Een raket is genoemd naar een naaispoel. Het woord komt van het Italiaanse rocchetto, dat spoel betekent, omdat vroege versies op spindelvormige spoelen leken die voor het opwinden van garen werden gebruikt. Het is een vreemd oorsprongsverhaal voor een machine die uiteindelijk mensen voorbij de atmosfeer bracht.
In wezen is een raket eenvoudig: een langgerekt voertuig dat de brandstof die het bij zich draagt verbrandt om te versnellen, zonder omringende lucht nodig te hebben. Deze enkele ontwerpkeuze is wat een raket van een straalmotorig onderscheidt, en het is de reden waarom raketten kunnen vliegen waar straalmotoren niet kunnen: door de leegte van de ruimte, waar een raketmotor eigenlijk beter werkt dan op zeeniveau.
Het verhaal van de raket gaat veel verder terug dan het ruimtetijdperk. Het loopt door Chinese arsenalen, Indiase slagvelden, Russische houten hutten en Duitse raketbunkers voordat het ooit opzettelijk de atmosfeer verliet. Dit is hoe een spolvormig vuurwerk een ruimtevaartuig werd.
Geen straalmotorig met een beter marketingteam
Straalmotoren ademen. Ze zuigen zuurstof uit de omringende lucht en mengen het met brandstof om te verbranden. Een raket daarentegen verpakt zowel de brandstof als de oxidatiemiddel in zijn eigen lichaam, dus het hoeft nooit iets in te ademen. Dit enkele verschil is wat een raket in staat stelt door de leegte van de ruimte te vliegen, waar geen lucht is om in te ademen.
Het contra-intuïtieve gedeelte is wat er met de prestatie gebeurt als de lucht verdwijnt. Raketmotoren tolereren niet alleen het vacuüm, ze werken er eigenlijk efficiënter dan in de atmosfeer. Alles wat goed op de grond werkt, blijkt nog beter te werken als het dit verlaat, wat het tegenovergestelde is van bijna elk ander motortypes dat de mens ooit heeft gebouwd.
Geboren in de Song-dynastie China
Raketten gebouwd voor oorlog en viering gaan minstens terug tot de 13e eeuw in China, wat de raket tot een van de oudste nog actief gebruikte wapens van vandaag maakt, nu alleen gericht op iets veel ambitieuzers. Volgens historicus Joseph Needham had de Song-dynastiefloot al raketten die voldoende georganiseerd waren om ze in 1245 in een gedocumenteerde militaire oefening in te zetten.
Die datum is belangrijk omdat het betekent dat kruitraketten al eeuwen een onderdeel van de militaire toolkit van een staat waren voordat Europa iets gelijkwaardigs had, met hun oorsprong als een maritiem en slagveld-instrument stevig verankerd in Song-China.
De draak die uit het water schoot
Moderne raketten vliegen bijna altijd in etappes, waarbij lege brandstoftanks worden afgeworpen terwijl ze stijgen, zodat het voertuig lichter en sneller wordt. Dat idee is geen uitvinding van de 20e eeuw. Een Chinese militaire handleiding uit de 14e eeuw genaamd Huolongjing beschrijft een apparaat genaamd "vuurdrake die uit het water voorkomt," wat de oudste bekende meertraps raket is, gebouwd voor gebruik door de Chinese marine.
De naam alleen al suggereert de ontwerplogica: een raket die leek uit te barsten uit het water, met één etappe om te gaan bewegen en een tweede om door te gaan, dezelfde gefaseerde logica die elke meertrapsraket die sindsdien is gebouwd in de één of andere vorm heeft gevolgd.
IJzeren behuizingen van een Indisch koninkrijk
Eeuwen na de eerste Chinese raketten waren de meeste raketbehuizingen gemaakt van papier of dun metaal dat onder druk kon barsten. Dat veranderde aan het einde van de 18e eeuw, toen het Koninkrijk Mysore onder het bewind van Hyder Ali de Mysorean-raketten bouwde, de eerste geslaagde ijzeren raketbehuizingen in de geschiedenis.
Een ijzeren behuizing stelde een raket in staat een hogere inwendige druk vast te houden zonder te falen, wat meer stuwkracht en meer bereik betekende. Toen het ontwerp later naar Groot-Brittannië kwam, inspireerde het het Congreve-raketprogramma, waarvan het grootste model, de 32-pond-granaat, een stok van 15 voet lang meebracht om het rechtuit te houden. Een Indische slagveld-innovatie was binnen een generatie een kenmerk van de Europese artillerie geworden.
Een Grieks idee tweeduizend jaar te vroeg
Het oudste bekende apparaat dat de basisprincipes van raketenvlieging aantoont, was helemaal geen wapen. Rond 400 voor Christus bouwde de Griekse Pythagoreer Archytas een houten vogel, hing deze aan draden op en dreef deze er langs voort met behulp van stoom als aandrijfkracht.
