Zijbooster: de extra stuwraketten die zware lanceringen mogelijk maken
Een zijbooster is een extra raketmotor die naast de hoofdraket wordt bevestigd om tijdens de start extra stuwkracht te leveren. Zodra de brandstof van deze hulpmotor op is, wordt hij afgeworpen en valt hij terug naar de aarde (of, in sommige moderne gevallen, landt hij juist netjes rechtop om later opnieuw gebruikt te worden). De hoofdraket, ook wel de kernraket genoemd, vliegt daarna alleen verder de ruimte in.
Een handige vergelijking is een wielrenner die bij de start van een zware klim een duwtje krijgt van een ploeggenoot. Die ploeggenoot levert tijdelijk extra kracht, maar valt daarna terug en hoeft de rest van de etappe niet mee te rijden. Zo'n zijbooster doet voor een raket precies dat: hij helpt de allerzwaarste fase van de lancering doorstaan, namelijk het loskomen van de grond, en verdwijnt daarna uit beeld.
Wat is het precies?
Een raket bestaat meestal uit een lange, slanke kernraket met daarin de belangrijkste motoren en de lading, de payload genoemd (dit is het Engelse woord voor de satelliet, capsule of vracht die de raket moet vervoeren). Bij zware missies is één kernraket vaak niet krachtig genoeg om los te komen van de zwaartekracht. Daarom worden er een of meer zijboosters tegen de buitenkant van de kernraket bevestigd, meestal in paren zodat de krachten mooi in balans blijven.
Zijboosters zijn er in twee hoofdsoorten, die te maken hebben met het type brandstof. Bij vaste brandstof (solid fuel) zit de brandstof al vastgebakken in de booster, een beetje zoals een groot vuurwerk-rotje: eenmaal aangestoken, brandt hij door tot hij leeg is en kan hij niet meer worden uitgezet. Bij vloeibare brandstof (liquid fuel) wordt de brandstof pas tijdens de vlucht via pompen naar de motor gestuurd, wat betekent dat de motor wel kan worden geregeld of zelfs uitgeschakeld.
Na enkele minuten vliegen, wanneer de brandstof van de zijboosters op is, worden ze los gekoppeld. Bij de meeste raketten vallen ze dan ongecontroleerd terug in de zee of woestijn en gaan ze verloren; dit noemen we wegwerpboosters. Bij een klein aantal moderne raketten worden de boosters juist bestuurd terug naar de aarde gestuurd, waar ze rechtop landen op een platform of een schip. Dit heet een herbruikbare booster, omdat hij na een inspectie en onderhoud opnieuw gebruikt kan worden voor een volgende lancering.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste reden om zijboosters te gebruiken is simpel: meer lading de ruimte in krijgen zonder een compleet nieuwe, grotere raket te moeten ontwerpen. Door boosters aan een bestaande kernraket te hangen, kan een fabrikant met relatief weinig extra ontwikkelwerk toch veel zwaardere missies uitvoeren.
Dat levert ook flexibiliteit op, wat in de ruimtevaart vaak modulariteit wordt genoemd. Eén en dezelfde kernraket kan zonder boosters worden ingezet voor een lichte satelliet, en met twee of vier boosters voor een zware lading richting de maan of Mars. Zo hoeft een ruimtevaartorganisatie niet voor elke soort missie een andere raket te bouwen.
Herbruikbare zijboosters hebben daarnaast een financieel doel: de kosten per lancering omlaag brengen. Een nieuwe raketmotor bouwen is duur, en als je de motor na gebruik kunt terugkrijgen en opnieuw inzetten, bespaar je in theorie een groot deel van die kosten. Dit is een van de drijfveren achter de huidige golf van private ruimtevaartbedrijven.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest bekende voorbeeld van herbruikbare zijboosters is de Falcon Heavy van het Amerikaanse bedrijf SpaceX, die voor het eerst vloog op 6 februari 2018. Deze raket gebruikt twee zijboosters die zijn afgeleid van de eerste trap van de kleinere Falcon 9-raket. Na de lancering keren beide boosters terug en landen ze rechtop, op een landingsplatform op het vasteland of op een drijvend platform op zee. Tot 2024-2025 heeft de Falcon Heavy al ruim tien keer gevlogen, met wisselend succes bij het terughalen van de boosters.
In Europa werkte de Ariane 5-raket, ontwikkeld door de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en gebouwd door ArianeGroup, met twee vaste-stof zijboosters die EAP werden genoemd. De eerste lancering in 1996 mislukte overigens door een softwarefout in het navigatiesysteem, wat de raket destijds flink in de belangstelling zette. Na dat begin vloog de Ariane 5 bijna drie decennia lang betrouwbaar, tot de laatste vlucht in juli 2023.
