Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Een nieuwe generatie ruimtevliegtuigen profiteert van de nieuwste technologie

Dream Chaser zou vracht, en uiteindelijk de bemanning, naar een lage baan om de aarde brengen. Credit:Ken Ulbrich / NASA

De Space Shuttle van NASA heeft 30 jaar lang in een lage baan om de aarde geopereerd voordat hij in 2011 met pensioen ging. De vervanger van dit voertuig door de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie, Orion, keerde echter terug naar het conische capsuleontwerp dat bekend was van de Apollo-missies. Dit kwam omdat NASA van plan was dit nieuwere ruimtevaartuig te gebruiken voor het verkennen van doelen in de diepe ruimte, zoals de maan.



Maar de afgelopen jaren hebben we een terugkeer gezien van het ruimtevliegtuigontwerp. Sinds 2010 lanceert de Amerikaanse ruimtemacht (en voorheen de Amerikaanse luchtmacht) een robotachtig ruimtevliegtuig genaamd de X-37B in een lage baan om de aarde voor geheime missies. China heeft zijn eigen militaire ruimtevliegtuig genaamd Shenlong.

Dit jaar zou er een testvlucht kunnen plaatsvinden van de Dream Chaser van het bedrijf Sierra Space – het eerste commerciële ruimtevliegtuig dat in een baan om de aarde kan vliegen. Als alles goed gaat, kan het voertuig worden gebruikt om het Internationale Ruimtestation (ISS) te bevoorraden met vracht en uiteindelijk ook met bemanning.

Ruimtevliegtuigen kunnen in de atmosfeer van de aarde vliegen of glijden en op landingsbanen landen in plaats van parachutes te gebruiken om in water of op vlakke grond zoals capsules te landen. Ze zijn ook beter manoeuvreerbaar als het ruimtevaartuig opnieuw de atmosfeer binnenkomt, waardoor het gebied op het aardoppervlak waar landing mogelijk is vanaf een specifiek terugkeerpunt groter wordt.

Ruimtevliegtuigen maken ook een zachtere maar langere vliegroute mogelijk tijdens terugkeer en een zachtere landing, wat gemakkelijker is voor bemanning en vracht dan capsules, die met een plof kunnen landen. Een landingsbaan zorgt er ook voor dat grondpersoneel en infrastructuur gereed zijn op de landingslocatie.

Kosten en complexiteit

De X-37B van de US Space Force heeft geen bemanning aan boord en de missies zijn geheim. Krediet:Stafsergeant. Adam Shanks / US Space Force

Maar ruimtevliegtuigen zijn complexer en zwaarder dan een gelijkwaardige capsule. De gevleugelde lichaamsvorm vormt een bijzondere uitdaging voor het ontwerpen van thermische beschermingssystemen (TPS) – de hittebestendige materialen die het vaartuig beschermen tegen verzengende temperaturen bij terugkeer. Deze extra kosten zorgen ervoor dat het onpraktisch is om een ​​ruimtevliegtuig voor een enkele vlucht te ontwerpen. Ze moeten steeds opnieuw worden gebruikt om levensvatbaar te zijn.

Er is belangstelling voor ruimtevliegtuigen vanaf de vroegste dagen van de bemande ruimtevaart. Een militair ruimtevliegtuigproject genaamd Dyna-Soar werd in 1957 in de VS gestart en vervolgens geannuleerd vlak nadat de bouw was begonnen. Het voertuig was geavanceerd voor die tijd, gebouwd met behulp van een metaallegering die bestand is tegen hoge temperaturen en voorzien van een hitteschild aan de voorkant dat kan worden losgemaakt nadat het uit de ruimte is teruggekeerd, zodat de piloot duidelijk kon zien terwijl hij landde.

De Space Shuttle, die in 1981 in dienst kwam, was het eerste operationele ruimtevliegtuig. Het was de bedoeling dat het vaker zou worden gelanceerd dan het deed en een grotere herbruikbaarheid zou hebben, maar het bleek dat er tussen de lanceringen een uitgebreide renovatie nodig was. Het toonde echter wel het vermogen aan om astronauten en grote vrachten uit de ruimte terug te brengen.

Andere ruimtevaartorganisaties investeerden in de jaren tachtig en negentig, in Europa met het Hermes-ruimtevliegtuig, en in Japan met het HOPE-voertuig. Beide programma's werden grotendeels geannuleerd vanwege de kosten. De Sovjet-Unie ontwikkelde een eigen shuttle-achtig voertuig genaamd Buran, dat in 1988 met succes de ruimte in vloog. Het programma werd geannuleerd na de ineenstorting van de Sovjet-Unie.

De hitte voelen

Ruimtevliegtuigen stellen specifieke eisen aan het laatste deel van hun reis, wanneer ze terugkeren uit de ruimte. Tijdens het terugkeren in de atmosfeer worden ze verwarmd tot meer dan duizend graden Celsius terwijl ze zich voortbewegen met hypersonische snelheden van meer dan zeven kilometer per seconde – meer dan twintig keer de snelheid van het geluid. Een ontwerp met een stompe neus (waarbij de rand van het ruimtevaartuig afgerond is) is een ideale vorm omdat het de opbouw van warmte aan het voorste deel van het voertuig vermindert.