Het kwam niet in de buurt van de ruimte, en niemand bouwde lange tijd op het idee voort. Maar het onderliggende principe - dat het uitwerpen van een gasstraal in de ene richting een object in de andere richting duwt - is precies waar elke chemische raketmotor vandaag nog op vertrouwt. Archytas bereikte dit lang voordat iemand buskruit had om het uit te proberen.
De man die ruimtevlucht op papier ontwierp
Lange voordat een raket de atmosfeer verliet, realiseerde een schoolmeester in provinciaal Rusland de wiskunde hoe dit ooit zou kunnen. Konstantin Tsiolkovsky wordt beschouwd als de vader van de ruimtevlucht, en hij was ook de eerste persoon die een ruimteasscenseur bedacht, een idee dat hij in 1895 kreeg na het zien van de nieuw gebouwde Eiffeltoren.
Zijn belangrijkste artikel over het verkennen van de ruimte met raketaangedreven apparaten verscheen in mei 1903, tientallen jaren voordat een regering de techniek of het geld had om zijn vergelijkingen te testen. Hij werkte de natuurkunde van orbitale raketerie uit met weinig meer dan een krijtbord, in een land dat een half eeuw lang niets in een baan zou lanceren.
Een wapen dat per ongeluk de ruimte bereikte
De eerste raket die opzettelijk de atmosfeer verliet, was ontworpen om steden te vernietigen, niet om ze te verkennen. Na de testvlucht MW 18014 op 20 juni 1944 te lanceren, kruiste de V-2 de Kármánlijn en werd het eerste door mensenhanden gemaakte object dat ooit de ruimte bereikte.
Dit mijlpaal kwam midden in een bombardementscampagne. Vanaf september vuurde de Wehrmacht meer dan 3.000 van deze raketten op geallieerde steden af, treffende eerst Londen, daarna Antwerpen en Luik. Dezelfde techniek die voor het eerst de ruimte aanraakte, was destijds een instrument van terreur, een somber herinnering dat de militaire en wetenschappelijke paden van raketerie nooit volledig gescheiden zijn geweest.
Waarom raketten in secties komen
Fasering is niet alleen een historische kuriositeit uit de Huolongjing, het is nog steeds het werkingsprincipe achter het bereiken van een baan. Tussen 1948 en 1950 testten ingenieurs de RTV-G-4 Bumper-serie in White Sands, en later Cape Canaveral, bouwend de eerste snelle meertrapsraketten van de moderne tijd. Een van hen bereikte een hoogte van 393 kilometer boven White Sands op 24 februari 1949, de grootste hoogte die een raket daar ooit had bereikt.
De natuurkunde achter fasering is eenvoudig: dood gewicht halverwege de vlucht loslaten stelt de resterende motoren in staat een lichter voertuig te versnellen. Het eerste stadium van de Saturn V moest bijvoorbeeld de totale massa van alles erboven optillen, en behaalde toch een massaverhouding van ongeveer 10 en een specifieke impuls van 263 seconden, getallen die laten zien waarom ingenieurs naar het lichtste mogelijke stadium streven dat nog intact blijft.
Elk joule uit de uitlaat halen
De droge constructie van een raketmotor, alles wat overblijft nadat de brandstof op is, is vaak maar 5 tot 20% van de totale startmassa van het voertuig. Dit kleine apparaat, niet de brandstof die het draagt, is wat uiteindelijk de kosten van een raketprogramma domineert, omdat het bouwen van tanks en motoren die zowel licht als sterk zijn veel moeilijker is dan ze met brandstof te vullen.
Het meeste uit deze hardware halen komt neer op de nozzle. Raketmonden gebruiken bijna adiabatische vormen met een hoge expansieverhouding die de uitlaatgassen afkoelen en versnellen, met een energie-efficiëntie tot 70%. De brandstofkeuze is ook belangrijk: waterstof en zuurstof leveren samen de hoogste specifieke impuls van elke chemische brandstofcombinatie in gebruik, maar de dichtheid van waterstof is slechts ongeveer een veertiende van die van water, dus motoren die het verbranden hebben grotere, zwaardere turbopompen nodig die de stuwkracht-gewicht-verhouding verminderen, een afweging zichtbaar bij het vergelijken van een motor zoals de RS-25 met een denser gestookt ontwerp als de NK-33.
Geen van deze compromissen zijn verdwenen na een eeuw raketerie. Elke lancering is nog steeds een onderhandeling tussen hoeveel dood gewicht een voertuig kan afwerpen, hoe efficiënt de nozzle de uitlaat kan vormgeven, en hoe dicht een brandstof het durft te verbranden, dezelfde compromissen waarover een Chinese arsenal-officier en een Russische schoolmeester al lang waren besprekingen voordat iemand ervan een naam in het Engels had.