Science

Stuiterend door de dampkring

Een passagiersraket die over de atmosfeer stuitert. Ir. Arnold van Foreest van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (L&R) ontwierp hem voor zijn afstuderen.

Zelfs met het meest geavanceerde Amerikaans gevechtsvliegtuig zou je er nog uren over doen om van Nederland naar Australië te vliegen. Want met de ‘luchtademende’ vliegtuigmotoren van tegenwoordig is de hoogst haalbare snelheid ongeveer vier maal de geluidssnelheid (mach 4). Met deze gedachte speelde ir. Arnold van Foreest toen hij vorig jaar aan zijn stage begon bij het Duitse Ruimtevaartcentrum DLR. De inmiddels afgestudeerde L&R-alumnus en vaste werknemer van DLR bedacht dat het ‘aardig’ zou zijn om raketmotoren te gebruiken in de passagiersluchtvaart.

“Het DLR zocht al samen met de ESA naar nieuwe technieken om met speciale luchtademende ‘scramjetmotoren’ hypersonisch te vliegen (sneller dan mach 4)”, zegt Van Foreest. “Maar naar dat soort technieken wordt al jaren gekeken. Vooralsnog levert het niet snel bruikbare motoren op.”

Een jaar lang rekende hij aan een toestel voor vijftig passagiers dat verdacht veel lijkt op de spaceshuttle van de Nasa. Maar terwijl het Amerikaanse gevaarte, nadat het door de atmosfeer heen is, in een baan om de aarde draait, navigeert Van Foreests ‘Spaceliner’ op een heel andere manier. Hij stuitert over de dampkring.

“Je komt pas in een baan om de aarde als je minimaal 7,8 kilometer per seconde vliegt”, vertelt de ingenieur. “Door de snelheid ontstaat namelijk een centrifugale kracht die de zwaartekracht opheft. De spaceshuttle haalt die snelheid, maar heeft daar ontzettend veel brandstof voor nodig. Mijn toestel verbruikt de helft minder brandstof maar haalt dan ook ‘slechts’ 6,5 kilometer per seconde. Nadat het door de dampkring heen is en de brandstof op is, moet het op een andere manier doorvliegen.”

Nadat de Spaceliner zijn tophoogte heeft bereikt, zo’n zeventig kilometer boven de aarde, duikt hij weer naar beneden. Zijn weg legt hij vervolgens stuiterend over de atmosfeer af. Zijn baan is vergelijkbaar met die van een steentje dat over het water ketst. Wanneer het vliegtuig voldoende vaart heeft geminderd zakt het alsnog door de dampkring heen.
Verhitting

Bij deze manier van vliegen is het vooral een uitdaging om het hoofd te bieden aan de enorme verhitting van het toestel wanneer het in de dichte lagen van de atmosfeer terechtkomt. Het vliegt dan nog ontzettend snel. Veel sneller dan de spaceshuttle. De spaceshuttle wil zo snel mogelijk afremmen nadat hij klaar is met zijn missie. Hij laat zich hiervoor vrij steil door de dampkring zakken. Zijn manoeuvre doet enigszins denken aan een platte duik van de springplank. De spaceliner daarentegen, duikt onder een veel kleinere hoek met grote snelheid door de dampkring.

“Sommige plekken op de Spaceliner worden wel duizend graden hoger dan vergelijkbare plekken op de spaceshuttle”, vertelt Van Foreest. “Aan de neus en de voorrand van de vleugels warmt het vliegtuig op tot 2500 graden. De keramische tegeltjes waar de Spaceshuttle mee is uitgerust helpen dan niet meer. Er moet een heel nieuw isolatie- en afkoelmechanisme gemaakt worden.”

Van Foreest stelt voor om het toestel te bedekken met een nat poreus materiaal: een soort grote spons van een koolstofsiliciumcomposiet die continu doordrenkt is met water. Hij testte deze techniek in een windtunnel bij een temperatuur van tweeduizend graden. Telkens wanneer water aan de buitenkant verdampt, zuigt het materiaal door de capillaire werking van talloze kleine kanaaltjes nieuw vocht op.

“Geen enkel materiaal heeft zo’n grote warmteabsorberende capaciteit als water”, aldus Van Foreest. “Ik was verbaasd dat nog niemand water ooit serieus als koelvloeistof had onderzocht voor ruimtevaarttoepassingen.”

Waar wel al over werd nagedacht, is een poreus materiaal waar koele stikstof door gepompt wordt. Maar uit de metingen van Van Foreest blijkt dit systeem minstens vijf maal minder efficiënt te werken.

Negen ton water moet het schip meezeulen om te voorkomen dat het verkoolt wanneer het de dampkring passeert. “Het klinkt veel, maar het is nog niet eens één procent van het startgewicht”, aldus de ingenieur.

Hopelijk kunnen over twintig jaar mensen met de Spaceliner vliegen”, zegt Van Foreest. “Volgens een eerste ruwe schatting kost een vlucht maar liefst honderdvijftigduizend euro. Maar gezien de interesse bij rijke mensen om door de ruimte te vliegen met Russische Soyuz’, voor twintig miljoen euro, denk ik dat er wel een markt voor is.”

