Vuelo espacial orbital

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Un vuelo espacial orbital (o vuelo orbital ) es un vuelo espacial en el que una nave espacial se coloca en una trayectoria en la que podría permanecer en el espacio durante al menos una órbita . Para hacer esto alrededor de la Tierra , debe estar en una trayectoria libre que tenga una altitud en el perigeo (altitud en el acercamiento más cercano) de alrededor de 80 kilómetros (50 mi); este es el límite del espacio según lo definido por la NASA , la Fuerza Aérea de los EE. UU. y la FAA . Para permanecer en órbita a esta altitud se requiere una velocidad orbital de ~7,8 km/s. La velocidad orbital es más lenta para órbitas más altas, pero alcanzarlas requiere un mayor delta-v . La Fédération Aéronautique Internationale ha establecido la línea de Kármán a una altitud de 100 km (62 mi) como una definición de trabajo para el límite entre la aeronáutica y la astronáutica. Esto se utiliza porque a una altitud de unos 100 km (62 mi), como calculó Theodore von Kármán , un vehículo tendría que viajar más rápido que la velocidad orbital para obtener suficiente sustentación aerodinámica de la atmósfera para sostenerse. ^{[1] : 84  [2]}

Debido a la resistencia atmosférica , la altitud más baja a la que un objeto en una órbita circular puede completar al menos una revolución completa sin propulsión es de aproximadamente 150 kilómetros (93 millas).

La expresión "vuelo espacial orbital" se utiliza principalmente para distinguirlo de los vuelos espaciales suborbitales , que son vuelos en los que el apogeo de una nave espacial alcanza el espacio, pero el perigeo es demasiado bajo. ^[3]

Los vuelos espaciales orbitales desde la Tierra solo se han logrado con vehículos de lanzamiento que utilizan motores de cohete para su propulsión. Para alcanzar la órbita, el cohete debe impartir a la carga útil un delta-v de aproximadamente 9,3 a 10 km/s. Esta cifra corresponde principalmente (~7,8 km/s) a la aceleración horizontal necesaria para alcanzar la velocidad orbital, pero tiene en cuenta la resistencia atmosférica (aproximadamente 300 m/s con el coeficiente balístico de un vehículo de combustible denso de 20 m de largo), las pérdidas por gravedad (dependiendo del tiempo de combustión y de los detalles de la trayectoria y del vehículo de lanzamiento) y la ganancia de altitud.

La principal técnica probada consiste en lanzar casi verticalmente durante unos pocos kilómetros mientras se realiza un giro gravitacional y luego aplanar progresivamente la trayectoria a una altitud de más de 170 km y acelerar en una trayectoria horizontal (con el cohete inclinado hacia arriba para luchar contra la gravedad y mantener la altitud) durante 5 a 8 minutos hasta que se alcanza la velocidad orbital. Actualmente, se necesitan de 2 a 4 etapas para lograr el delta-v requerido. La mayoría de los lanzamientos se realizan mediante sistemas de lanzamiento descartables .

El cohete Pegasus para satélites pequeños, en cambio, se lanza desde un avión a una altitud de 12 km.

Se han propuesto muchos métodos para lograr vuelos espaciales orbitales que tienen el potencial de ser mucho más asequibles que los cohetes. Algunas de estas ideas, como el ascensor espacial y el rotovator , requieren nuevos materiales mucho más resistentes que los conocidos actualmente. Otras ideas propuestas incluyen aceleradores terrestres como los bucles de lanzamiento , aeronaves/aviones espaciales asistidos por cohetes como el Skylon con motores de reacción , aviones espaciales propulsados ​​por estatorreactores y aviones espaciales propulsados ​​por RBCC . Se ha propuesto el lanzamiento con cañones para carga.

Desde 2015, SpaceX ha demostrado un progreso significativo en su enfoque más gradual para reducir el costo de los vuelos espaciales orbitales. Su potencial para la reducción de costos proviene principalmente de ser pionero en el aterrizaje propulsivo con su etapa de refuerzo de cohete reutilizable , así como su cápsula Dragon , pero también incluye la reutilización de otros componentes, como los carenados de carga útil y el uso de la impresión 3D de una superaleación para construir motores de cohetes más eficientes, como su SuperDraco . Las etapas iniciales de estas mejoras podrían reducir el costo de un lanzamiento orbital en un orden de magnitud. ^[4]

Un objeto en órbita a una altitud de menos de aproximadamente 200 km se considera inestable debido a la resistencia atmosférica . Para que un satélite esté en una órbita estable (es decir, sostenible durante más de unos pocos meses), 350 km es una altitud más estándar para la órbita baja terrestre . Por ejemplo, el 1 de febrero de 1958, el satélite Explorer 1 fue lanzado a una órbita con un perigeo de 358 kilómetros (222 mi). ^[5] Permaneció en órbita durante más de 12 años antes de su reentrada atmosférica sobre el océano Pacífico el 31 de marzo de 1970.

