20 november 2018

DARPA 60 jaar, een caleidoscoop aan projecten, van ruimtevaart tot aan het Internet

Begin september vierde het Defense Advanced Research Project Agency DARPA (Arlington, 7 februari 1958-) zijn zestigste jubileumjaar met een conferentie genaamd ‘D60’ te Washington. Een gelegenheid om bij te praten over successen en mislukkingen van vele projecten. Bij D60 waren o.a. Mike D. Griffin, voormalig NASA hoofd en Gwynne Shotwell, directeur SpaceX gastsprekers.

Terugblik

Herbert York, ARPA, credits wikipedia

Lang  geleden toen DARPA nog ARPA was, werd de organisatie als volgt omschreven, ik citeer; ‘ARPA was given a small office in the Pentagon and assigned the task of coordination United States efforts – both the civilian and military –  to catch up’. Dit is de quote waarmee  George Dyson’s ‘Project Orion, the Atomic Spaceship’ uit 2002 (Penguin) wordt geïntroduceerd. De quote uit Dysons boek (George is de zoon van Freeman Dyson, de natuurkundige die  in de jaren ’50 aan het Manhattan project heeft gewerkt) geeft in een notendop de doelstelling van de organisatie aan. Waar NASA in juli 1958 door middel van een door het parlement aangenomen wet werd opgericht, werd ARPA in januari datzelfde jaar door een presidentieel decreet of executive order (1) van het Department of Defensie (DoD) onder de regering van Dwight D. Eisenhower (president VS van 1953-1961) opgericht als een onmiddellijk antwoord op Spoetniks lancering. Herbert York (1921-2009),  die de eerste technisch directeur van ARPA was, kernfysicus, ‘space-geek’ en een zeer gerespecteerd diplomaat onder Eisenhower stelt het zelfs nog explicieter; ‘It was Secretary of Defense Neil H. McElroy’s personal answer to Sputnik.’ aldus York in Orion. ARPA’s, lees Yorks, voornaamste taak was het om de competities tussen het Amerikaanse leger, luchtmacht en marine te niet te doen die de weg naar vooruit gang alleen maar belemmerde. Conflicten rezen destijds zeker niet alleen over militaire activiteiten maar ook over verdere, en uiteindelijk een zo goed en zo kwaad als het mogelijk was, vreedzame exploratie van de ruimte als een zeer begerenswaardig doel om na te streven. Een beroemde quote van de strijdkrachten aangaande ruimte-exploratie en ruimtevaart was; ‘If it flies, thats our department, claimde de luchtmacht. ‘But they are called spaceships,’ antwoordde de marine, ‘OK, but the Moon is high ground, aldus het leger, die in de persoon van Wernher von Braun een boegbeeld voor de ruimtevaart had (hij werkte destijds in Huntsville, Alabama met 126 andere Duitse ingenieurs aan rakettechnologie voor de landmacht).

De Spoetnik en zijn opvolgers kregen destijds alle aandacht van ‘Washington’, van vooraanstaande wetenschappers van alle gerenommeerde Universiteiten en van technologie bedrijven die zich scherp bewust waren van de Sovjet inspanningen. Ze stortten zich vol ijver op een ruimtevaartprogramma dat praktisch letterlijk en figuurlijk uit de grond gestampt moest worden. Raketten als Titan, Atlas, de Vanguard en Explorer satellieten, de rover/NERVA en Saturn/Nova programma’s en als grand finale de Apollo maanlandingen. ARPA’s missie was het om de reeds bestaande lucht- en ruimtevaart projecten te consolideren en een zekere differentiatie aan te brengen binnen militaire en civiele doelen, hoe ‘far-fetched’ vergezocht en exotisch ook. Herbert York en de eerste algemeen directeur van ARPA Roy W. Johnson hadden hun handen vol aan het credo in de nieuwbakken organisatie dat luidde ‘Consider all alternatives’ En op dat moment was het ook van essentieel belang vanuit militair oogpunt om zich te bekwamen in en te bekommeren om niet-strikt militaire maar veeleer civiele projecten als satellietnavigatie en geleiding. Projecten die voor promotie van de ruimtevaart alsook voor het operationeel houden van ruimtevaartuigen uiterst belangrijk waren. Onderwerpen als ‘Reconnaissance (verkenning), ‘guidance’ (geleiding) waren noodzakelijk voor het laten vliegen van ruimtevaartuigen en vergde high-tech onderzoek. Vast anticiperend op NASA’s oprichting in juli later dat jaar, werd ARPA met dit mandaat behept en de bedoeling was voor ten minste een jaar, totdat NASA opgericht was en de zaken beter kon verdelen. Maar ARPA werd DARPA en is inmiddels zestig jaar oud.

