14 december 2019

Ook de ‘Star’ rakettrappen reizen door de interstellaire ruimte

Momenteel zijn er vijf door de mens gemaakte objecten die of op het punt staan het zonnestelsel te verlaten of het inmiddels verlaten hebben, dit zou je concluderen als je de berichtgeving over de ruimtevaart met enige regelmaat volgt. Het gaat om de Pioneers 10 en 11, de Voyagers 1 en 2 en de New Horizons. Toch is dit niet helemaal correct, de teller van de objecten die ook door de interstellaire ruimte reizen, of praktisch op het punt staan die te betreden, staat inmiddels op 9. Deze andere vier objecten zijn geen geheime militaire of mysterieuze sondes, nee, het zijn rakettrappen, de bovenste wel te verstaan, diegene die gebruikt zijn om de interstellaire sondes in de ruimte te lanceren en die op hun eigen verre, enkele reis door de uitgestrektheid van het universum bezig zijn. Het zijn de ‘Star’ rakettrappen van Northrop Grumman.

Pioneer 10 op Star 37E motor net voor lancering credits; NASA

Opdat de vijf deep space wetenschappelijke ruimtesondes op een traject komen dat ze uiteindelijk buiten het zonnestelsel doet belanden moeten ze voldoende geaccelereerd worden om zich te onttrekken aan de zwaartekracht van de zon. Op het moment dat dit het geval is zullen de twee componenten, de rakettrap en de wetenschappelijke sonde zich van elkaar scheiden, de rakettrap gaat echter net zo snel als de sonde en zal ook aan eenzelfde reis beginnen. Iedere interstellaire missie heeft dus een bovenste trap (upperstage booster) die met ze meevliegt en, eenmaal gescheiden, ieder hun eigen weg gaan, en zo krijg je dus zelfs in de verre interstellaire ruimte uiteindelijk ook flink wat afgeworpen raketcomponenten. Waarom zijn er dan momenteel wel vijf sondes en maar vier boosters rakettrappen? De Pioneer 11 booster rakettrap (Star 37E) kwam in de nabijheid ( een ‘close encounter’) van Jupiter en werd in een baan om de zon geworpen na een onbedoelde slingshot manoeuvre. Dus resteren er vooralsnog vier rakettrappen, drie van het type Star type 37E en eenmaal de Star 48B, die ieder op hun eigen verre, enkele reis door de uitgestrektheid van het universum bezig zijn. Een eenzame reis die voor de Pioneer 10 richting de ster Aldebaran (sterrenbeeld Stier) gaat, voor de Pioneer 2 richting het sterrenbeeld Schild (Scutum), en de Voyagers 1 en 2, beide niet beoogd op een bepaalde ster, begeven zich in de richting van resp. de sterrenbeelden  Giraffe (Camelopardalis) en Andromeda. De New Horizons* gaat vooralsnog richting de verre Kuipergordelobjecten.

