Tweetraps raket: waarom ruimtevaart in fases werkt
Een tweetrapsraket is een raket die uit twee losse delen bestaat, elk met een eigen motor en eigen brandstoftank. Zodra de eerste trap zijn brandstof heeft verbruikt, koppelt hij los en valt terug naar de aarde, waarna de tweede trap de reis afmaakt. Het is te vergelijken met een estafetteloper die het stokje overdraagt: de eerste loper heeft alle kracht gebruikt om op snelheid te komen, maar hoeft die snelheid niet zelf vast te houden tot de finish. Door het gewicht van de uitgeputte eerste trap af te werpen, hoeft de tweede trap veel minder massa te versnellen en kan de raket alsnog de benodigde snelheid halen om in een baan om de aarde te komen.
Dit klinkt als een omweg, maar het is juist de sleutel die ruimtevaart praktisch mogelijk maakte. Een raket die in één stuk genoeg brandstof zou moeten meenemen om vanaf de grond een baan om de aarde te bereiken, zou een torenhoge, extreem zware constructie zijn waarvan het grootste deel van het gewicht bestaat uit lege tanks die je toch mee moet blijven versnellen. Door de raket in trappen op te knippen, gooi je dat dode gewicht onderweg weg. Vrijwel elke raket die ooit een satelliet, ruimtestation of astronaut de ruimte in heeft gebracht, gebruikt dit principe — vaak zelfs met drie trappen in plaats van twee.
Wat is het precies?
Het probleem waar een tweetrapsraket een oplossing voor is, heet de raketvergelijking: om sneller te gaan, moet een raket brandstof verbranden en die als hete gassen naar achteren uitstoten. Maar die brandstof moet je wel meeslepen tot het moment dat je hem verbruikt, en dat kost weer extra brandstof. Hoe hoger de gewenste snelheid, hoe explosiever de hoeveelheid brandstof toeneemt die nodig is — bij een enkele trap loopt dat al snel vast op onwerkbare, torenhoge massa's.
Een tweetrapsraket doorbreekt dit door de reis op te delen. De eerste trap is het grootste en zwaarste deel: hij bevat de meeste brandstof en de krachtigste motoren, en zorgt voor de eerste, meest energie-intensieve fase van de vlucht, vanaf de lancering tot een hoogte van doorgaans enkele tientallen kilometers. Zodra zijn tanks leeg zijn, is de trap nutteloos geworden en wordt hij afgestoten (in het Engels 'staging' genoemd).
Daarna neemt de tweede trap het over, met een kleinere, vaak voor het luchtledige geoptimaliseerde motor. Omdat deze trap al op grote hoogte en snelheid begint, en bovendien geen dode massa van de eerste trap meer hoeft mee te trekken, kan hij met relatief weinig brandstof de resterende snelheid — vaak zo'n 7,8 kilometer per seconde om in een baan om de aarde te blijven — bij elkaar brengen.
Sommige raketten gebruiken drie of meer trappen voor missies die nog meer snelheid vergen, zoals een reis naar de maan. Het aantal trappen is een afweging: elke extra trap voegt complexiteit en foutrisico toe (elke koppeling en scheiding kan mislukken), maar levert ook meer prestaties op per kilo raket.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel: zoveel mogelijk nuttige lading — een satelliet, een ruimtecapsule met astronauten, wetenschappelijke instrumenten — met zo min mogelijk verspilling de ruimte in krijgen. Trapsgewijs lanceren is decennialang de enige praktisch haalbare manier gebleken om de enorme snelheden te bereiken die nodig zijn om de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen.
Daarnaast speelt kostenefficiëntie een steeds grotere rol. Traditioneel waren raketten wegwerpproducten: na gebruik stortte elke trap in zee of verbrandde in de atmosfeer. Sinds de jaren 2010 richt een deel van de industrie zich op het terugwinnen en hergebruiken van vooral de eerste trap, omdat die het duurste onderdeel is. Het idee is dat een herbruikbare eerste trap de kosten per lancering drastisch kan verlagen, vergelijkbaar met het verschil tussen een wegwerpvliegtuig en een vliegtuig dat na elke vlucht opnieuw kan opstijgen.