Het zou het begin inluiden van een organisatie die inmiddels een caleidoscoop aan projecten ondersteunt. DARPA huist nog steeds onder de paraplu van het Ministerie van Defensie (DoD), zetelt nog steeds in Arlington, Virginia en er werken rond de 300 mensen. Het is verantwoordelijk voor met name het beheer van onderzoeksgelden. Diende ARPA in het begin als organisatie te voorkomen dat de VS achter zouden raken op de Sovjet-Unie op het gebied van (militaire) technologie, inmiddels is het uitgegroeid tot een instituut dat, met een jaarlijks budget van rond de drie miljard dollar, honderden projecten ondersteunt, op ruimtevaart gebied van Project Orion tot aan RASCAL, en van het (Interplanetaire) Internet naar praktische toepassingen voor commerciële ondernemingen als SpaceX en Virgin Galactic. Allen zijn gebaat bij DARPA’s steun.

Mike D. Griffin, D60 credits youtube

Lanceerders en raketaandrijving

Om te beginnen in de ruimtevaart. DARPA steunt(de) hierin tal van projecten. In de jaren ’50 toen de organisatie net opgericht was kon het met een project als Orion, het bijzonder geesteskind van wis- en natuurkundigen Stanislav Ulam en Edward Teller, zich direct buigen over een wel zeer exotische variant van raketaandrijving. Orion, een ruimteschip dat aangedreven zou moeten worden door het laten detoneren van kernbommen (ook wel Nuclear Pulse Propulsion genoemd), werd aanvankelijk door ARPA enthousiast gesteund. Dyson; ‘All things nuclear were viewed with enthusiasm by ARPA’. Orion was ARPA’s codenaam voor het project. In het boek van Dyson is een heel hoofdstuk gewijd aan de relatie tussen ARPA en de ontwikkelaars van Orion, de luchtmacht en het bedrijf General Atomic (New Mexico). Orion was inderdaad een soort hybride project, met zowel civiel, het had civiele ruimtevaart op het oog, als militaire aspecten (er moesten kernkoppen worden gebruikt) en zoals het boek stelt sprong het dossier van het Orion ontwerp van bureau naar bureau om alle steun te verkrijgen die het maar kon vinden. Uiteindelijk werd het met hulp van ARPA bij de luchtmacht ondergebracht waar het na zeven jaar werd afgebroken.

Hoe in de lijn van ARPA is dan ook de opmerking van voormalig hoofd van NASA en nu staatssecretaris van defensie Mike D. Griffin (2), alsook gastspreker bij het DARPA congres die stelde aldaar; ‘The no-brainer (zekerheid) will be nuclear power and propulsion. The only reason that it is not the case today is politics and the politics of the irrational. If we do not grasp onto the rational, then others nations will and we’ll be watching it on TV.’ ARPA maakte destijds in de jaren ’50 en ’60 deel uit van wat ook wel ‘nucleaire triade’ genoemd werd. Het Witte Huis, Capitol Hill (met ARPA, JCAE en lobbygroepen van bedrijven als Lockheed en Boeing als belangrijkste clubs) en de uitvoerende organen NASA en het AEC. Gezamenlijk voerden ze een verbeten strijd om de ruimtevaart budgetten waarin de presidenten Eisenhower, John F. Kennedy en later Johnson als spinnen in het web ieder zo goed mogelijk moesten bedienen alsook de boel bijeen moesten zien te houden. ARPA en destijds ook het JCAE stonden toen wel positief tegenover nucleaire ruimtevaart maar de uitvoerende organen NASA, het AEC en ook Defensie waren veel behoudender. Zowel Orion als rover/NERVA en de Saturn/NOVA, een Saturnus met een nucleaire derde rakettrap zouden  uiteindelijk het veld moeten ruimen begin jaren zeventig. Echter de laatste tien jaar is er een kentering te zien. DARPA is verder wat betreft raket lanceringen betrokken bij de ontwikkelingen van de Pegasus en de Taurus raketten van Orbital Sciences Corporation, nu overgegaan in Northrop Grumman Innovations Systems. De Pegasus was de eerste commercieel ontwikkelende lanceerraket en tevens de eerste die vanaf een vliegtuig werd gelanceerd. Het is een drietrapsraket die kunstmanen tot 450 kg in een lage omloopbaan rond de aarde kan brengen (van circa 200 tot 1400 km, afhankelijk van het gewicht van de lading). De eerste vlucht met de Pegasus werd gelanceerd vanaf een B-52 van NASA als draagvliegtuig. Nu wordt een Lockheed Tristar voor de Pegasus XL gebruikt, de huidige versie van de raket die sinds 2000 in gebruik is.