InSight en Centaur raket credits; NASA / Spaceflight now

Maar wat voor de interstellaire missies geldt, geldt net zo goed voor de interplanetaire missies binnen ons zonnestelsel. Zo hadden we dit jaar de Mars InSight missie. NASA’s InSight Mars missie werd gelanceerd op 5 mei j.l. vanaf luchtmachtbasis Vandenberg. De eerste grote koers correctie volgde reeds op 22 mei. De correctie van de InSight robotsonde op zijn weg naar de Rode Planeet was niet alleen nodig om het beoogde doel te kunnen bereiken maar ook om biocontaminatie van de planeet met aardse microben te vermijden. De koerscorrectie moest ertoe leiden dat de Centaur, de bovenste rakettrap, niet ook op de planeet zou belanden. De Centaur is een van de rakettrappen die net als vele andere bovenste rakettrappen hun eigen banen in het zonnestelsel gaan draaien maar nooit op de beoogde planeet of maan zelf zullen landen. Voor praktisch iedere satelliet die aan de aardse zwaartekracht ontsnapt is, is er ook een booster rakettrap die zich uiteindelijk in een baan om onze zon gaat bewegen. In het geval van de InSight missie is dit de Centaur rakettrap die als bovenste rakettrap was bevestigd op de Atlas V 401 raket. Volgens NASA vormt de Centaur raket van InSight een potentieel biocontaminatie probleem, net als alle vorige booster rakettrappen die maan of planeet landingsmissies mogelijk maken. En keurig volgens internationale afspraken is zoals dit jaar de InSight sonde zelf zorgvuldig gesteriliseerd om contaminatie van Mars met aardse microbes te voorkomen. Maar deze afspraken en regels gelden echter niet voor de bovenste rakettrappen in dit geval de Centaur. Om de kans op een botsing met Mars te voorkomen werd van het initiële traject opzettelijk iets afgeweken. Dit betekende dat nadat InSight zijn koerscorrectie maakte de sonde pas echt op koers lag. De Centaur volgde nu het initiële traject waarbij het met een flinke boog om Mars heen zal gaan en dus de planeet met een wijde marge zal missen.

InSight Centaur separatie credits; Spaceflight now

De Pioneers, de Voyagers
De Pioneers 1 en 2, de Voyagers 1 en 2 gebruikten als bovenste rakettrap de Star 37E en de New Horizons de Star 48B. De Pioneer 1, werd op 3 maart 1972 gelanceerd op een Atlas SLV-3C/Centaur D/Star-37E of Star TME-364-4 of Thiokol Motor Elkton) combinatie vanaf het speciaal voor deze combinatie gebouwde lanceerpad LC-36A. Deze Pioneers moesten de weg zien te effenen voor zwaardere verkenners. Het was een testcase voor de ideale vormgeving van zo’n sonde daar er toentertijd slechts weinig bekend was over de stralingsgordels van de buitenplaneten en de intensiteit van micrometeorieten. De Pioneers droegen sensors die magnetische velden, geladen deeltjes en samenstelling van Jupiter vastlegden.  Op 4 december 1973  vloog de sonde Jupiter voorbij met als kleinste afstand 132.252 km. In 1997 stopte NASA met het routinematig volgen van de Pioneers maar in 2002 seinde de ’10’ nog gegevens door, echter na in april 2002 voor de laatste maal nuttige gegevens te hebben verstuurd was de koek definitief op. De ’10’ was definitief aan zijn verre reis richting de ster Aldebaran (op 68 lichtjaar afstand) begonnen. Op basis van beide vluchten (10 & 11) paste NASA haar plannen voor de Voyagers aan en werkte deze gedetailleerd uit. In januari 2019, zo is berekend zal de ’10’ op 121.7 AU afstand van de aarde zijn en zich met 2.5 AU verder van ons af begeven. Als alles volgens schema gaat zal de Voyager 2 (ong. op 120 AU momenteel) de Pioneer 10 in april 2019 inhalen. In 2015 bevond de Pioneer 11 zich op 90.7 AU van de aarde, en de sonde begaf zich van ons af met 2.4 AU per jaar. De ’11’ gaat richting het sterrenbeeld Scutum, in de nabijheid van Messier 26.

