Tweetrapsraket: waarom ruimtevaart in stukjes gebeurt
Een tweetrapsraket is een raket die uit twee losse, op elkaar gestapelde delen bestaat, elk met een eigen motor en eigen brandstoftank. Zodra het onderste deel — de eerste trap — zijn brandstof heeft opgebruikt, wordt het afgestoten en valt het terug naar de aarde. Het bovenste deel, de tweede trap, ontsteekt vervolgens zijn eigen motor om de rest van de reis naar een baan om de aarde af te maken.
Vergelijk het met een bergbeklimmer die op een basiskamp halverwege een deel van zijn uitrusting achterlaat. De zware slaapzak en het kookgerei zijn onderweg naar boven gebruikt en zijn nu overbodige ballast; door ze te laten liggen, hoeft de klimmer minder gewicht mee te zeulen naar de top. Een raket doet iets vergelijkbaars: een lege brandstoftank en een uitgebrande motor zijn na gebruik alleen nog maar dood gewicht, en dat gewicht kost extra brandstof om verder te versnellen. Door het afgedankte deel simpelweg los te koppelen, houdt de raket meer energie over voor de laatste, moeilijkste fase van de reis naar de ruimte.
Wat is het precies?
Om iets in een baan om de aarde te krijgen, moet een raket een snelheid van ruim 28.000 kilometer per uur bereiken. Dat vergt enorm veel brandstof, en die brandstof heeft zelf ook weer gewicht dat versneld moet worden. Hoe meer brandstof je meeneemt, hoe zwaarder de raket, en hoe meer brandstof je weer nodig hebt om dat extra gewicht te verplaatsen. Dit probleem staat bekend als de raketvergelijking: de verhouding tussen de massa bij vertrek en de massa die overblijft nadat alle brandstof is verbrand, bepaalt hoeveel snelheid je uiteindelijk kunt behalen.
Trapsgewijs bouwen is de oplossing die ruimtevaartingenieurs sinds de jaren vijftig gebruiken. In plaats van één grote tank en motor te bouwen die de hele reis moet volhouden, verdeel je de raket in secties. Elke trap hoeft alleen het gewicht van zichzelf en alle trappen daarboven te versnellen — niet het gewicht van de trappen die er al af zijn.
Bij een tweetrapsraket ziet de vlucht er ruwweg zo uit: de eerste trap, meestal de grootste en krachtigste, brandt vanaf de lancering enkele minuten en brengt de raket tot op grote hoogte en op hoge snelheid, vaak al buiten het grootste deel van de dampkring. Vervolgens knapt een separatiesysteem — meestal kleine explosieve bouten of veren — de verbinding tussen de trappen los. De eerste trap valt terug, en een paar seconden later ontsteekt de motor van de tweede trap om de resterende snelheid en hoogte te leveren die nodig is om in een baan om de aarde te komen.
De tweede trap is doorgaans kleiner en lichter dan de eerste, met een motor die is geoptimaliseerd om in het luchtledige van de ruimte te werken in plaats van in de dichte lucht bij de grond. Dat onderscheid — een krachtige, robuuste eerste trap voor de start en een efficiëntere, lichtere tweede trap voor de vacuümfase — is typerend voor bijna elk gefaseerd raketontwerp.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van staging, zoals het in het Engels heet, is simpel: meer nuttige lading — satellieten, bevoorradingscapsules of mensen — de ruimte in krijgen met minder totale brandstof en materiaal. Zonder trapsgewijze opbouw zou een raket die naar een baan om de aarde moet, onrealistisch groot en zwaar worden, met een groot deel van die massa bestaand uit tanks en motoren die je alleen in de eerste minuten nodig hebt.
Een tweede, meer economisch doel is kostenbeheersing. Elke kilo staal, aluminium of brandstof kost geld, en elke overbodige kilo die je toch de ruimte in sleept, is verspilling. Door trappen af te werpen zodra ze hun werk hebben gedaan, wordt de reis efficiënter en wordt het mogelijk grotere ladingen te vervoeren dan met een enkeltrapsraket ooit haalbaar zou zijn.
De laatste jaren is daar een derde ambitie bijgekomen: herbruikbaarheid. In plaats van de afgestoten eerste trap gewoon in zee te laten vallen, proberen bedrijven zoals SpaceX die trap gecontroleerd terug te laten landen, zodat hij kan worden gereviseerd en opnieuw gebruikt. Dat verandert een wegwerponderdeel in een herbruikbaar voertuig, wat de kosten per lancering aanzienlijk kan verlagen — al blijft de tweede trap bij de meeste huidige raketten nog altijd wegwerpmateriaal.
