Lanzamiento espacial sin cohetes
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El lanzamiento espacial sin cohetes se refiere a conceptos teóricos para el lanzamiento al espacio donde gran parte de la velocidad y la altitud necesarias para alcanzar la órbita se proporcionan mediante una técnica de propulsión que no está sujeta a los límites de la ecuación del cohete . [1] Aunque todos los lanzamientos espaciales hasta la fecha han sido cohetes, se han propuesto varias alternativas a los cohetes. [2] En algunos sistemas, como un sistema de lanzamiento combinado, skyhook , lanzamiento de trineo de cohetes , rockoon o lanzamiento aéreo , una parte del delta-v total puede proporcionarse, ya sea directa o indirectamente, mediante el uso de propulsión de cohetes.

Los costos actuales de lanzamiento son muy altos: de 2.500 a 25.000 dólares por kilogramo desde la Tierra a la órbita baja terrestre (LEO). Como resultado, los costos de lanzamiento representan un gran porcentaje del costo de todas las misiones espaciales. Si se puede abaratar el lanzamiento, se reducirá el costo total de las misiones espaciales. Debido a la naturaleza exponencial de la ecuación de los cohetes, proporcionar incluso una pequeña cantidad de la velocidad a la LEO por otros medios tiene el potencial de reducir en gran medida el costo de llegar a la órbita.

Los costos de lanzamiento de cientos de dólares por kilogramo harían posibles muchos de los proyectos espaciales propuestos a gran escala, como la colonización espacial , la energía solar basada en el espacio [3] y la terraformación de Marte . [4]

Comparación de métodos de lanzamiento espacial

Método [a]Descrito por primera vezCosto de construcción estimado
(miles de millones de dólares estadounidenses ) [b]		Masa de carga útil (kg)Costo estimado para LEO (US$/kg) [b]Capacidad ( t /año)Nivel de preparación tecnológica
Cohete descartable [5]1903 [6]225 – 130.0001.500 – 30.000[7]n / A9
Ascensor espacial1895 [8]2
Gancho de cielo no giratorio1990< 12
Gancho celestial hipersónico [9]1993< 1 [c]1.500 [d]30 [e]2
Rotovator [10]19772
Lanzamiento orbital de un avión hipersónico con conexión espacial [11] [12] (HASTOL)200015.000 [f]2
Fuente espacialDécada de 1980
Anillo orbital [13]1980152 × 10 11< 0,054 × 10 102
Bucle de lanzamiento (pequeño) [ cita requerida ]1985105.00030040.0002 +
Bucle de lanzamiento (grande) [ cita requerida ]1985305.00036.000.0002 +
Lanzador de cometas [14]20052
Tranvía estelar [15]200120 [gramos]35.00043150.0002
Cañón espacial [16]1865 [h]0,5450200 [18]6
Pista espacial1979 [19]1-2 [20]0,25 [21] -250 [20]
Acelerador de ram [ cita requerida ]20046
Lanzamiento giratorio [22]20226
Hondatron [23] [24]1998 [25]1002 a 4
  1. ^ Las referencias en esta columna se aplican a toda la fila a menos que se reemplacen específicamente.
  2. ^ ab Todos los valores monetarios en dólares no inflados se basan en la fecha de publicación de referencia, excepto cuando se indique lo contrario.
  3. ^ Estimación del año calendario 2008 a partir de la descripción en el sistema de referencia de 1993.
  4. ^ Requiere primera etapa a ~ 5 km/s.
  5. ^ Sujeto a aumento muy rápido mediante bootstrap.
  6. ^ Requiere que la primera etapa del vehículo DF-9 propuesto por Boeing alcance ~ 4 km/s.
  7. ^ Basado en el diseño de referencia Gen-1, versión 2010.
  8. ^ La novela de Julio Verne De la Tierra a la Luna . La bala de cañón de Newton en el libro de 1728 Tratado del sistema del mundo fue considerada un experimento mental. [17]

Estructuras estáticas

En este uso, el término "estático" pretende transmitir la idea de que la parte estructural del sistema no tiene partes móviles internas.

Torre espacial

Una torre espacial es una torre que alcanzaría el espacio exterior . Para evitar la necesidad inmediata de un vehículo lanzado a velocidad orbital para elevar su perigeo , una torre tendría que extenderse por encima del borde del espacio (por encima de la línea de Kármán de 100 km ), [26] pero una altura de torre mucho menor podría reducir las pérdidas por arrastre atmosférico durante el ascenso. Si la torre llegara hasta la órbita geosincrónica a aproximadamente 35.999 kilómetros (22.369 mi), los objetos liberados a esa altura podrían entonces alejarse con una potencia mínima y estarían en una órbita circular. El concepto de una estructura que alcanzara la órbita geosincrónica fue concebido por primera vez por Konstantin Tsiolkovsky . [27] El concepto original imaginado por Tsiolkovsky era una estructura de compresión. Construir una estructura de compresión desde cero resultó una tarea poco realista ya que no existía ningún material con suficiente resistencia a la compresión para soportar su propio peso en tales condiciones. [28] Otras ideas utilizan torres de compresión muy altas para reducir las demandas de los vehículos de lanzamiento. El vehículo se "eleva" hasta la torre, que puede extenderse por encima de la atmósfera y se lanza desde la parte superior. Varios investigadores han propuesto una torre tan alta para alcanzar altitudes cercanas al espacio de 20 km (12 mi). [29] [30]

Estructuras tensadas

Las estructuras tensadas para lanzamientos espaciales sin cohetes son propuestas que utilizan cables largos y muy resistentes (conocidos como amarres ) para elevar una carga útil al espacio. Los amarres también se pueden utilizar para cambiar de órbita una vez en el espacio.