Titan IIIE en Voyager 2 credits; Kerbal Space Program forum

De Voyagers 1 en 2 vormen samen de huidige interstellaire missies van NASA. Voyager 1 werd op 5 september 1977, vanaf Cape Canaveral door een Titan IIIE (een Titan/Centaur combinatie) draagraket gelanceerd. Met een afstand tot de zon van 18,7 miljard km heeft de ‘1’ in augustus 2013 de heliosfeer verlaten en, als eerste door mensen vervaardigd object, de interstellaire ruimte bereikt. Op 5 september 2017, precies 40 jaar na de lancering, bevond de Voyager 1 zich op een afstand van 20,8 miljard kilometer van de aarde.  De Voyager 2 werd iets eerder, op 20 augustus 1977, gelanceerd. Hoewel de ‘1’ later gelanceerd werd bereikte hij zowel Jupiter als Saturnus als eerste, omdat hij een kortere route volgde. De Voyager 2 missie werd in het leven geroepen om gebruik te maken van de zeldzaam voorkomende onderlinge positie van de vier grote buitenplaneten eind jaren ’70. De vier buitenplaneten stonden toen op een lijn. Deze één keer per 175 jaar voorkomende situatie maakte het mogelijk de planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus met een minimum aan brandstof en reisduur te bereiken. Het oorspronkelijke doel van de Voyagers was het van dichtbij onderzoeken van Jupiter, Saturnus, zijn ringen en de grootste manen van beide planeten. Indien mogelijk zou Voyager 2 echter ook nog Uranus en Neptunus aandoen. Inmiddels heeft de ‘2’ ook de baan van Pluto ver achter zich gelaten en heeft op 5 november 2018 de heliosfeer verlaten. Daarmee bevindt de sonde zich in de interstellaire ruimte. De snelheid waarmee Voyager 2 door de ruimte voortraast bedraagt 495.000.000 km per jaar of  ongeveer 56.500 km/h. New Horizons is de eerste missie van een ruimtesonde naar Pluto. NASA lanceerde deze onbemande missie met een Atlas V/Star 48B raketcombinatie op 19 januari 2006. New Horizon’s doel was het onderzoeken van de samenstelling en de atmosfeer van de dwergplaneet Pluto met zijn manen en andere Kuipergordelobjecten (waar Pluto en zijn manen deel van uitmaken). Pioneer 11 is reeds ingehaald door de Voyagers en de Voyager 1 is het meest verre door mensen gemaakte object van de aarde, rond de 145 AU.

New Horizons in Atlas V/Star 48B combinatie credits; The Astrogators Guild

Atlas/Centaur, Titan/Centaur met Star
De Atlas/Centaur is een veelgebruikte draagraketcombinatie (gebaseerd op het Atlas Intercontinental Ballistic Missile Design) en stamt uit de jaren 1950-60. De Centaur wordt gebruikt om satellieten in hun juiste baan te brengen of om ruimtesondes de ontsnappingssnelheid te geven. Het was ‘s werelds eerste door vloeibare brandstof (LH2/LOX, vloeibaar water- en zuurstof) aangedreven raketmotor die als bovenste rakettrap fungeerde. In oktober 2018 werd de 250e Centaur gelanceerd. De Centaur, eigenlijk een verkleinde Atlasraket, maakte gebruik van roestvrije  “tankballonnen”. Deze behouden hun stevigheid door de druk binnenin, en zijn daarom lichter dan gewone raketten. De voortstuwing van een Centaur gebeurt door één of twee RL10 raketmotoren. De Centaur wordt tegenwoordig door United Launch Alliance (vroeger door Convair) gebouwd als tweede trap van de Atlas V. De lijst van de Atlas/Centaur begon met AC-1 op 8 mei 1962 en eindigde met de laatste Atlas III (Centaur), AC-206, die op 3 februari 2005 werd gelanceerd. Atlas/Centaurs werden gebruikt voor 167 lanceringen tussen 1962 en 2004 en tegen die tijd waren ze vervangen door de Atlas V met een nieuwe eerste trap aangedreven door een veel krachtiger Russische RD-180 motor.