In een raket naar Australie. Volgens Arnold van Foreest denkt dat er wel een markt voor is. (Foto: John Macneill)

Zelfs met het meest geavanceerde Amerikaans gevechtsvliegtuig zou je er nog uren over doen om van Nederland naar Australië te vliegen. Want met de ‘luchtademende’ vliegtuigmotoren van tegenwoordig is de hoogst haalbare snelheid ongeveer vier maal de geluidssnelheid (mach 4). Met deze gedachte speelde ir. Arnold van Foreest toen hij vorig jaar aan zijn stage begon bij het Duitse Ruimtevaartcentrum DLR. De inmiddels afgestudeerde L&R-alumnus en vaste werknemer van DLR bedacht dat het ‘aardig’ zou zijn om raketmotoren te gebruiken in de passagiersluchtvaart.

“Het DLR zocht al samen met de ESA naar nieuwe technieken om met speciale luchtademende ‘scramjetmotoren’ hypersonisch te vliegen (sneller dan mach 4)”, zegt Van Foreest. “Maar naar dat soort technieken wordt al jaren gekeken. Vooralsnog levert het niet snel bruikbare motoren op.”

Een jaar lang rekende hij aan een toestel voor vijftig passagiers dat verdacht veel lijkt op de spaceshuttle van de Nasa. Maar terwijl het Amerikaanse gevaarte, nadat het door de atmosfeer heen is, in een baan om de aarde draait, navigeert Van Foreests ‘Spaceliner’ op een heel andere manier. Hij stuitert over de dampkring.

“Je komt pas in een baan om de aarde als je minimaal 7,8 kilometer per seconde vliegt”, vertelt de ingenieur. “Door de snelheid ontstaat namelijk een centrifugale kracht die de zwaartekracht opheft. De spaceshuttle haalt die snelheid, maar heeft daar ontzettend veel brandstof voor nodig. Mijn toestel verbruikt de helft minder brandstof maar haalt dan ook ‘slechts’ 6,5 kilometer per seconde. Nadat het door de dampkring heen is en de brandstof op is, moet het op een andere manier doorvliegen.”

Nadat de Spaceliner zijn tophoogte heeft bereikt, zo’n zeventig kilometer boven de aarde, duikt hij weer naar beneden. Zijn weg legt hij vervolgens stuiterend over de atmosfeer af. Zijn baan is vergelijkbaar met die van een steentje dat over het water ketst. Wanneer het vliegtuig voldoende vaart heeft geminderd zakt het alsnog door de dampkring heen.
Verhitting

Bij deze manier van vliegen is het vooral een uitdaging om het hoofd te bieden aan de enorme verhitting van het toestel wanneer het in de dichte lagen van de atmosfeer terechtkomt. Het vliegt dan nog ontzettend snel. Veel sneller dan de spaceshuttle. De spaceshuttle wil zo snel mogelijk afremmen nadat hij klaar is met zijn missie. Hij laat zich hiervoor vrij steil door de dampkring zakken. Zijn manoeuvre doet enigszins denken aan een platte duik van de springplank. De spaceliner daarentegen, duikt onder een veel kleinere hoek met grote snelheid door de dampkring.

“Sommige plekken op de Spaceliner worden wel duizend graden hoger dan vergelijkbare plekken op de spaceshuttle”, vertelt Van Foreest. “Aan de neus en de voorrand van de vleugels warmt het vliegtuig op tot 2500 graden. De keramische tegeltjes waar de Spaceshuttle mee is uitgerust helpen dan niet meer. Er moet een heel nieuw isolatie- en afkoelmechanisme gemaakt worden.”

Van Foreest stelt voor om het toestel te bedekken met een nat poreus materiaal: een soort grote spons van een koolstofsiliciumcomposiet die continu doordrenkt is met water. Hij testte deze techniek in een windtunnel bij een temperatuur van tweeduizend graden. Telkens wanneer water aan de buitenkant verdampt, zuigt het materiaal door de capillaire werking van talloze kleine kanaaltjes nieuw vocht op.

“Geen enkel materiaal heeft zo’n grote warmteabsorberende capaciteit als water”, aldus Van Foreest. “Ik was verbaasd dat nog niemand water ooit serieus als koelvloeistof had onderzocht voor ruimtevaarttoepassingen.”

Waar wel al over werd nagedacht, is een poreus materiaal waar koele stikstof door gepompt wordt. Maar uit de metingen van Van Foreest blijkt dit systeem minstens vijf maal minder efficiënt te werken.

Negen ton water moet het schip meezeulen om te voorkomen dat het verkoolt wanneer het de dampkring passeert. “Het klinkt veel, maar het is nog niet eens één procent van het startgewicht”, aldus de ingenieur.

Hopelijk kunnen over twintig jaar mensen met de Spaceliner vliegen”, zegt Van Foreest. “Volgens een eerste ruwe schatting kost een vlucht maar liefst honderdvijftigduizend euro. Maar gezien de interesse bij rijke mensen om door de ruimte te vliegen met Russische Soyuz’, voor twintig miljoen euro, denk ik dat er wel een markt voor is.”

In een raket naar Australie. Volgens Arnold van Foreest denkt dat er wel een markt voor is. (Foto: John Macneill)

Editor Redactie

Do you have a question or comment about this article?

delta@tudelft.nl

Comments are closed.