Een minder succesvol project was de ‘ALASA ‘Airborne Launch Assist Space Access project, een klein ruimtevaartuig dat gelanceerd werd vanaf een F-15 om een kleine satelliet in LEO te brengen. Het lukte eenvoudigweg niet de juiste ‘monopropellant’ te maken en na alle verwoeste motoren werd het programma afgebroken. De VASIMR motor van voormalig Astronaut Franklin Chang Diaz (3) kreeg ook steun van Boeings Phantom Works dat via DARPA onder contract stond om voor het ISS een zogeheten  Fast Access Spacecraft Testbed FAST te maken. Een lichtgewicht en compacte zonnecentrale (4) schaalbaar tot honderden kWs. Bedoeling was om FAST met de VASIMR te combineren, met een VASIMR 200 kW motor. In 2009 is hiervoor een overeenkomst met tussen AdAstra en Boeing getekend dat een planning maakte voor de testen. Het voormalig hoofd van DARPA Tony Tether stelt; ‘DARPA heeft voor wat betreft de ruimtevaart vele pieken en dalen gekend. Zo een iedere tien jaar is er wel een belangrijk project en momenteel zitten we midden in zo een cyclus.’ De werkelijkheid is dat DARPA vele ruimtevaartprogramma’s in zijn agenda heeft staan. De DARPA Launch Challenge is er zo een. Een prijs wordt uitgereikt aan diegene die twee kleine ruimtevaartuigen kan lanceren binnen korte tijd vanaf twee verschillende lanceerbasis. Het prijzengeld van 10 miljoen dollar voor de winnaar. Een ander al decennia lang durend programma is het Experimental  Spaceplane (XS-1) programma. Het XS-1 programma heeft inmiddels een reeks weinig succesvolle pogingen achter de rug om een herbruikbaar ruimtevliegtuig te ontwikkelen. De X-30 en de X-33 Venture STAR uit de jaren ’80 en ’90 vlogen helaas niet. DARPA’s laatste poging op dit gebied was het REsponsive Access, Small Cargo, Affordable Launch programma (RASCAL) begin jaren 2000. Het doel was een payload van 140 kg in een aardebaan te brengen voor minder dan 750.000 dollar. RASCAL werd vanaf een hoogte van 30 km gelanceerd maar na 200 miljoen eraan gespendeerd te hebben werd het supsonische vaartuig toch te duur geacht. Het programma werd in 2013 aangekondigd bij een DARPA open industry dag. DARPA verklaarde dat de XS-1 nu beter haalbaar was vanwege een lichtgewicht frame en tank structuren. Jess Sponable, XS-1 projectmanagers visie; ‘The vision here is to break the cycle of escalating space system costs, enable routine space access and hypersonic vehicles.’ Drie bedrijven werden gecontracteerd voor een demonstratie vliegtuig, boeing, SCOR en Virgin Galactic. Vanaf 2017 werd voor fase 2/3 Boeing geselecteerd, die eraan werkt onder de naam Phantom Express, waarvan de motor een herontworpen Space Shuttle main engine is.

