De startup Stoke Space uit Seattle heeft plannen onthuld om een efficiënte raketmotor te ontwikkelen, vergelijkbaar met de Raptors die het ruimteschip van SpaceX aandrijven.
Stoke Space, opgericht in oktober 2019, behaalde zijn eerste belangrijke financieringsronde – $ 9,1 miljoen – minder dan twee jaar geleden. Op dat moment zegt CEO en mede-oprichter Andy Lapsa dat de startup slechts vijf werknemers had, geen vaste werkruimte en een “onvruchtbaar veld” voor een testlocatie. Binnen 18 maanden had Stoke Space dat lege veld veranderd in een indrukwekkende testfaciliteitvoerde talloze componenttests uit en monteerde zijn eerste volledige raketmotor – een exotisch UFO-achtig apparaat dat nog nooit eerder is gezien.
Het haalde ook nog eens $ 65 miljoen op – genoeg geld om serieus te beginnen met het ontwikkelen van een potentieel revolutionair raket die in staat is om 1,65 ton (~ 3600 lb) in een baan om de aarde te lanceren voor minder dan een half miljoen dollar. Om dat extreem ambitieuze doel te realiseren, heeft Stoke Space de nog ambitieuzere stap genomen om te proberen de eerste raket die het ontwikkelt volledig herbruikbaar te maken. Tegelijkertijd heeft het bedrijf verschillende exotische technologieën in die raket verwerkt, met als hoogtepunt een verrassende aankondiging dat het zal proberen een van de moeilijkste soorten motoren te ontwikkelen om de boostertrap van die raket aan te drijven.
Full-flow getrapte verbranding
Aan het einde van een uitgebreid interview en een rondleiding met YouTuber Tim Dodd (The Everyday Astronaut), onthulde CEO Andy Lapsa dat Stoke Space heeft besloten om een full-flow getrapte verbrandingsmotor (FFSC) te bouwen voor de eerste trap van zijn herbruikbare raket. FFSC is het meest efficiënte type verbrandingscyclus dat beschikbaar is voor een raketmotor met chemische bipropellant, maar het is ook het moeilijkst te ontwikkelen.
In wezen probeert een full-flow motor elk mogelijk grammetje prestatie uit het drijfgas dat het verbruikt te persen. De krachtigste en efficiëntste chemische raketmotoren moeten in korte tijd enorme hoeveelheden drijfgas verbruiken zonder het lanceervoertuig waaraan ze zijn bevestigd te vernietigen. Om druk te creëren en de pompen te laten draaien die nodig zijn om dat drijfgas naar de hoofdverbrandingskamer te voeren, verbranden motoren vaak een kleine hoeveelheid drijfgas in een aparte gasgenerator of voorverbrander. Gasgeneratormotoren blazen die uitlaat overboord, waardoor de efficiëntie afneemt maar het ontwerp veel eenvoudiger wordt. Getrapte verbrandingsmotoren gebruiken voorbranders om gas te creëren dat vloeibaar drijfgas pompt, en dat uitlaatgas wordt uiteindelijk in de hoofdverbrandingskamer geïnjecteerd.
Getrapte verbranding met volledige stroom onderscheidt zich door twee afzonderlijke pompen en voorbranders voor oxidatiemiddel en brandstof. In tegenstelling tot eenvoudigere varianten van getrapte verbranding, zetten FFSC-motoren al hun drijfgas om in gas voordat ze het in de verbrandingskamer injecteren. Dat hete gas verhoogt de verbrandingswarmte en de druk in de verbrandingskamer, waardoor vrijwel al het drijfgas dat door de motor stroomt, wordt verbrand en zo efficiënt mogelijk wordt omgezet in stuwkracht. FFSC is uitzonderlijk moeilijk vanwege die hoge temperaturen en drukken, evenals de behoefte aan een zuurstofrijke voorverbrander en pomp. In een omgeving met hete zuurstof onder hoge druk zal vrijwel alles wat je je kunt voorstellen spontaan ontbranden.
