Landingsverbranding: hoe raketten zichzelf afremmen voor een staande landing
Een landingsverbranding is het moment waarop de motoren van een raket kort opnieuw ontsteken vlak voordat de raket de grond raakt, om de resterende snelheid weg te remmen en een rechtopstaande landing mogelijk te maken. Zonder deze laatste stuwkrachtstoot zou de raket met honderden kilometers per uur op de grond of op een schip pletsen. Met de verbranding komt hij juist zachtjes tot stilstand, precies op het moment dat de landingspoten de grond raken.
Een goede vergelijking is een parachutist die normaal gesproken een parachute gebruikt om af te remmen, maar in plaats daarvan kleine raketmotoren op zijn rug heeft die een fractie van een seconde voor de landing afgaan. Is de timing goed, dan staat hij zacht op zijn voeten. Is de motor te vroeg aan, dan schiet hij weer omhoog en valt daarna alsnog te hard neer. Is hij te laat, dan is er geen tijd meer om af te remmen en volgt een crash. Precies dit balanceren tussen te vroeg en te laat is de kern van een landingsverbranding.
Wat is het precies?
Een raket die terugkeert naar de aarde, valt na het loskoppelen van de bovenste trap met enkele duizenden kilometers per uur richting de grond. Het hele landingsproces bestaat meestal uit een paar opeenvolgende stappen, elk met een eigen korte motorverbranding.
Bij de eerste trap van SpaceX' Falcon 9-raket, de bekendste toepassing van deze techniek, is dat vaak een terugkeerverbranding (boostback burn): de raket keert zijn motoren om en stuurt zichzelf terug richting het landingsgebied, aan land of op een drone-schip op zee. Daarna volgt, vlak voordat de raket de dichtere lagen van de atmosfeer induikt, een intredeverbranding (entry burn) die de snelheid afremt zodat de constructie en de warmte-belasting hanteerbaar blijven. Tijdens de val klappen rastervinnen (grid fins) open, kleine stuurvlakken die de raket door de lucht sturen als een soort vinnen op een pijl.
De landingsverbranding zelf is de laatste en kortste fase, vaak niet meer dan enkele seconden. Bij de Falcon 9 wordt daarvoor meestal maar één van de negen motoren gebruikt, omdat zelfs één motor op laag vermogen nog altijd meer stuwkracht levert dan het gewicht van de bijna lege raket. Een boordcomputer berekent op basis van snelheid, hoogte en positie het exacte moment waarop de motor moet ontsteken. Omdat de motor niet voldoende kan worden teruggeregeld (throttlen) om echt stil te hangen, moet de berekening zo precies zijn dat de snelheid precies nul is op het moment dat de raket de grond raakt. Deze techniek wordt in de ruimtevaart weleens een "hoverslam" of "suicide burn" genoemd: er is geen ruimte om te zweven en te corrigeren, het moet in één keer goed.
Bij SpaceX' Starship, de grote opvolger van de Falcon-raketten, verloopt de landing anders. De boosterraket en het bovenste ruimtevaartuig vallen eerst horizontal door de lucht, als een buiklandende skydiver, om via luchtweerstand af te remmen. Pas vlak boven de grond voeren ze een "flip-manoeuvre" uit: ze draaien zich met een korte motorverbranding terug in verticale stand en voeren daarna de eigenlijke landingsverbranding uit.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is hergebruik van dure raketonderdelen. De eerste trap van een raket, met zijn motoren, tanks en elektronica, is verreweg het duurste deel van een lancering. Als die trap na gebruik niet in zee valt of verbrandt in de atmosfeer, maar heel terugkeert en opnieuw kan vliegen, dalen de kosten per lancering aanzienlijk.
Naast kostenbesparing speelt ook snelheid mee: een raket die binnen enkele weken of zelfs dagen opnieuw gelanceerd kan worden, verhoogt de lanceerfrequentie sterk. Dat is essentieel voor bedrijven die grote hoeveelheden satellieten willen lanceren, zoals voor sterrenbeeld-constellaties (denk aan Starlink), en voor toekomstige ambities zoals bemande missies naar de Maan of Mars, waarvoor veel lanceringen achter elkaar nodig zijn.
Er is ook een milieu-argument, al is dat omstreden: minder weggegooid materiaal betekent minder productie van nieuwe raketonderdelen. Tegelijk stoot elke extra vlucht ook weer uitstoot uit, dus of herbruikbaarheid per saldo milieuvriendelijker is, hangt af van hoe vaak een raket daadwerkelijk opnieuw gebruikt wordt.