Bij de lancering was de space shuttle aan de zijkant van een grote externe brandstoftank bevestigd. Krediet:NASA / JSC

Toch kunnen de verwachte temperaturen die het vaartuig ervaart nog steeds oplopen tot 1600°C, waardoor een thermisch beschermingssysteem aan de buitenkant van het voertuig noodzakelijk is. De space shuttle TPS omvatte keramische tegels die bijzonder hittebestendig waren en een versterkte koolstof-koolstofmatrix die temperaturen tot wel 2400°C kon weerstaan.

Het verlies van de Columbia-shuttle tijdens de terugkeer in 2003, waarbij zeven astronauten om het leven kwamen, was het gevolg van een breuk in de TPS aan de voorrand van de vleugel. Dit was het gevolg van een stuk isolatieschuim dat tijdens de lancering van Columbia van de externe tank van de shuttle vloog en de vleugel raakte.

Dit schuimprobleem kwam herhaaldelijk voor bij de shuttle vanwege de manier waarop deze gelanceerd werd aan de zijkant van de externe brandstoftank. Maar nieuwere ruimtevliegtuigontwerpen zullen bovenop conventionele raketten vliegen, waar vallend schuim geen probleem is.

Een effectieve TPS blijft van cruciaal belang voor het toekomstige succes van ruimtevliegtuigen, net als systemen die de TPS-prestaties in realtime monitoren.

Huidige voertuigen

Er zijn momenteel twee operationele ruimtevliegtuigen, een Chinees en een Amerikaans, die een baan om de aarde kunnen bereiken. Er is weinig informatie beschikbaar over de Chinese Shenlong, maar de X-37B van het Amerikaanse leger is beter bekend. Het negen meter lange, onbemande voertuig weegt bij de lancering bijna vijf ton, wordt gelanceerd met een conventionele raket en landt aan het einde van zijn missie autonoom op een landingsbaan.

Dream Chaser wordt geëvalueerd in de Neil Armstrong-testfaciliteit van NASA. Krediet:NASA

De TPS van de X-37B maakt gebruik van tegels die lijken op de shuttle over het onderoppervlak met een goedkoper alternatief voor versterkte koolstofkoolstof genaamd Tufroc, ontwikkeld voor de X37B, op de neus en voorranden.

Ze zouden binnenkort vergezeld moeten worden door Dream Chaser, die door het bedrijf is ontwikkeld om zowel vracht als astronauten te vervoeren, maar NASA wil zijn veiligheid bewijzen voordat hij mensen vervoert door hem te gebruiken om eerst vracht naar het ruimtestation te vervoeren. Het vermogen om relatief kwetsbare vracht terug naar de oppervlakte te brengen vanwege een zachtere landing is een sleutelvermogen. De tegels die Dream Chaser beschermen zijn gemaakt van silica en hebben elk een unieke vorm die past bij het gebied op het voertuig dat ze moeten beschermen.

Toekomstige ontwikkelingen

Er is nog steeds belangstelling voor ruimtevliegtuigen vanwege hun vermogen om bemanning en vracht naar een startbaan terug te brengen. De vraag naar deze mogelijkheid is nu beperkt. Maar als de kosten van lanceringen in de ruimte blijven dalen en een uitbreiding van de industrie in de ruimte de vraag doet toenemen, zullen ze een steeds levensvatbaarder alternatief voor capsules worden.

Op de langere termijn bestaat er ook potentieel voor ruimtevliegtuigen die in staat zijn een baan om de aarde te bereiken nadat ze zijn opgestegen vanaf een landingsbaan. De uitdagingen bij de ontwikkeling van deze single-stage-to-orbit (SSTO) voertuigen zijn aanzienlijk. Concepten zoals het Skylon-voertuig leiden echter tot technische ontwikkelingen die uiteindelijk de ontwikkeling van een SSTO-vaartuig zouden kunnen ondersteunen.

In de nabije toekomst zien ruimtevliegtuigen er veelbelovend uit om de volgende redenen:nieuwe ontwerptechnieken, verbeterde materialen voor de TPS, geavanceerde computermodellering en simulatietools voor het optimaliseren van verschillende aspecten van ontwerp en vluchtparameters en voortdurende verbeteringen in voortstuwingssystemen.

Gegeven het feit dat verschillende overheden, ruimtevaartorganisaties en particuliere bedrijven over de hele wereld zwaar investeren in onderzoek en ontwikkeling van ruimtevliegtuigen, zouden we een toekomst kunnen zien waarin vluchten met deze voertuigen routine worden.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wetenschappers koppelen eicelspecifieke histon H1FOO aan een betere iPS-celgeneratie
  2. Japan doodt 177 walvissen in campagne in de Stille Oceaan:regering
  3. Wat is de rol van enzymen in het metabolisme?
  4. Hoe kan licht virussen doden?
  5. Het overdrachtspotentieel van vliegen kan groter zijn dan gedacht, onderzoekers zeggen:
  6. Het testen van chimpansees in Tanzania gedurende tientallen jaren suggereert dat persoonlijkheidstypes stabiel zijn
  7. Wat doen onze lichaamscellen met zuurstof?
  8. Wat is een fossiel?
  9. Een eerste blik op geografische variatie in ezelspinguïnoproepen

Wetenschap