maakt. Dit was bijvoorbeeld het principe achter de motor van de Apollo-maanlander. Bij andere brandstofcombinaties, zoals kerosine met zuurstof of methaan met zuurstof, is een externe ontstekingsbron nodig: een vonk, een klein pyrotechnisch element, of een chemisch mengsel dat vanzelf ontbrandt zodra het de brandstofstroom raakt.
Voor dat laatste gebruikte SpaceX lange tijd een vloeistof genaamd TEA-TEB (een mengsel van triethylaluminium en triethylboraan), die spontaan ontbrandt zodra hij in contact komt met zuurstof. Elke herontsteking kost een kleine hoeveelheid van deze vloeistof, wat betekent dat het aantal herontstekingen tijdens een missie vooraf beperkt en gepland moet worden. Modernere motoren, zoals de Raptor-motor van SpaceX, gebruiken in plaats daarvan kleine "vonkontsteker-fakkels": mini-verbrandingskamers die telkens opnieuw een vonk en een beetje brandstof samenbrengen, waardoor er in principe veel vaker herontstoken kan worden zonder dat er een aparte, eindige voorraad ontstekingsvloeistof nodig is.
Naast de ontstekingsbron moet ook de toevoer van brandstof en oxidator naar de verbrandingskamer opnieuw op gang komen, via kleppen en pompen die soms al urenlang stil hebben gelegen in de kou van de ruimte. Bij cryogene brandstoffen zoals vloeibare waterstof of vloeibare zuurstof (die worden bewaard bij temperaturen van pak 'm beet -183 tot -253 graden Celsius) is dat extra lastig, omdat leidingen kunnen bevriezen of brandstof kan verdampen ("boil-off") tussen twee brandmomenten in.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is kostenbesparing door herbruikbaarheid. Een raket die na de lancering rechtop terug de aarde op landt, moet tijdens die terugkeer meerdere keren de motor aan- en uitzetten: een keer om de vaart te temperen en terug te sturen richting landingsplek, een keer om af te remmen bij het binnenkomen van de dichtere atmosfeer, en een laatste keer vlak boven de grond om zachtjes te landen. Zonder herontsteking is zo'n gecontroleerde terugkeer onmogelijk.
Een tweede doel is flexibiliteit in de ruimte. Satellieten moeten vaak niet in één rechte lijn, maar via een aantal tussenstappen naar hun uiteindelijke baan worden gebracht. Een bovenste trap van een raket voert dan een eerste brandfase uit om in een tussenbaan te komen, wacht soms uren in de ruimte, en ontsteekt daarna opnieuw om de satelliet naar zijn definitieve baan te brengen. Dat maakt het mogelijk om met één lancering meerdere satellieten naar verschillende banen te brengen, of om zwaardere ladingen efficiënter naar een hoge baan te tillen.
Tot slot is herontsteking onmisbaar voor missies voorbij de baan om de aarde, zoals een landing op de maan. Een maanlander moet remmen om te landen en later weer optrekken om terug te keren, allemaal met dezelfde of vergelijkbare motoren die na een periode van stilstand feilloos moeten heraansteken.
Voorbeelden uit de praktijk
De RL10-motor, oorspronkelijk ontwikkeld door Pratt & Whitney en sinds de jaren zestig gebruikt op de Centaur-bovenstrap, geldt als een van de eerste motoren die betrouwbaar meerdere keren in de ruimte kon herontsteken. Deze op vloeibare waterstof en zuurstof draaiende motor wordt nog altijd ingezet, onder meer op de Vulcan Centaur-raket van United Launch Alliance en op NASA's Space Launch System, en heeft in decennia van vluchten een indrukwekkend trackrecord opgebouwd.
De Merlin-motor van SpaceX, die de eerste trap van de Falcon 9 aandrijft, ontsteekt tijdens een landingspoging meerdere keren na de hoofdbrandfase: voor de terugkeerburn, de intredeburn door de atmosfeer, en de laatste landingsburn. De eerste geslaagde landing van een Falcon 9-trap vond plaats in december 2015, en sindsdien is dit herbruikbaarheidsproces via herhaalde herontsteking uitgegroeid tot een routinematig onderdeel van vrijwel elke Falcon 9-lancering.