Voorbeelden uit de praktijk
Op 21 december 2015 landde SpaceX voor het eerst een orbitale raketttrap rechtop op land, bij de lancering van elf Orbcomm-satellieten. Het was de eerste keer dat een landingsverbranding van een raket die daadwerkelijk een lading in een baan om de aarde had gebracht, succesvol verliep.
Op 8 april 2016 volgde de eerste geslaagde landing op een drijvend platform op zee, tijdens de CRS-8-bevoorradingsmissie naar het internationale ruimtestation ISS. Sindsdien zijn dit soort zeelandingen op de drone-schepen "Of Course I Still Love You" en "Just Read the Instructions" routine geworden.
Blue Origin, het bedrijf van Jeff Bezos, voerde met zijn suborbitale New Shepard-raket al in november 2015 een verticale landing uit, enkele weken vóór de eerste Falcon 9-landing. New Shepard bereikt echter geen baan om de aarde, maar alleen de rand van de ruimte, wat de landingsverbranding technisch minder veeleisend maakt dan bij een orbitale raket.
SpaceX' Starship-programma boekte in oktober 2024 een opvallende mijlpaal: tijdens de vijfde testvlucht ving het lanceerplatform de terugkerende Super Heavy-booster op met mechanische armen (bijgenaamd "Mechazilla"), in plaats van een landing op poten. Dit was een variant op de klassieke landingsverbranding, waarbij de laatste afremfase nog altijd nodig was, maar de touchdown zelf plaatsvond in de armen van de toren in plaats van op de grond.
Ook buiten de Verenigde Staten wordt er getest: Chinese bedrijven zoals iSpace, LandSpace en Deep Blue Aerospace voerden in 2023 en 2024 korte testvluchten ("hops") uit met prototypes die verticaal opstijgen en weer landen, als voorbereiding op volledig herbruikbare Chinese raketten.
Hoe ver is de techniek?
Voor de Falcon 9 is de landingsverbranding inmiddels een volwassen, routinematig proces. SpaceX heeft de techniek sinds 2015 honderden keren succesvol toegepast en individuele boosters zijn al meer dan twintig keer hergebruikt. Mislukte landingen komen nog voor, maar zijn zeldzaam geworden.
Bij Starship is de techniek nog volop in ontwikkeling. Verschillende testvluchten in 2023 en 2024 eindigden in explosies of mislukte landingspogingen, voordat de eerste succesvolle opvang van de booster lukte. De landing van het bovenste Starship-vaartuig zelf, dat een heel ander, complexer traject aflegt dan de booster, bleek eind 2024 en begin 2025 nog een van de lastigste onderdelen, met meerdere testvluchten die eindigden in verlies van het voertuig tijdens de afdaling.
De belangrijkste technische obstakels zijn: het betrouwbaar heropstarten van motoren onder extreme omstandigheden, de precisie van navigatie en besturing tot op enkele meters en fracties van seconden nauwkeurig, weersinvloeden zoals wind, en materiaalmoeheid van onderdelen die keer op keer worden hergebruikt. Nieuwe partijen die met deze techniek beginnen, zoals Blue Origins orbitale New Glenn-raket, ondervinden dat de eerste landingspogingen vaak nog mislukken voordat het proces betrouwbaar wordt: de allereerste landingspoging van New Glenn, in januari 2025, lukte niet, ook al bereikte de raket zelf wel een baan om de aarde.
Wie werken eraan?
SpaceX is momenteel de onbetwiste koploper, met de Falcon 9, Falcon Heavy en Starship. Blue Origin volgt met de suborbitale New Shepard en de orbitale New Glenn. Rocket Lab ontwikkelt met de Neutron-raket eveneens een herbruikbare eerste trap.
In China werken zowel de staatsraketbouwer CASC, die aan herbruikbare varianten van de Lange Mars-raketten werkt, als een reeks private bedrijven zoals iSpace, LandSpace, Deep Blue Aerospace en Galactic Energy aan vergelijkbare technologie, met steun van de Chinese overheid die herbruikbare lanceersystemen als strategisch belangrijk beschouwt.
Ook gevestigde ruimtevaartorganisaties doen onderzoek: de Europese ruimtevaartorganisatie ESA bestudeert herbruikbaarheid onder meer via het Themis-project en de ontwikkeling van de herstartbare Prometheus-motor, terwijl NASA in het verleden onderzoek deed naar verwante afdaaltechnieken (retropropulsion) voor toekomstige, zwaardere landingen op Mars, waar de dunne atmosfeer traditionele parachutes minder effectief maakt.