Los anclajes orbitales pueden estar bloqueados por mareas ( skyhook ) o rotar (rotovators). Pueden estar diseñados (en teoría) para recoger la carga útil cuando esta se encuentra estacionaria o cuando la carga útil es hipersónica (tiene una velocidad alta pero no orbital). [ cita requerida ]

Los anclajes endoatmosféricos se pueden utilizar para transferir cinética (energía y momento) entre aeronaves convencionales de gran tamaño (subsónicas o supersónicas bajas) u otras fuerzas motrices y vehículos aerodinámicos más pequeños, impulsándolos a velocidades hipersónicas sin sistemas de propulsión exóticos. [ cita requerida ]

Gancho del cielo

Un gancho celestial giratorio y otro no giratorio en órbita

Un gancho celestial es una clase teórica de propulsión por cuerda en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. [31] [32] Las propuestas de ganchos celestiales incluyen diseños que emplean cuerdas que giran a velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aeronaves de gran altitud y colocarlas en órbita. [33]

Ascensor espacial

Diagrama de un ascensor espacial. En la parte inferior del diagrama alto se ve la Tierra vista desde lo alto del Polo Norte. A unos seis radios terrestres por encima de la Tierra se dibuja un arco con el mismo centro que la Tierra. El arco representa el nivel de la órbita geosincrónica. Aproximadamente el doble de alto que el arco y directamente sobre el centro de la Tierra, se representa un contrapeso mediante un pequeño cuadrado. Una línea que representa el cable del ascensor espacial conecta el contrapeso con el ecuador directamente debajo de él. El centro de masas del sistema se describe como por encima del nivel de la órbita geosincrónica. El centro de masas se muestra aproximadamente a un cuarto del camino hacia arriba desde el arco geosincrónico hasta el contrapeso. Se indica que la parte inferior del cable está anclada en el ecuador. Un pequeño cuadrado redondeado representa a un escalador. Se muestra al escalador trepando por el cable aproximadamente un tercio del camino desde el suelo hasta el arco. Otra nota indica que el cable gira junto con la rotación diaria de la Tierra y permanece vertical.
Un ascensor espacial consistiría en un cable anclado a la superficie de la Tierra , que llegaría hasta el espacio .

Un ascensor espacial es un tipo propuesto de sistema de transporte espacial. [34] Su componente principal es un cable con forma de cinta (también llamado amarre ) anclado a la superficie y que se extiende hacia el espacio por encima del nivel de la órbita geoestacionaria. A medida que el planeta gira, la fuerza centrífuga en el extremo superior del amarre contrarresta la gravedad y mantiene el cable tenso. Los vehículos pueden entonces trepar por el amarre y alcanzar la órbita sin el uso de propulsión por cohete.

Un cable de este tipo podría estar hecho de cualquier material capaz de soportar tensión, reduciendo el diámetro del cable lo suficientemente rápido a medida que se acerca a la superficie de la Tierra. En la Tierra , con su gravedad relativamente fuerte, los materiales actuales no son lo suficientemente fuertes y ligeros . Con los materiales convencionales, la relación de conicidad tendría que ser muy grande, lo que aumentaría la masa total de lanzamiento a un grado fiscalmente inviable. Sin embargo, se han propuesto materiales basados ​​en nanotubos de carbono o nanotubos de nitruro de boro como elemento de tracción en el diseño de la correa. Sus resistencias medidas son altas en comparación con sus densidades lineales. Son prometedores como materiales para hacer posible un ascensor espacial basado en la Tierra. [35]

Landis y Cafarelli sugirieron que una estructura de tensión ("elevador espacial") que se extiende hacia abajo desde la órbita geosincrónica podría combinarse con la estructura de compresión ("torre Tsiolkovski") que se extiende hacia arriba desde la superficie, formando la estructura combinada que alcanza la órbita geosincrónica desde la superficie y tiene ventajas estructurales sobre cualquiera de ellas individualmente. [28]

El concepto de ascensor espacial también es aplicable a otros planetas y cuerpos celestes . En lugares del Sistema Solar con una gravedad más débil que la de la Tierra (como la Luna o Marte ), los requisitos de resistencia a la densidad no son tan buenos para los materiales de anclaje. Los materiales disponibles actualmente (como el Kevlar ) podrían servir como material de anclaje para los ascensores en esos lugares.

