Volledige stroomverbrandingscyclus: de meest efficiënte manier om een raket te laten branden
Een volledige stroomverbrandingscyclus (in het Engels: full-flow staged combustion cycle) is een manier om een vloeistofraketmotor te bouwen waarbij letterlijk alle brandstof en alle zuurstof die de motor ingaan, eerst gedeeltelijk worden verbrand voordat ze in de hoofdverbrandingskamer belanden. Dat klinkt als een omweg, maar het is juist de meest efficiënte en zuinigste manier om een raketmotor te laten werken die tot nu toe is uitgevonden. Er is maar één raketmotor ter wereld die deze cyclus daadwerkelijk de ruimte in heeft gebracht: de Raptor-motor van SpaceX, die de Starship-raket aandrijft.
Een vergelijking helpt. Stel je een fabriek voor die grondstoffen verwerkt tot een eindproduct, maar waarbij de aandrijfriemen van de machines zelf ook energie nodig hebben. Bij de meeste raketmotoren wordt een klein beetje brandstof apart verbrand om die 'aandrijfriemen' — pompen die brandstof en zuurstof met enorme kracht de motor injecteren — aan de praat te houden, en dat restgas wordt vervolgens weggegooid. Bij een volledige stroomverbrandingscyclus wordt niets weggegooid: elke druppel brandstof en elke druppel zuurstof doet twee keer dienst, eerst om de pompen aan te drijven en daarna om echt stuwkracht te leveren. Dat maakt de motor efficiënter, maar ook aanzienlijk ingewikkelder om te bouwen.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat hier bijzonder aan is, moet je eerst weten hoe een gewone vloeistofraketmotor werkt. Brandstof (bijvoorbeeld methaan of waterstof) en een oxidator, meestal vloeibare zuurstof, worden vanuit tanks naar de verbrandingskamer gepompt, waar ze mengen en ontbranden. Omdat de druk in die kamer torenhoog moet zijn om veel stuwkracht te leveren, zijn er zware turbopompen nodig: pompen die worden aangedreven door een turbine, vergelijkbaar met een heel krachtige waterpomp met een turbine als motor.
Die turbine heeft op zijn beurt hete gassen nodig om rond te draaien. Bij de eenvoudigste oplossing, de gasgeneratorcyclus, wordt daarvoor een klein beetje brandstof en zuurstof apart verbrand in een aparte kleine kamer. Het hete gas drijft de turbine aan en wordt daarna gewoon de lucht in geblazen, vaak zichtbaar als een apart pluimpje naast de hoofduitlaat. Dit is een 'open' cyclus: een deel van de energie gaat verloren. De Merlin-motor van SpaceX's Falcon 9-raket werkt zo.
Een efficiëntere aanpak is de staged combustion cycle (trapsgewijze verbrandingscyclus): het gas dat de turbine aandrijft, wordt niet weggegooid maar alsnog in de hoofdkamer geïnjecteerd en daar volledig verbrand. Niets gaat verloren, maar de kleine 'voorbrander' (preburner) draait dan met een zeer scheve mengverhouding om niet te heet te worden, en levert dus gas met te veel brandstof of te veel zuurstof.
De volledige stroomverbrandingscyclus gaat nog een stap verder en gebruikt twéé voorbranders in plaats van één. In de ene voorbrander wordt met een overschot aan brandstof verbrand (fuel-rich), die de turbine voor de brandstofpomp aandrijft. In de andere voorbrander wordt met een overschot aan zuurstof verbrand (oxidizer-rich), die de turbine voor de zuurstofpomp aandrijft. Cruciaal is dat werkelijk alle brandstof door de eerste voorbrander stroomt en werkelijk alle zuurstof door de tweede — vandaar de naam 'volledige stroom'. Niets van beide propellanten gaat rechtstreeks, ongebruikt, naar de hoofdkamer.
Dit levert twee belangrijke voordelen op. Doordat de volledige massastroom door elke voorbrander gaat in plaats van een klein deel, kan diezelfde hoeveelheid vermogen bij een lagere temperatuur worden geleverd, wat de turbinebladen minder zwaar belast. En doordat brandstof en zuurstof nooit in dezelfde voorbrander samenkomen, is er nooit een teveel aan het 'verkeerde' propellant aanwezig bij hoge temperatuur, wat het risico op brand of erosie in de pompen verkleint. Pas helemaal aan het eind, in de hoofdkamer, komen de twee al voorverwarmde en deels verbrande gasstromen samen en verbranden ze volledig.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is efficiëntie: hoeveel stuwkracht een motor levert per kilogram verbruikte brandstof, uitgedrukt in een grootheid die ingenieurs de 'specifieke impuls' noemen. Omdat bij deze cyclus vrijwel alle energie in het propellant uiteindelijk in de hoofdkamer terechtkomt en de kamerdruk extreem hoog kan worden opgevoerd, halen full-flow-motoren doorgaans de hoogste specifieke impuls van alle chemische raketmotorcycli.