De Raptor-motor van SpaceX.
Een statisch vuur met één Raptor.
De basis met 33 motoren van de eerste trap van Starship.
Stoke’s volledig herbruikbare raket.
De booster lijkt zeven FFSC-motoren te hebben.
De bovenste trap heeft een enkele motor met 30 verbrandingskamers.
Alleen complexe, op maat gemaakte legeringen kunnen deze omstandigheden overleven. De Raptor-motor van SpaceX, de enige FFSC-motor die ooit heeft gevlogen, is vooral moeilijk omdat hij bedoeld is om zeer herbruikbaar te zijn. Om succesvol te zijn, zal Raptor die omstandigheden tientallen of zelfs honderden keren achter elkaar moeten overleven met weinig tot geen onderhoud tussendoor.
De eerste boostermotor die Stoke Space ooit probeert te bouwen, zal een herbruikbare full-flow getrapte verbrandingsmotor zijn die wordt aangedreven door vloeibaar methaan en vloeibare zuurstof – in wezen een kleinere versie van SpaceX’s Raptor. De booster van Stoke is overigens bekend en heeft inzetbare landingspoten zoals de Falcon-boosters van SpaceX. Lapsa zegt dat het waarschijnlijk ook rastervinnen zal hebben.
Hergebruik van de bovenste trap
In veel opzichten is de bovenste trap van Stoke’s eerste raket nog ambitieuzer. Aangedreven door waterstof en zuurstof drijfgas, heeft Stoke een conische capsuleachtige bovenste trap ontworpen met een integrale stroomlijnkap. De voortstuwing van de bovenste trap is zeer exotisch. Een grote pomp voert het drijfgas naar maximaal 30 verbrandingskamers, verdeeld over de rand van het hitteschild. De uitlaat die uit die 30 kamers komt, zal uitzetten en gedeeltelijk tegen het al even exotische metalen, vloeistofgekoelde hitteschild van de bovenste trap duwen. Die uitzetting tegen het hitteschild verbetert de efficiëntie van de bovenste trap en betekent dat de motor technisch gezien een aerospike zal zijn.
De bovenste trap bereidt zich voor op terugkeer.
De bovenste trap wordt gescheiden van de booster.
Een weergave van het hitteschild van de bovenste trap.
De bovenste trap raakt naar beneden.
Individuele Stoke-stuwraketten.
Een statisch vuur met 15 kamers.
Een prototype van het hitteschild en de motor van de bovenste trap.
Een prototype van de tanks van de bovenste trap. (alledaagse astronaut)
Stoke is al begonnen met het testen van een volledige versie van de UFO-achtige raketmotor van de bovenste trap met 15 verbrandingskamers. Sinds de start van het testen in de tweede helft van 2022 heeft Stoke tientallen statische branden voltooid. De dagelijkse Astronaut-rondleiding onthulde ook dat de startup aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt bij het fabriceren en assembleren van zijn eerste volledige prototype van de bovenste trap – tanks, neuskegel, hitteschild, motor en alles.
Doet denken aan de Grasshopper- en Starhopper-campagnes van SpaceX, en Stoke is van plan om hoptests uit te voeren met dat prototype als het de kwalificatietests doorstaat. Op 7 februari, onthulde Stoke ook dat het is begonnen met het testen van een cruciaal onderdeel van zijn full-flow boostermotor. Alles bij elkaar boekt Stoke Space in een opmerkelijk tempo vooruitgang en blijft het de moeilijkste problemen als eerste aanpakken. De startup heeft ook vermeden om specifieke deadlines op grote schaal bekend te maken, maar heeft ervoor gekozen om hardware en tastbare resultaten voor zichzelf te laten spreken. Alleen de tijd zal uitwijzen of die aanpak loont, maar Stoke heeft een uitzonderlijk indrukwekkende start gemaakt in een branche boordevol indrukwekkende raketstartups.
Stoke Space om de eerste echte concurrent van de SpaceX Raptor-motor te bouwen