Zowel de Pioneers als de Voyagers als de New Horizons maakten gebruik van de Star rakettrappen. De Star is een serie ook wel ‘familie’ genoemd, van rakettrappen ontworpen voor bevestiging op de Atlas/Centaur en Titan/Centaur lanceerraketten. De Star wordt gebruikt om satellieten in hun juiste baan te brengen of om ruimtesondes de acceleratie te geven die nodig is om aan de zwaartekracht van de zon te ontsnappen. De Star wordt veelgebruikt, waaronder dus bij de Pioneers en de Voyagers, deze gebruikten het type ’37E’, dit nummer verwijst naar de diameter van de brandstofballon gemeten in inches. Deze werden bovenop de Atlas/Centaur combinatie bevestigd.  Met een gewicht van 1300 kg en een op vaste brandstof** aangedreven raketmotor kan de Star de sondes tot een snelheid van 15.000 km/h accelereren. Oorspronkelijk gebouwd en ontworpen door het bedrijf Thiokol, zij produceerden in de jaren ’70 tot 2000 een grote serie van Star rakettrappen (zie ook naamsaanduiding als TE-M plus serietype, T van Thiokol, E voor Elkton, de plek, en M(D) voor Motor Divisie, en de andere letters, B,BV, voor de betreffende divisies), werd Thiokol in 2001 door ATK Obital overgenomen dat op zijn beurt recentelijk door Northrop Grumman*** is overgenomen. Ook de Star 48B van de New Horizons komt uit de koker van Thiokol. Ook hier slaat het ’48’ op de diameter van de brandstoftankballon. De Star 48B was het eerste deel van de New Horizons sonde die Jupiter bereikte. Ook de Parker Solar Probe maakt gebruik van een Star 48BV maar deze in combinatie met een Delta IV Heavy als ook Boeings Global Positioning Satellieten. In combinatie met de Delta is de Star 48 de meest gebruikte Star rakettrap. De Star wordt ook gebruikt voor satellieten om ze in een geostationaire baan, die voor de commercie zeer lucratief is, te gebruiken. Bronnen; New Atlas / Spaceflight Now / The Astrogators Guild / NASA

*Hoewel officieel de NH zich in de Kuipergordel bevindt, die op 30-50 AU afstand van de aarde ligt, is de NH nog niet in de heliopauze, die zich rond de 75-90 AU afstand van de aarde bevindt, maar is het tweetal al wel flink op weg.

** vaste brandstofraket: het gebruik van vaste brandstof voor raketmotoren vindt zijn oorsprong in het leger. Aangezien raketten met vaste brandstof lange tijd in opslag kunnen blijven, makkelijk te vervoeren zijn en vervolgens op betrouwbare wijze op korte termijn kunnen worden gelanceerd, worden ze vaak gebruikt in militaire toepassingen. De lagere prestaties van vaste drijfgassen (in vergelijking met vloeistoffen) zijn niet bevorderlijk voor hun gebruik als primaire aandrijving in moderne medium-tot-grote lanceervoertuigen die gewoonlijk worden gebruikt om commerciële satellieten in een baan om de aarde te brengen en om grote ruimtesondes te lanceren. Vaste brandstoffen worden echter vaak gebruikt als strap-on boosters om de nuttige lading te vergroten of als hogere rakettrappen wanneer hogere dan normale snelheden vereist zijn. Vaste brandstof raketten worden gebruikt als voor lanceringen met lichte ladingen naar een lage aardebaan (LEO) -ladingen onder de 2 ton of ladingen voor missies die moeten ontsnappen aan de zons zwaartekracht tot 500 kilogram.

*** Northrop Grumman; is een in 1994 opgericht Amerikaanse ruimtevaartbedrijf, het was een fusie tussen twee luchtvaartbedrijven met gelijkluidende namen. Het is tevens ‘s werelds vijfde op de lijst van wapenfabrikanten en kocht begin 2000 zowel TRW als Scaled Composites op. Er zijn 85.000 mensen wereldwijd bij werkzaam. De jaarlijkse omzet van het bedrijf ligt rond de 25 miljard US dollar. Het staat nr. 118 op de wereldranglijst van grootste bedrijven, en het hoofdkwartier zetelt in West Falls Church Virginia.

Comments

  1. Martin Schoenmaker Martin Schoenmaker zegt

    De koerscorrectie moest ertoe leiden dat de Centaur, de bovenste rakettrap, ook op de planeet zou belanden

    In deze zin moet waarschijnlijk het woordje “niet” nog toegevoegd worden…

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: