In dit artikel bekijken we de nieuwe lanceerpoging van het Delft Aerospace Rocket Engineering-team dat zelf raketten bouwt. We spraken met de teammanager over wat de nieuwe aspecten van de Stratos IV, waaronder vier minithrusters die de raket moeten stabiliseren.
Uiterlijk lijkt DAREs Stratos IV-raket wel wat op de Stratos III, maar achter de schermen is er jaren gewerkt aan wat feitelijk een compleet nieuwe raket is. Het studententeam van de TU Delft lanceert dit weekend de 8,2 meter hoge raket vanuit Spanje. Net als de eerdere raketten van het team vliegt die op 'zoetjes en kaarsvet', maar van binnen zijn er wel degelijke veranderingen doorgevoerd aan het ontwerp van de Stratos. Die maakt gebruik van andere materialen waardoor het gewicht veel lager is.
Dit weekend onderneemt het studententeam van Delft Aerospace Rocket Engineering een poging om de Stratos IV te lanceren. Het eerste lanceervenster is op vrijdag, maar ook zaterdag en zondag zijn er opties, zegt teammanager Willem van Lynden. "Dat hangt erg af van het weer. Met te harde wind kan de raket uit koers raken."
Hoogterecord
De lancering is onderdeel van een informele wedstrijd tussen internationale studententeams. Die proberen allemaal het hoogterecord te breken voor een eigen lancering. DARE heeft niet het wereldrecord; dat staat op het conto van Californische studenten die vorig jaar een berekende hoogte haalden van 103 kilometer. Wel haalden de Delfste studenten in 2015 het Europese hoogterecord van 21,5 kilometer. Dat is inmiddels ingehaald door een team uit Stuttgart, dat een jaar later 32,3 kilometer bereikte. Het doel van de wedstrijd is - vanzelfsprekend - om hoger en hoger te kunnen gaan. Dit jaar ligt dat iets anders.
De vorige lancering van het DARE-team vond plaats in 2018. Stratos III was gebouwd met een ambitieus doel. Niet alleen was de raket significant veel groter dan de Stratos II+ waarmee in 2015 het Europese record werd gehaald, de raket was ook gebouwd om een hoogte van honderd kilometer te halen. Daarmee zou de raket de Kármánlijn doorbreken en officieel de ruimte bereiken. Dat lukte niet. Twintig seconden na het opstijgen begon de raket te trillen en brak die uit elkaar. Hoewel de lancering was mislukt, was de missie deels succesvol. Er werd veel telemetrie verzameld waardoor het team goed kon onderzoeken wat er mis ging. Nu dat is gebeurd, hebben de studenten wijzigingen aangebracht aan de raket. Ondertussen is het doel om die symbolische grens te bereiken opzij gezet; de raket moet in de eerste plaats een succesvolle vlucht afleggen en liefst hoger komen dan de Stratos II+.
Het team is daarvoor afgereisd naar Spanje. Aanvankelijk was het idee om naar Zuid-Afrika te gaan. Daar zou het mogelijk zijn om theoretisch tot honderd kilometer hoogte te komen. "De gebieden die je in het luchtruim en boven zee ter beschikking hebt zijn zeker voor studententeams klein", zegt van Lynden. "Alles dat omhoog gaat, komt ook weer naar beneden. Hoe hoger je vliegt, des te meer rekening je moet houden met het afzetgebied waar de raket overheen mag vliegen." Helaas gooide het coronavirus roet in het eten. "De reisrestricties en budgetimplicaties vanwege de coronacrisis maakten dat het reizen wel wat moeilijker werd, waardoor we niet nog verder konden reizen. Dat we vanaf Spanje lanceren houdt wel in dat we de vlucht nu ook wat moeten inkorten. We zetten de motor wat eerder uit. We mikken nu op het verbreken van het record van de Stratos II+-vlucht." De Stratos III-lanceerpoging vond ook in Spanje plaats - met het idee dat je op die plek een groter zeegebied kunt afzetten. Ook nu wordt een gebied van in totaal zo'n 7000km² afgezet.
Gelijk, maar ook radicaal anders
Als je de Stratos IV voor het eerst ziet, zou je meteen kunnen denken dat het om dezelfde raket gaat. Ze zijn allebei 8,2 meter hoog, verschillen in diameter slechts twee centimeter en ze zijn allebei opvallend dun voor een raket. Van Lynden zegt dat de raket 'op sommige punten gelijk is, en op sommige punten weer radicaal anders'. "Je moet ook wel erg kijken naar de voorganger. Dan weet je of bepaalde verbeteringen of oplossingen werken. Anders kan dat ook liggen aan dat de raket zoveel anders is."
Dat betekent dat de raket weer gebruikmaakt van dezelfde hybride motor als de vorige raketten. De Nimbus-motor is inmiddels bekend komen te staan als de motor die werkt op 'zoetjes en kaarsvet'. Dat is vrij letterlijk het geval. De motor werkt op sorbitol dat je in koffiezoetjes vindt en op parafine en een beetje aluminiumpoeder. Dat heeft volgens van Lynden meerdere voordelen. "Sowieso brandt het samen heel erg goed, maar het mengsel is ook niet giftig. We hebben het niet alleen zelf ontworpen, maar we maken het ook zelf. Het mengen, smelten en het in blokken gieten, doen we allemaal zelf. Het enige dat je daarvoor nodig hebt is een overall en een goed stofmasker. Sommige brandstoffen kunnen zwaar giftig zijn of er zijn giftige materialen nodig. Daar heb je dan bij wijze van spreken een hazmatpak of robots voor nodig om het te maken, maar dat is bij ons niet het geval."