Phantom Express ruimtevliegtuig met AR-22 credits; New Atlas

Satellieten, het Interplanetair internet en SpaceX

Wat satellieten betreft werkt DARPA aan  Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites, een robot systeem dat service werkzaamheden aan GEO synchrone satellieten kan doen. DARPA werkt hieraan via het Amerikaanse bedrijf SSL, Small Satellites Ltd. Voorheen heten het Space Systems/Loral, LLC, te Palo Alto (CA). SSL ontwerpt en bouwt satellieten en ruimtevaartsystemen voor overheid en bedrijven. Producten omvatten weersatellieten, communicatie- en aardobseratiesatellieten. SSL wil de service robots na uitvoerig testen in een omloopbaan, voor commercieel gebruik inzetten. Ook constellaties van kleine satellieten, variërend van  enkele tientallen tot honderden, voor militaire toepassingen zijn in ontwikkeling. Doelstelling hiervan is aldus projectleider Paul Thomas op de conferentie;  ‘.. to demonstrate the utility of constellations of dozens to hundreds of satellites to provide a persistent, resilient ISR [intelligence, surveillance, and reconnaissance] network unlike any that we’ve seen before.’ DARPA trekt hier hard aan. DARPA heeft het bedrijf Blackjack satellites in de planning staan voor een contract, dat deze herfst wordt verwacht, het zou gaan om een constellatie van 20 satellieten, een eerste sub-constellatie, dat als alles volgens planning verloopt in 2022 gelanceerd moet worden.

‘Most everyone knows that DARPA invented it. But few know why.’ Reeds in 1953 had de VS een arsenaal van een paar honderd kernbommen. Onder het politiek beleid van ‘massive retaliation’ werd nog wel het tienvoudige als arsenaal opgebouwd. Project als Teak and Orange detoneerden kernbommen op grote hoogten in de atmosfeer en creëerden enorme elektromagnetische pulsen die o.a. in juli 1962 ontaardde bij de ‘Starfish Prime’, een 1.4 Megaton kernbom die op 375 km hoogte in de Pacific tot ontploffing werd gebracht en die alle communicatie in Hawaï verstoorde en satellieten verwoestte. Toen verderop dat jaar zich de Cuba Crisis voordeed realiseerde het Pentagon zich dat een zogeheten ‘Exchange’ een eufemisme voor een nucleaire oorlog voor een complete ‘blackout’ van communicatie kon zorgen. Een netwerk van aaneengesloten computers werd noodzaak.Inmiddels is er het zogeheten Deep Space Network een wereldwijd netwerk van zeer krachtige radiozenders en – ontvangers. Dit netwerk bestaat uit de drie 70-meter-schotelantennes en enkel kleinere die het contact onderhouden met ruimtevaartuigen zoals de Voyager 1 en 2, die zich al buiten het zonnestelsel bevinden. Een schotelantenne staat in Spanje, Madrid, een in de  VS, Goldstone, Californië en Canberra, Australië. Zij worden bediend vanuit het Jet Propulsion Laboratory te Pasadena, (Ca). Het netwerk dateert van 1959. Het voert 35 tot 40 missies per jaar uit.  Dit aantal zal waarschijnlijk verdubbelen tegen 2020 door de toename van het aantal ruimtemissies en het langer duren van huidige missies. Om het DSN te ontlasten is DARPA bezig het Interplanetair internet te ontwikkelen. Ruimteschepen en rovers kunnen met nabijgelegen ruimtesondes communiceren, bemande missies kunnen data van het planetair internet up- en dowloaden. Tegelijk kunnen op aarde wetenschappers in de data van Mars en Titan rovers kunnen browsen. Tot nu toe kost toegang tot het DSN nog zo een 12.000 dollar per minuut. DARPA wil  met het interplanetair internet, alle netwerken d.m.v. clusters van communicerende ruimtevaartuigen die via een backbone dat als een soort trechter werkt voor het IPN dataverkeer tussen de planeten en misschien in de toekomst tussen de sterren zal verzorgen. De IPN Special Interest Group, wordt gefinancierd door DARPA en is een brug tussen de ruimtevaartbedrijven en het meer aardse georiënteerde Internet. (dat nu nog afgestemd is louter voor gebruik op aarde.) Falcon 1 was de eerste raket uit de Falcon-reeks van SpaceX die tussen 2006 en 2009  vijf keer werd gelanceerd en de technische basis vormde voor de Falcon 9 en indirect ook voor de Falcon Heavy. De Falcon 1 was een tweetrapsraket voor lichtgewicht ladingen en kon tot 670 kg in een lage aarde omloopbaan brengen en tot 430 kg in een geostationaire baan.  De lancering vond plaats vanaf Omelek, een eiland dat deel uitmaakt van de Marshalleilanden.

Falcon 1, vlucht 5 met Razaksat credits; wikipedia

Ook SpaceX heeft een historische band met DARPA. FALCON, is niet alleen Han Solo’s ruimteschip maar ook de samenstelling van enerzijds, Force Application and Launch from CONUS (Continental US), or FALCON. Dit programma werd ondersteund door DARPA en hieruit rolde een startup genaamd SpaceX. De eerste lanceerraket die hieruit rolde was de Falcon 1 (hoe toevallig!). Falcon 1 was de eerste raket uit de Falcon-reeks van SpaceX die tussen 2006 en 2009  vijf keer werd gelanceerd en de technische basis vormde voor de Falcon 9 en indirect ook voor de Falcon Heavy. De Falcon 1 was een tweetrapsraket voor lichtgewicht ladingen en kon tot 670 kg in een lage aarde omloopbaan brengen en tot 430 kg in een geostationaire baan.  De lancering vond plaats vanaf Omelek, een eiland dat deel uitmaakt van de Marshalleilanden. En hoewel de rol van DARPA in de Falcon 1 bescheiden bleef in al die tijd nadat drie mislukte pogingen gevolgd werd door nummer 4 op  28 september 2008. SpaceX ging uiteindelijk niet verder met de Falcon 1 daar er te weinig vraag was, maar de raket betekende voor het bedrijf wel een opmaat naar het streven naar een grotere en meer succesvolle Falcon 9 en Falcon heavy, met ondertussen de BFR in ontwikkeling. Gwynne Shotwell, CEO van SpaceX, bracht de ontwikkeling van de Falcon 1 tijdens de conferentie in herinnering, ‘DARPA was Enormously helpful to SpaceX,’ zei ze. ‘That success can balance out a lot of other failures.’ Dat succes kan andere mislukkingen en problemen weer terug in balans brengen. Zo is er dit jaar naast NASA en Apollo nog een jubilaris die inmiddels zoals gezegd reeds 60 jaar bestaat. Bron; SpaceReview, ‘Orion’ G. Dyson, SpaceX

(1) Een executive order is een decreet uitgevaardigd door de President van de VS dat buiten de Senaat en het Huis van Afgevaardigden omgaat.

(2) Michael D. Griffin; is een Amerikaans natuurkundige maar heeft ook een graad in de electrotechniek en bedrijfskunde. Van 13 april 2005 tot 20 januari 2009 was hij hoofd van het Amerikaanse ruimteagentschap NASA. Hij was van 1986 vijf jaar lang adjunct art director voor de SDI-programma in het Strategic Defense Initiative Organisatie van Defensie van de VS en werkte van augustus 1991 tot 1994 bij de NASA als chief engineer en directeur van Research (Associate Administrator for Exploration). Voordat hij als Vice President voor Orbital Sciences Corporation kwam in 1995, een ruimtevaartbedrijf in Dulles (Virginia), werkte hij in Texas als algemeen directeur van Space Industries InternationalHead of In-Q-Tel, Arlington, Virginia, een bedrijf dat in 1999 door de Amerikaanse CIA is opgericht om nieuwe technologieën te verkennen. Inmiddels is hij staatssecretaris van Defensie in de regering Trump

(3) zie Astroblogs 12/1/2018 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

(4)zonnetechnologie; technologie die electriciteit opwekt uit zonlicht, maar i.t.t. conventionele systmen, gebruikt deze lenzen en gebogen spiegels om zonlicht te focussen op kleine, maar zeer efficiente zonnecellen.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.