Een tweede doel is duurzaamheid en herbruikbaarheid. Omdat de turbines bij een gelijk vermogen minder heet hoeven te draaien en er geen gevaarlijke mengsels van overtollige brandstof en zuurstof in de pompen ontstaan, kan de motor in theorie veel vaker worden gebruikt zonder volledige revisie — een voorwaarde om een raketmotor net zoals een vliegtuigmotor tientallen keren te kunnen hergebruiken.
Verder biedt deze cyclus een grote mate van regelbaarheid: doordat beide voorbranders onafhankelijk kunnen worden aangestuurd, is de motor relatief goed te 'diepthrottlen', dat wil zeggen sterk terug te regelen in stuwkracht. Dat is essentieel voor raketten die verticaal moeten landen, waarbij de motor tijdens de laatste fase van de landing zacht moet kunnen afremmen.
Voorbeelden uit de praktijk
De RD-270 was de eerste motor die volgens dit principe werd gebouwd, ontworpen door het Sovjet-ontwerpbureau Yuzhnoye onder leiding van Michail Jangel in de jaren zestig. Hij was bedoeld voor de zware raket UR-700, onderdeel van een van de Sovjet-plannen voor een bemande maanmissie. De motor werd op de testbank getest en behaalde indrukwekkende prestaties, maar is nooit in een raket gevlogen: rond 1970 werd het programma stopgezet toen de Sovjet-Unie voor haar zware raketten andere ontwerpen koos.
Decennia later bouwden NASA, de Amerikaanse luchtmacht en de motorenfabrikant Rocketdyne gezamenlijk de Integrated Powerhead Demonstrator (IPD), een demonstratiemotor op waterstof en zuurstof die tussen ongeveer 2002 en 2005 op de testbank werd beproefd. Ook deze motor is nooit in een echte raket gevlogen; het programma diende puur om aan te tonen dat de technologie werkte en om ervaring op te doen.
De doorbraak kwam met de Raptor-motor van SpaceX, ontwikkeld vanaf ongeveer 2012 en voor het eerst getest op een testbank in 2016. Raptor gebruikt methaan en vloeibare zuurstof en is tot nu toe de enige full-flow staged combustion-motor die daadwerkelijk heeft gevlogen: hij drijft zowel de Starship-bovenetrap als de Super Heavy-booster aan. De eerste orbitale testvlucht van het volledige Starship-systeem vond plaats in april 2023 en verliep gedeeltelijk mislukt; sindsdien heeft SpaceX de motor in opeenvolgende generaties (Raptor 2, Raptor 3) verder vereenvoudigd en de stuwkracht verhoogd, terwijl het testprogramma van Starship in de jaren daarna is voortgezet.
Hoe ver is de techniek?
De volledige stroomverbrandingscyclus is de meest complexe van alle gangbare raketmotorcycli: er zijn twee voorbranders, twee turbopompen en een web van leidingen en kleppen nodig die allemaal nauwkeurig op elkaar afgestemd moeten zijn, vooral tijdens het opstarten en afsluiten van de motor, wanneer drukken en temperaturen snel veranderen. Dat maakt de ontwikkeling traag en foutgevoelig: zowel het Sovjet-programma als het Amerikaanse IPD-programma bleven beperkt tot testbankproeven.
SpaceX is er tot dusver als enige in geslaagd deze cyclus operationeel en herhaaldelijk te laten vliegen, al ging dat gepaard met tientallen testbankexplosies en verschillende mislukte of gedeeltelijk mislukte Starship-vluchten. Het ontwerp wordt nog altijd actief doorontwikkeld: recentere Raptor-versies zijn eenvoudiger van opbouw, met minder lasnaden en onderdelen, om productie en onderhoud te vereenvoudigen. De belangrijkste resterende obstakels zijn verbrandingsinstabiliteiten (ongewenste drukschommelingen die de motor kunnen beschadigen), materiaalvermoeidheid bij herhaald gebruik, en de sterk toegenomen productiecomplexiteit ten opzichte van eenvoudigere motorcycli. Hoeveel keer een Raptor-motor uiteindelijk zonder revisie herbruikbaar zal blijken, is nog niet definitief vastgesteld.
Wie werken eraan?
SpaceX (Verenigde Staten) is momenteel de enige partij die deze cyclus daadwerkelijk in een vliegende raketmotor toepast, met de Raptor-motor voor Starship. Historisch gezien lag het pionierswerk bij de Sovjet-Unie, met het Yuzhnoye-ontwerpbureau en later het Russische motorenbedrijf NPO Energomasj, dat op de theoretische en praktische kennis van die tijd voortbouwt. In de Verenigde Staten hebben NASA, de Amerikaanse luchtmacht en Aerojet Rocketdyne (tegenwoordig onderdeel van L3Harris) met het IPD-programma belangrijke testervaring opgedaan die mede aan latere ontwikkelingen ten grondslag ligt.
Ook in China wordt gewerkt aan geavanceerde methaan-zuurstofmotoren door verschillende particuliere ruimtevaartbedrijven, en er zijn aanwijzingen dat sommige daarvan elementen van staged combustion onderzoeken. Of en welke Chinese motoren een volledige, dus écht full-flow, stroomverbrandingscyclus toepassen, is echter niet met zekerheid vastgesteld op basis van publiek beschikbare informatie; dit blijft daarom voorlopig onzeker terrein.