Voorbeelden uit de praktijk
De geschiedenis van de ruimtevaart is doorspekt met tweetraps- en meertrapsraketten. Enkele bekende voorbeelden:
- Saturn V (1967-1973) — de drietrapsraket van NASA die de Apollo-astronauten naar de maan bracht, tot op heden de krachtigste raket die ooit succesvol is gevlogen.
- Sojoez (sinds 1966) — de Russische (voorheen Sovjet-) raketfamilie, oorspronkelijk ontwikkeld uit een intercontinentale raket, die al decennia betrouwbaar bemande en onbemande missies uitvoert.
- Falcon 9 (sinds 2010) — de tweetrapsraket van SpaceX, bekend omdat het bedrijf de eerste trap sinds 2015 herhaaldelijk rechtop laat landen en hergebruikt.
- Ariane 5 en de opvolger Ariane 6 (2023) — de Europese zware lanceerraketten van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) en Arianespace, gebruikt voor onder meer de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop in 2021.
- New Shepard van Blue Origin — een eentrapsraket voor suborbitale (dus niet in een baan om de aarde komende) ruimtetoeristische vluchten; genoemd als contrast om te laten zien dat niet elke raket meerdere trappen nodig heeft, afhankelijk van het doel.
Hoe ver is de techniek?
Het basisprincipe van de tweetrapsraket is meer dan zeventig jaar oud en volledig uitontwikkeld; het is geen experimentele technologie meer, maar de industriestandaard. De belangrijkste ontwikkeling van de laatste jaren zit niet in het concept zelf, maar in de herbruikbaarheid van de trappen.
SpaceX heeft met de Falcon 9 aangetoond dat het herhaaldelijk landen en hergebruiken van een eerste trap op grote schaal werkt: sommige exemplaren zijn inmiddels meer dan twintig keer gevlogen. Andere partijen volgen dit spoor, elk met een eigen aanpak en tempo, maar geen enkele is qua ervaring en vlootgrootte al zo ver als SpaceX.
Een volgende stap is het hergebruiken van niet alleen de eerste, maar ook de tweede trap — die bereikt veel hogere snelheden en moet dus een zwaardere terugkeer door de atmosfeer doorstaan, wat technisch aanzienlijk lastiger is. SpaceX ontwikkelt dit met het Starship-systeem, waarbij beide trappen (de Super Heavy-booster en het Starship-bovenstuk) herbruikbaar moeten worden; dit programma bevindt zich nog volop in de testfase, met regelmatig zowel geslaagde stappen als testvluchten die eindigen in een explosie. De grootste obstakels blijven de extreme hitte en mechanische belasting bij terugkeer, en de vraag of hergebruik op de lange termijn daadwerkelijk goedkoper is dan nieuwbouw, zodra onderhoudskosten worden meegerekend.
Wie werken eraan?
De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en de Europese ESA (European Space Agency) blijven belangrijke opdrachtgevers en ontwikkelaars van raketten, vaak in samenwerking met commerciële partijen. Onder de commerciële raketbouwers is SpaceX momenteel toonaangevend op het gebied van herbruikbare tweetrapsraketten, gevolgd door bedrijven als Blue Origin (met de nieuwe zware raket New Glenn) en Rocket Lab.
In Europa bouwt Arianespace, met steun van ESA en Franse en Duitse ruimtevaartbedrijven zoals ArianeGroup, de Ariane-raketfamilie. Rusland zet via staatsbedrijf Roscosmos de Sojoez- en Proton-programma's voort, en China ontwikkelt via de staatsorganisatie CASC (China Aerospace Science and Technology Corporation) een groeiend aantal eigen raketten, waaronder pogingen tot herbruikbare trappen. Ook India (ISRO) en Japan (JAXA, met commerciële partner Mitsubishi Heavy Industries) beschikken over eigen lanceercapaciteit met meertrapsraketten.