De Raptor-motor, eveneens van SpaceX en gebruikt op de Starship- en Super Heavy-raketten, draait op methaan en zuurstof en is ontworpen volgens het zogeheten full-flow staged combustion-principe, een complexe maar efficiënte manier om brandstof te verbranden. Raptor gebruikt vonkfakkel-ontstekers die in principe een groot aantal herontstekingen toelaten, wat nodig is voor het herhaaldelijk landen en hergebruiken van zowel de booster als het bovenste voertuig.
De BE-4-motor van Blue Origin, eveneens op methaan en zuurstof, is ontworpen voor herbruikbaarheid bij zowel de New Glenn-raket van Blue Origin zelf als de Vulcan Centaur-raket van ULA, en moet net als Raptor meerdere keren kunnen herontsteken tijdens een landingsmanoeuvre.
Bij de Apollo-maanlandingen (1969-1972) gebruikte de afdaalmotor van de maanlander hypergolische brandstoffen, die vanzelf ontbranden bij contact en dus geen aparte ontstekingsbron nodig hadden; dat maakte het ontwerp eenvoudiger en betrouwbaarder voor een missie waarbij falen geen optie was.
Hoe ver is de techniek?
Voor traditionele brandstofcombinaties zoals waterstof-zuurstof en hypergolische mengsels is herontsteking een volwassen, decennialang beproefde technologie: de RL10 vliegt al sinds de jaren zestig en heeft een lange staat van dienst. Voor de nieuwere generatie methaan-zuurstofmotoren, zoals Raptor en BE-4, ligt dat anders. Deze motoren zijn technisch complexer en worden pas sinds de jaren 2020 op grote schaal getest en operationeel ingezet, met bijbehorende kinderziektes.
Bij testvluchten van Starship zijn er meerdere incidenten geweest waarbij motoren tijdens de vlucht niet, niet volledig, of niet op tijd herontstaken, wat leidde tot verlies van het voertuig of het missen van geplande manoeuvres. SpaceX werkt dit soort problemen stap voor stap weg via een iteratief ontwikkelproces van veelvuldig testen, falen en aanpassen. Het aantal geslaagde herontstekingen per vlucht neemt gestaag toe, maar volledige betrouwbaarheid, vergelijkbaar met die van de Merlin-motor, is voor deze nieuwere motoren nog niet vanzelfsprekend.
Ook bij bestaande, beproefde motoren blijft herontsteking een kritiek en soms kwetsbaar onderdeel: kleine afwijkingen in temperatuur, druk of brandstofniveau kunnen het verschil maken tussen een geslaagde en een mislukte herontsteking, en dat is precies waarom fabrikanten uitgebreide test- en validatieprogramma's blijven uitvoeren voor elke nieuwe motorversie.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn SpaceX, Blue Origin en Aerojet Rocketdyne (onderdeel van L3Harris, bouwer van de RL10) de belangrijkste private partijen. United Launch Alliance, een samenwerking tussen Boeing en Lockheed Martin, integreert deze motoren in zijn raketten. NASA financiert en gebruikt herontstekingstechnologie onder meer voor het Space Launch System en toekomstige maanmissies binnen het Artemis-programma.
In Europa ontwikkelt ArianeGroup, in opdracht van het Europees Ruimteagentschap (ESA), de Vinci-motor voor de bovenste trap van de Ariane 6-raket, die eveneens meerdere keren moet kunnen herontsteken om satellieten flexibel in verschillende banen te plaatsen. Daarnaast werken onderzoeksinstituten zoals het Duitse ruimtevaartcentrum DLR aan fundamenteel onderzoek naar verbranding en ontstekingsprocessen die deze technologieën onderbouwen.
Ook China investeert fors in herbruikbare raketten met herontstekende motoren, onder meer via staatsbedrijf CASC en private spelers zoals LandSpace en iSpace, die experimenteren met methaan-zuurstofmotoren naar het voorbeeld van Raptor en BE-4.