Voorbeelden uit de praktijk
De geschiedenis van de ruimtevaart kent talloze tweetrapsraketten. Een paar bekende voorbeelden:
- Titan II GLV — een Amerikaanse tweetrapsraket die in de jaren zestig, tijdens het Gemini-programma van NASA, twaalf bemande en onbemande vluchten uitvoerde en astronauten naar een baan om de aarde bracht.
- Delta II — gebouwd door McDonnell Douglas (later onderdeel van Boeing), vloog voor het eerst in 1989 en werd decennialang ingezet voor NASA-missies en commerciële satellieten, tot de laatste lancering in 2018.
- Falcon 9 — de raket van SpaceX, sinds 2010 operationeel, is wereldwijd de bekendste tweetrapsraket van dit moment. De eerste trap is herbruikbaar: sinds de eerste geslaagde landing eind 2015 heeft SpaceX honderden van deze trappen meermaals ingezet.
- Electron — een kleinere tweetrapsraket van het Amerikaans-Nieuw-Zeelandse bedrijf Rocket Lab, actief sinds 2017-2018 en gericht op het lanceren van kleine satellieten.
- Long March 2D — onderdeel van de Chinese Long March-familie, gebouwd door de staatsonderneming CASC en al sinds de jaren negentig ingezet voor satellietlanceringen.
Hoe ver is de techniek?
Het basisprincipe van staging is verre van nieuw: het wordt sinds de jaren vijftig en zestig toegepast en wordt beschouwd als volledig bewezen techniek. De echte ruimtevaartrevolutie van de afgelopen tien jaar zit niet in het idee van trapsgewijs bouwen zelf, maar in het herbruikbaar maken van die eerste trap.
Voor 2015 werd vrijwel elke afgestoten raketttrap simpelweg afgeschreven; hij verbrandde in de atmosfeer of viel in zee. SpaceX bewees dat een eerste trap na terugkeer rechtop op een landingsplatform kan landen — op zee of op het vasteland — en daarna weer kan worden ingezet. Dat proces vergt precisiebesturing, herontsteekbare motoren en uitschuifbare landingspoten, en het heeft jaren van mislukte pogingen gekost voordat het routine werd.
Toch zijn niet alle problemen opgelost. De tweede trap blijft bij vrijwel alle huidige raketten, waaronder de Falcon 9, wegwerpmateriaal: hij bereikt zulke hoge snelheden dat terugkeer en herbruik technisch veel lastiger zijn dan bij de eerste trap. Bedrijven experimenteren met volledig herbruikbare systemen — SpaceX' Starship is daarvan het meest verregaande voorbeeld — maar dat is een fundamenteel ander, complexer ontwerp dan een klassieke tweetrapsraket en bevindt zich nog in een pril, experimenteel stadium. Voor de gangbare tweetrapsraket geldt dus: de eerste trap herbruiken is inmiddels gangbare praktijk bij een aantal spelers, maar volledige herbruikbaarheid van het hele voertuig is nog geen realiteit.
Wie werken eraan?
Tweetrapsraketten worden gebouwd en ingezet door zowel gevestigde ruimtevaartorganisaties als relatief jonge private bedrijven.
SpaceX (Verenigde Staten) is met de Falcon 9 momenteel de meest actieve partij op dit gebied, met tientallen lanceringen per jaar en een herbruikbare eerste trap als kernonderdeel van het businessmodel. Rocket Lab (Verenigde Staten/Nieuw-Zeeland) richt zich met de Electron op kleinere satellieten en experimenteert eveneens met het terugwinnen van de eerste trap. NASA (Verenigde Staten) heeft historisch een sleutelrol gespeeld bij de ontwikkeling van vroege tweetrapsraketten zoals de Titan II en maakte decennialang gebruik van de Delta II voor wetenschappelijke missies.
Buiten de Verenigde Staten bouwt de Chinese staatsonderneming CASC (China Aerospace Science and Technology Corporation) tweetrapsvarianten binnen de Long March-familie voor het Chinese ruimtevaartprogramma. In Rusland ontwikkelt en beheert Roscosmos raketfamilies die eveneens op het principe van meerdere trappen zijn gebaseerd. In Europa werkt ESA (European Space Agency) samen met de commerciële lanceerorganisatie Arianespace aan de Ariane-raketfamilie, al zijn de nieuwste Europese ontwerpen doorgaans meertraps in plaats van strikt tweetraps.