De opvolger, Ariane 6, maakte op 9 juli 2024 zijn eerste vlucht. Deze raket gebruikt, afhankelijk van het gewicht van de missie, twee of vier vaste-stof zijboosters van het type P120C. Door dit aantal te variëren, kan dezelfde kernraket zowel lichte als zware ladingen vervoeren, precies het principe van modulariteit dat eerder werd beschreven.
Ook de Amerikaanse Space Shuttle vloog decennialang, van 1981 tot 2011, met twee vaste-stof zijboosters, bekend als Solid Rocket Boosters of SRB's. Na het afwerpen vielen deze boosters met parachutes terug in de Atlantische Oceaan, waarna NASA ze oppikte, schoonmaakte en deels opnieuw vulde voor een volgende vlucht. Dit was een vroege, beperkte vorm van herbruikbaarheid, lang voordat bedrijven als SpaceX met rechtop landende boosters kwamen.
De huidige NASA-maanraket, het Space Launch System (SLS), gebruikt eveneens twee vaste-stof zijboosters, die zijn afgeleid van de Shuttle-boosters maar een extra brandstofsegment hebben gekregen voor meer stuwkracht. Deze boosters worden na gebruik niet herbruikt. De eerste testvlucht van de SLS, genaamd Artemis I, vond plaats op 16 november 2022.
Hoe ver is de techniek?
Zijboosters zelf zijn geen nieuwe uitvinding: zowel de vaste-stof- als de vloeibare-brandstofvariant worden al sinds de jaren zestig en zeventig op grote schaal gebruikt en zijn technisch gezien volwassen en betrouwbaar. De echte vernieuwing van de afgelopen jaren zit niet in de boosters zelf, maar in het idee dat je ze kunt terughalen en opnieuw gebruiken.
Die herbruikbaarheid brengt wel praktische obstakels met zich mee. Het gelijktijdig en gelijkmatig ontsteken van meerdere boosters is technisch lastig: als één booster net iets eerder of krachtiger ontsteekt dan de andere, ontstaan er zijwaartse krachten die de hele raket uit balans kunnen brengen. Ook het losmaken van de boosters tijdens de vlucht is een precisiemoment, omdat de kernraket op dat moment grote structurele belasting ondervindt.
Voor herbruikbare boosters komt daar nog bij dat ze extra brandstof moeten meenemen om de terugkeer en landing te kunnen uitvoeren. Die brandstof kan niet worden gebruikt om lading de ruimte in te brengen, waardoor herbruikbare raketten in de praktijk altijd wat minder lading kunnen vervoeren dan een vergelijkbare wegwerpraket. Daarnaast geldt voor vaste-stof boosters een bijzonder veiligheidsrisico: eenmaal ontstoken, kunnen ze niet meer worden uitgeschakeld, in tegenstelling tot vloeibare motoren die in geval van een probleem wel kunnen worden afgesloten.
Het is ook goed om eerlijk te zijn over de grenzen van herbruikbaarheid: niet elke ruimtevaartorganisatie kiest ervoor om op herbruikbare boosters over te stappen. Herbruikbaarheid loont vooral als een raket vaak genoeg vliegt om de extra ontwikkelkosten en het onderhoud van gebruikte boosters terug te verdienen. Organisaties die maar een paar keer per jaar lanceren, zoals bij sommige Europese en Chinese programma's, kiezen daarom soms bewust voor eenvoudigere, niet-herbruikbare wegwerpboosters.
Wie werken eraan?
Het Amerikaanse bedrijf SpaceX is wereldwijd de belangrijkste drijvende kracht achter herbruikbare zijboosters, met de Falcon Heavy als meest bekende voorbeeld. Het Amerikaanse NASA, de overheidsruimtevaartorganisatie van de Verenigde Staten, gebruikt zowel historische (Space Shuttle) als actuele (SLS) zijboosters voor zijn eigen missies, waaronder het Artemis-programma richting de maan.
In Europa werken ESA (European Space Agency, de samenwerking van Europese landen op ruimtevaartgebied) en het bedrijf ArianeGroup samen aan de Ariane-raketten en hun vaste-stof zijboosters. In China ontwikkelt de staatsonderneming CASC (China Aerospace Science and Technology Corporation) onder meer de Long March 5-raket, die met vier vloeibare zijboosters vliegt sinds de eerste lancering in 2016.