De interne motor is dus grotendeels hetzelfde gebleven, maar DARE heeft veel weten bij te schaven aan het gewicht. Zo worden er andere materialen gebruikt. Van Lynden: "De nozzle maken we niet meer van een loodzwaar blok grafiet, maar van 3d-geprint titanium met een dynamische coating. Dat is immens hightech, we doen dat samen met drie bedrijven om te kijken hoe dat materiaal zich gedraagt tijdens een vlucht. Hetzelfde geldt bijvoorbeeld voor de verbrandingskamer, waar we in plaats van staal nu koolstofvezel gebruiken. Het wordt in die kamer wel 3000 graden, dus dat wordt nog spannend."
Mini-thrusters
De grootste uitdaging is echter niet kilo's van de raket schaven. Dat is het voorkomen van een herhaling van 2018. DARE weet inmiddels wat er tijdens de lancering van de Stratos III mis ging en heeft daar een opvallend ingewikkelde oplossing voor bedacht. De Stratos III begon, toen hij opsteeg en om z'n as ging draaien, op en neer te deinen. Dat proces heet roll pitch-koppeling. Het versterkt zichzelf, tot de raket na een tijdje opbreekt. Voor een deel komt dat door de vorm van de Stratos-raket: lang en erg dun, waardoor het golfeffect erger kan worden. DARE's oplossing voor dat probleem is om vier kleine aandrijvingen op de raket te zetten. Die kunnen tegensturen op het moment dat de computers merken dat er roll-pitch optreedt.
"Het gaat om vier kleine cold gas-thrusters", zegt Van Lynden. "Die hebben wat minder aandrijvingskracht dan de grote motor, maar werken op dezelfde manier. Ze hebben dezelfde oxidator als de Nimbus-motor." Een uitdaging was om die thrusters zo klein mogelijk te maken. Van Lynden noemt ze 'zo groot als een gum'. "Ze zijn zo geoptimaliseerd dat ze in het ontwerp van de raket pasten zonder dat we dat ontwerp aan hoefden te passen."
Leertraject
De pragmatischere oplossing zou zijn om de raket simpelweg wat breder te maken. Dat is echter niet dé oplossing, zegt van Lynden. Daar zijn meerdere redenen voor. "Je kunt de raket breder maken, maar als je dat doet zonder ook de motor groter te maken, doe je dat eigenlijk zonder goede reden. Je moet dan veel meer massa mee naar boven nemen."
Maar belangrijker nog: DARE is een leerproject, voor en door studenten. De raket breder maken, noemt van Lynden 'de veilige keuze': "Je weet dat dat het probleem oplost, je weet wat de uitkomst zou moeten zijn." Tijdens het leertraject hopen de studenten te ontdekken hoe de thrusters hun werk doen en wat de mogelijke obstakels van het gebruik zijn. Daar komen papers uit rollen die de raketwetenschap vooruit helpen, zegt van Lynden. "Dit soort problemen zie je ook binnen miljoenenbedrijven zoals SpaceX of Blue Origin, die ze wel allemaal als bedrijfsgeheim bestempelen. Het is interessant om te zien dat ons systeem daarbij kan helpen, omdat het veel experimenteler is."
Hetzelfde leerproces komt terug bij de printed circuit boards die ontworpen zijn door het team zelf. "We werken samen met de industrie om ze te printen en testen ze vervolgens zelf. Ieder board is door minstens twee iteraties van teams gegaan, waardoor ze allemaal aan als v7- of v9-variant of zo bestaan." De boards in de raket wordt gebruikt om telemetrie te verzamelen, naar de grond terug te zenden en ze op zwarte dozen te plaatsen. Ook regelen ze parachutesystemen en de activering van gps-bakens. Van Lynden: "En het allerbelangrijkste is dat ze de motor aansturen. We houden zo de controle over de raket. Die situatie is nu mijlenver verbeterd."
Zelfgemaakte boards
De Stratos III maakte nog veel gebruik van commerciële systemen die aangekocht zijn, maar dat zijn er bij de Stratos IV veel minder. Waar nodig, zegt Van Lynden, moet je nog steeds commercieel kopen, maar veel van de pcb's zijn nu zelf gemaakt. "Je wil immers leren hoe ze werken, wat ze doen. Ze zijn ook zo gemaakt dat de commerciële systemen die we nog hebben beter integreren met onze eigen systemen. Die werken dus zowel zelfstandig als synoniem met de onze."
:strip_exif()/i/2004696620.jpeg?f=imagenormal)
Ook tijdens deze recordpoging neemt de Stratos IV weer een externe payload mee. Die bestaat uit sensoren die onder andere vibraties tijdens de vlucht kunnen meten. De payload is afkomstig van het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum, dat ook op eerdere Stratos-lanceringen al een kleine computer meestuurde. Ook wordt er een hittesensor meegestuurd waarmee het team kijkt hoe die techniek kan worden geoptimaliseerd voor raketlanceringen.
De lancering vindt dit weekend plaats, na duizenden simulaties. Maar simulaties zeggen maar zoveel over de werkelijkheid. Pas tijdens de daadwerkelijke vlucht weet je hoe die gaat. Van Lynden: "Je eerste test is gelijk ook je laatste. Daarom blijf je simulaties draaien. Dat is niet alleen om zoveel mogelijk zekerheid te krijgen als je kunt, maar ook zodat je weet wat er gebeurt als het goed gaat en als het fout gaat."