Het Air Force Research Laboratory (AFRL) van de Amerikaanse luchtmacht heeft in het NASA Stennis Space Center met succes een zogeheten voorverbrander voor een raketmotor getest. Dat is een mijlpaal, omdat zo’n systeem het vermogen van een ruimteraket sterk kan verhogen.

Een raketmotor gaat in zo’n hoog tempo door zijn brandstof heen – vaak kerosine – dat de brandstofpomp heel krachtig moet zijn om het verbruik bij te houden. Tegelijkertijd is het belangrijk dat de pomp zelf een zo klein mogelijk deel van de brandstof verbruikt. De voorverbrander die het AFRL nu heeft getest, is in feite een krachtige en efficiënte aandrijving voor de brandstofpomp.

Die aandrijving werkt traditioneel met een zogeheten gasgenerator, een verbrandingskamer waarin wat raketbrandstof – afgetapt van de hoofdstroom naar de motor – samenkomt met een kleine hoeveelheid zuurstof. Omdat er zo weinig zuurstof is, verbrandt de brandstof maar gedeeltelijk. De rest van de brandstof verandert door de hitte in een gas, dat de pompturbines aandrijft. Dit systeem levert echter maar een matige gasdruk, en heeft als extra nadeel dat de ongebruikte brandstof in de ruimte moet worden gedumpt.


Gasgeneratoren

Bij de alternatieve techniek van het AFRL wordt alle brandstof door de verbrandingskamer – die hier voorverbrander heet – geleid. De verbranding is ook nu heel onvolledig, maar omdat er meer brandstof bij betrokken is, wordt er toch veel meer warmte opgewekt.

Het ontstane gasmengsel kan daardoor met grote kracht een turbine aandrijven, die de pomp voor de totale brandstofstroom op gang houdt. De nog grotendeels onverbrande gassen uit de turbine worden vervolgens in de motor verbrand.

Het probleem met deze methode was altijd dat de metalen van de turbines en de rest van de omgeving niet tegen de hoge temperatuur en druk konden: ze gingen smelten en corroderen. Ook was het systeem ingewikkeld. ‘Dat werkt dus niet’, zeiden Amerikaanse ingenieurs dan ook tijdens het Apollo-project in de jaren zestig, en ze besloten het bij gasgeneratoren te houden.


Teruggevonden raketten

Een paar jaar na het uiteenvallen van de Sovjet-Unie was de verbijstering groot toen in een loods een voorraad raketmotoren met voorverbranders werd ontdekt. Ze waren in het diepste geheim voor het Russische maanprogramma ontwikkeld, maar nooit gebruikt omdat de Amerikanen de ruimterace al hadden gewonnen voor hun moment was gekomen.

De teruggevonden raketten worden tot op de dag van vandaag gebruikt bij Russische ruimtemissies. Een deel is echter opgekocht door het Amerikaanse Aerojet Rocketdyne, dat ook hoofdontwikkelaar werd van de nu door het AFRL geteste voorverbrander. De Amerikanen willen de technologie namelijk geschikt maken voor gebruik in hun eigen – herbruikbare – ruimteraketten.


Hoge temperaturen

De grootste uitdaging daarbij is om metalen te vinden die zeer goed tegen de hoge temperaturen kunnen. Het AFRL-systeem gebruikt een ‘super’-nikkellegering, met een atoomstructuur die speciaal voor de extreme omstandigheden is gemaakt.

De test, de eerste met een systeem op ware grootte, verliep volgens de AFRL succesvol. Dat noemt de instelling terecht een mijlpaal, maar het betekent in principe niet meer dan dat er niets kapot is gegaan. Of het ook een doorbraak valt te noemen, is nog niet te zeggen. De meetresultaten zullen moeten uitwijzen hoe goed het systeem zich heeft gedragen en hoe het materiaal door de vuurproef is gekomen.

 

Tekst: Timo Können
Foto: U.S. Air Force