Naar een baan om de aarde en weer terug met een raketvliegtuig uit Delft

Een beetje verstopt zit het ruimtevaartbedrijf Dawn Aerospace wel, een blokkendoos tussen blokkendozen, op een industrieterrein in Delfgauw, bij Delft. Van buiten verraadt niets dat hier gewerkt wordt aan een innovatief raketvliegtuig dat satellieten moet gaan lanceren naar een baan om de aarde. Goedkoop, snel en op bestelling, en zonder dat er opgebruikte rakettrappen terugvallen naar de aarde, met alle gevaar, verspilling en kosten tot gevolg.

„Onze testvluchten voeren we uit op het Zuidereiland van Nieuw-Zeeland, bij Mount Cook en de bergen daaromheen”, vertelt Jeroen Wink, commercieel directeur van het ruimtevaartbedrijf. Op foto’s en video’s is het testtoestel Mk-II Aurora te zien als een zwart-wit vliegtuigje met een deltavleugel, minuscuul afstekend tegen het weidse besneeuwde berglandschap.

Eind maart heeft de 4,8 meter lange Mk-II Aurora zijn eerste testvluchten uitgevoerd met een zelf ontwikkelde raketmotor. Het raketvliegtuig is bedoeld als voorloper van Mk-III, die nog op de tekentafel ligt. Dat onbemande vliegtuig van zo’n 18 meter moet, voortgestuwd door een raketmotor, doorstoten naar een hoogte van 100 kilometer en een maximumsnelheid van rond de 4.000 kilometer per uur.

Groeiende lanceermarkt

Daar, in het bijna-vacuüm van de ruimte, ontbrandt dan de tweede trap, die doortrekt naar zo’n 25.000 km/u en een hoogte van 300 tot 500 km: een baan om de aarde. Daar wordt dan de lading afgezet: een of meerdere satellieten van in totaal maximaal 250 kilogram. Intussen keert het vliegtuig om, en landt als een gewoon vliegtuig op dezelfde landingsbaan waar hij opgestegen is.

Dawn Aerospace is lang niet het enige bedrijf dat wil inspringen op de groeiende markt voor lanceringen van kleine satellieten. Wereldwijd mikken tientallen bedrijven op de groeiende lanceermarkt voor small launchers. Meestal zijn dat verticaal opstijgende raketten, zoals de deels herbruikbare Elektron-raket van het Nieuw-Zeelandse Rocket Lab, die al 35 lanceringen achter de rug heeft.

In januari probeerde het Amerikaanse Virgin Orbit een satelliet te lanceren met een raket die afgeschoten werd vanonder een Boeing 747 die opsteeg in het Britse Cornwall. Dat mislukte.

Lees over de mislukte vlucht van Virgin: Falen ‘hoort erbij’ in de ruimtevaart, dat geldt ook voor Virgin Orbit

We nemen op dit moment meer dan een werknemer per week aan

Jeroen Wink commercieel directeur

Dawn Aerospace wil nog een stapje verder gaan. Niet alleen is de Mk-III volledig herbruikbaar, maar doordat er geen trappen terugvallen naar de aarde, hoeft de lancering ook niet plaats te vinden boven afgelegen gebieden of zee.

Dat klinkt ambitieus voor een bedrijf van vier lucht- en ruimtevaartstudenten en een Nieuw-Zeelandse ingenieur met ervaring in de luchtvaart. Maar Dawn Aerospace is niet alleen een start-up met grote plannen. Het is ook een middelgroot gevestigd ruimtevaartbedrijf met een honderdtal werknemers (de helft in Delfgauw) en een vaste inkomensstroom uit kleine stuwraketten en aandrijvingssystemen voor satellieten. Wink: „Als een satelliet in een baan om de aarde is gebracht, heeft hij vaak nog steeds aandrijving nodig, bijvoorbeeld om in de juiste baan terecht te komen, of om na gebruik terug te vallen naar de aarde.”

Met dat doel maakt Dawn thrusters, kleine stuwraketjes die gemakkelijk aan en ook weer uitgeschakeld kunnen worden, met soms lange tussenpozen. „Dat is echt onze bread and butter”, zegt Wink. „We hebben nu 57 thrusters in de ruimte op 12 verschillende satellieten.”

In 2022 sloot het bedrijf contracten voor 22 miljoen dollar. Wink: „We nemen op dit moment meer dan een werknemer per week aan.”

Dawns thrusters werken op een combinatie van de brandstof propeen en de oxidator lachgas (N₂O). Wink: „Dat is een onconventionele combinatie, wij zijn op dit moment de enige ter wereld die dat aanbieden, al zijn er inmiddels wel andere partijen die ook zulke motoren ontwikkelen.”

Het is een technische keuze die voortvloeit uit de ervaringen van Wink en mede-oprichters in de Delftse studentenraketvereniging DARE. „Daarmee hebben in 2015 onze Stratos II+-raket gelanceerd vanuit Zuid-Spanje.”

Hybride motor

De hybride raketmotor combineert de voordelen van de twee basistypen. Het eerste type zijn de vastebrandstofmotoren, die bestaan uit een buis vol vaste brandstof die verbrandt, en daarbij de gloeiend hete gassen produceert die de raket voortstuwen als een vuurpijl. Ze zijn eenvoudig en lang houdbaar, maar eenmaal ontstoken is de motor niet meer te doven of bij te regelen.