Sin embargo, el comportamiento exacto de los objetos en órbita depende de la altitud , su coeficiente balístico y detalles del clima espacial que pueden afectar la altura de la atmósfera superior.

Hay tres "bandas" principales de órbita alrededor de la Tierra: la órbita terrestre baja (LEO), la órbita terrestre media (MEO) y la órbita geoestacionaria (GEO).

Según la mecánica orbital , una órbita se encuentra en un plano particular, en gran parte fijo, alrededor de la Tierra, que coincide con el centro de la Tierra y puede estar inclinada con respecto al ecuador. El movimiento relativo de la nave espacial y el movimiento de la superficie de la Tierra, a medida que la Tierra gira sobre su eje, determinan la posición en la que la nave espacial aparece en el cielo desde el suelo y qué partes de la Tierra son visibles desde la nave espacial.

Es posible calcular una trayectoria terrestre que muestre en qué parte de la Tierra se encuentra inmediatamente una nave espacial; esto resulta útil para ayudar a visualizar la órbita.

En los vuelos espaciales , una maniobra orbital es el uso de sistemas de propulsión para cambiar la órbita de una nave espacial . En el caso de las naves espaciales que se encuentran lejos de la Tierra (por ejemplo, las que orbitan alrededor del Sol), una maniobra orbital se denomina maniobra de espacio profundo (DSM) .

Las naves espaciales que regresan (incluidas todas las naves potencialmente tripuladas) tienen que encontrar una forma de reducir la velocidad tanto como sea posible mientras aún están en capas atmosféricas superiores y evitar chocar con el suelo ( litofrenado ) o quemarse. Para muchos vuelos espaciales orbitales, la desaceleración inicial se proporciona mediante el retroencendido de los motores de cohete de la nave, perturbando la órbita (al bajar el perigeo hacia la atmósfera) en una trayectoria suborbital. Muchas naves espaciales en órbita terrestre baja (por ejemplo, nanosatélites o naves espaciales que se han quedado sin combustible de mantenimiento de posición o que no funcionan por otro motivo) resuelven el problema de la desaceleración desde velocidades orbitales mediante el uso de la resistencia atmosférica ( aerofrenado ) para proporcionar la desaceleración inicial. En todos los casos, una vez que la desaceleración inicial ha bajado el perigeo orbital a la mesosfera , todas las naves espaciales pierden la mayor parte de la velocidad restante, y por lo tanto la energía cinética, a través del efecto de la resistencia atmosférica del aerofrenado .

El frenado aerodinámico intencional se logra orientando la nave espacial que regresa de modo que los escudos térmicos se orienten hacia la atmósfera para protegerse contra las altas temperaturas generadas por la compresión atmosférica y la fricción causadas por el paso a través de la atmósfera a velocidades hipersónicas . La energía térmica se disipa principalmente mediante el calentamiento por compresión del aire en una onda de choque delante del vehículo utilizando un escudo térmico de forma roma, con el objetivo de minimizar el calor que ingresa al vehículo.

Los vuelos espaciales suborbitales, al ser a una velocidad mucho menor, no generan tanto calor ^{[ se necesita más explicación ]} al reingresar.

Incluso si los objetos en órbita son prescindibles, la mayoría de las autoridades espaciales ^{[ cuantifican ] [ ejemplo necesario ]} están presionando para que se produzcan reingresos controlados para minimizar el riesgo a las vidas y las propiedades en el planeta. ^{[ cita requerida ]}

• El Sputnik 1 fue el primer objeto creado por el hombre que logró un vuelo espacial orbital. Fue lanzado el 4 de octubre de 1957 por la Unión Soviética .
• El Vostok 1 , lanzado por la Unión Soviética el 12 de abril de 1961, con Yuri Gagarin a bordo , fue el primer vuelo espacial humano exitoso en alcanzar la órbita de la Tierra.
• La Vostok 6 , lanzada por la Unión Soviética el 16 de junio de 1963, con Valentina Tereshkova a bordo , fue el primer vuelo espacial exitoso de una mujer en alcanzar la órbita de la Tierra.
• Crew Dragon Demo-2 , lanzada por SpaceX y Estados Unidos el 30 de mayo de 2020, fue el primer vuelo espacial humano exitoso realizado por una empresa privada en alcanzar la órbita de la Tierra.

• Niveles de vuelo espacial: suborbital , orbital, interplanetario , interestelar e intergaláctico.
• Lista de órbitas