Vloeibare raketmotoren gebruiken een vloeibare of gasvormige brandstof en oxidator, die onder druk in een verbrandingskamer gespoten worden en daar verbranden. Zulke motoren zijn veel complexer, maar het voordeel is dat de verbranding beter te regelen is. Vaak kunnen ze meerdere keren stoppen met vuren en weer starten.

Hydrazine is lang houdbaar en betrouwbaar, maar het is ook zeer giftig, kankerverwekkend en explosiegevaarlijk

Jeroen Wink commercieel directeur

De hybride motor heeft de eenvoud van de vastebrandstofmotor en de regelbaarheid van de vloeibare. Een gereguleerd toegevoerde oxidator, lachgas bij Stratos-II+, reageert met een vaste brandstof (een mengsel van paraffine, aluminiumpoeder en sorbitol).

„De lancering was een succes”, zegt Wink, „maar tegelijkertijd, dacht ik: tsja, na vijftien minuten ligt 80 procent van de raket waar we al die tijd aan gewerkt hadden op de bodem van de oceaan. Herbruikbaarheid is de norm aan het worden in de ruimtevaart, dat was toen al duidelijk. Een vaste brandstof maakt deel uit van de structuur van de raket. Dat is niet handig voor herbruikbaarheid.”

Dus gingen de studenten op zoek naar een vloeibare of gasvormige brandstof die goed zou werken met lachgas, waarmee ze inmiddels goede ervaringen hadden. Ze kwamen uit bij propeen. Wink: „Dat ken je van LPG, een mengsel van propaan en propeen. Het is heel gemakkelijk in het gebruik.”

Dat is een groot verschil met hydrazine, de brandstof die standaard gebruikt wordt voor stuwmotoren van tweede rakettrappen en satellieten. „Hydrazine is lang houdbaar en betrouwbaar”, zegt Wink, „maar het is ook zeer giftig, kankerverwekkend en explosiegevaarlijk, en daarom voor algemeen gebruik verboden. Dat past niet echt bij de ontwikkelingen van de ruimtevaart, waar alles kleiner, sneller en goedkoper moet.”

Carbon-composiet

Ook het ruimtevliegtuig zelf was een idee dat voortkwam uit de Stratos II+-ervaring, vertelt Wink. „We lanceerden vanaf een basis in Zuid-Spanje, maar dat is eigenlijk heel omslachtig. Eerst moet je met je raket naar een verre lanceerbasis in een dunbevolkt gebied, en vervolgens moet je het gebied waarboven de raket vliegt – meestal de zee – ontruimen. Er vallen rakettrappen terug, en er kan ook altijd iets explosief misgaan.”

Voor studenten rekende de lanceerbasis een schappelijke prijs – „ik mag niet zeggen hoeveel”, zegt Wink, maar een commercieel bedrijf betaalt daarvoor al snel een miljoen per dag. „Dus wij dachten: waarom maken we er geen vliegtuig van? Dat kan gewoon opstijgen van een landingsbaan en daarna weer landen.”

Voor de raketmotor van het vliegtuig, die op zeeniveau bij hogere druk moet werken, is de combinatie propeen-lachgas niet geschikt. De Mk-II en in de toekomst de Mk-III gebruiken kerosine, een veelgebruikte raketbrandstof, in combinatie met vloeibaar waterstofperoxide als oxidator. Dit in plaats van het veelgebruikte vloeibare zuurstof, waarvoor koeling tot -190 graden Celsius nodig is.

Bij een rondleiding in de fabriek laat Wink zien hoe Dawn zijn eigen raketvliegtuigen bouwt en ontwikkelt: op de schappen liggen mallen voor het vormen van het lichte en stijve carbon-composiet waarvan het vliegtuigje gemaakt is.

Het idee is dat we steeds een stapje verder gaan: steeds sneller en steeds hoger

Jeroen Wink commercieel directeur

Na 47 testvluchten met een kleine straalmotor, om het vluchtgedrag in de vingers te krijgen, voerde de Mk-II vorige maand zijn eerste drie vluchten uit met de nieuwe motor. „Een enorm verschil”, zegt Wink, „hij heeft 2,5 keer zoveel stuwkracht, en versnelt een stuk harder.”

De bedoeling is om nu de snelheid en de hoogte langzaam op te voeren, naar 20 kilometer, en 1,2 keer de geluidssnelheid. Op basis van die ervaringen wordt een tweede prototype gebouwd, met verbeteringen zoals kleine stuurraketjes om ook boven de atmosfeer bij te kunnen sturen. Wink: „Daarmee willen we in 2024 naar 100 kilometer, de grens van de ruimte, en drie keer de geluidssnelheid.”

Het ontwerp van Mk-III, het model dat satellieten moet gaan lanceren, zal afhangen van de uitkomsten van dat testprogramma, zegt Wink. „Dat zit nog in een heel vroege ontwerpfase. Het idee is dat we steeds een stapje verder gaan: steeds sneller en steeds hoger.”