Anclajes endoatmosféricos

Lanzador de cometas: transfiere impulso al vehículo.

Un anclaje endoatmosférico utiliza el cable largo dentro de la atmósfera para proporcionar parte o toda la velocidad necesaria para alcanzar la órbita. El anclaje se utiliza para transferir cinética (energía y momento) desde un extremo masivo y lento (normalmente un avión subsónico grande o un avión supersónico bajo) a un extremo hipersónico mediante la aerodinámica o la acción centrípeta. El lanzador Kinetics Interchange TEther (KITE) es un anclaje endoatmosférico propuesto. [14]

Estructuras dinámicas

Fuente espacial

Fuente espacial de diseño Hyde.

Una fuente espacial es una forma propuesta de ascensor espacial que no requiere que la estructura esté en órbita geoestacionaria y no depende de la resistencia a la tracción para su soporte. A diferencia del diseño original del ascensor espacial (un satélite atado ), una fuente espacial es una torre tremendamente alta que se extiende desde el suelo . Dado que una torre tan alta no podría soportar su propio peso utilizando materiales tradicionales, se proyectan enormes bolitas hacia arriba desde la parte inferior de la torre y se redirigen hacia abajo una vez que llegan a la parte superior, de modo que la fuerza de redirección mantiene en alto la parte superior de la torre. [36]

Anillo orbital

Anillo orbital.

Un anillo orbital es un concepto para un anillo gigante construido artificialmente que cuelga en una órbita baja de la Tierra y que rotaría a una velocidad ligeramente superior a la orbital y que tendría ataduras fijas colgando hasta el suelo. [37]

En una serie de artículos publicados en 1982 en el Journal of the British Interplanetary Society , [13] Paul Birch presentó el concepto de sistemas de anillos orbitales. Propuso un cable giratorio colocado en una órbita baja terrestre, que gira a una velocidad ligeramente superior a la orbital. No en órbita, sino sobre este anillo, sostenido electromagnéticamente por imanes superconductores, hay estaciones de anillo que permanecen en un lugar por encima de algún punto designado en la Tierra. Colgando de estas estaciones de anillo hay pequeños ascensores espaciales hechos de cables con una alta relación resistencia a la tracción/masa. Birch afirmó que las estaciones de anillo, además de sostener la atadura, podrían acelerar el anillo orbital hacia el este, haciendo que precese alrededor de la Tierra.

En 1982, el inventor bielorruso Anatoly Yunitskiy también propuso una pista electromagnética que rodea la Tierra, a la que llamó "Sistema de Transporte de Cuerdas". Cuando la velocidad de la cuerda supera los 10 km/seg, las fuerzas centrífugas separarían la cuerda de la superficie de la Tierra y elevarían el anillo al espacio. [38]

Bucle de lanzamiento

Bucle de lanzamiento.

Un bucle de lanzamiento o bucle de Lofstrom es un diseño para un sistema de lanzamiento orbital de levitación magnética basado en un cinturón que tendría alrededor de 2000 km de largo y se mantendría a una altitud de hasta 80 kilómetros (50 mi). Vehículos de 5 toneladas métricas serían acelerados electromagnéticamente en la parte superior del cable que forma una pista de aceleración, desde la cual serían proyectados a la órbita terrestre o incluso más allá. La estructura necesitaría constantemente alrededor de 200 MW de potencia para mantenerse en su lugar. [ cita requerida ]

El sistema está diseñado para ser adecuado para el lanzamiento de humanos para el turismo espacial , la exploración espacial y la colonización espacial con una aceleración máxima de 3 g. [39]

Torre neumática autoportante

Un diseño propuesto es una torre independiente compuesta de columnas tubulares de material de alta resistencia (por ejemplo, kevlar ) infladas con una mezcla de gases de baja densidad, y con sistemas de estabilización dinámica que incluyen giroscopios y "equilibrio de presión". [40] Los beneficios sugeridos en contraste con otros diseños de ascensores espaciales incluyen evitar trabajar con las grandes longitudes de estructura involucradas en algunos otros diseños, la construcción desde el suelo en lugar de la órbita y el acceso funcional a todo el rango de altitudes dentro del alcance práctico del diseño. El diseño presentado es "a una altitud de 5 km y se extiende hasta 20 km sobre el nivel del mar", y los autores sugieren que "el enfoque puede escalarse aún más para proporcionar acceso directo a altitudes superiores a 200 km".

Una de las mayores dificultades de una torre de este tipo es el pandeo, ya que se trata de una construcción larga y esbelta.

Lanzadores de proyectiles

Con cualquiera de estos lanzadores de proyectiles, el lanzador proporciona una alta velocidad a nivel del suelo o cerca de él. Para alcanzar la órbita, el proyectil debe recibir suficiente velocidad adicional para atravesar la atmósfera, a menos que incluya un sistema de propulsión adicional (como un cohete). Además, el proyectil necesita un medio interno o externo para realizar la inserción orbital . Los diseños que se indican a continuación se dividen en tres categorías: propulsados ​​eléctricamente, propulsados ​​químicamente y propulsados ​​mecánicamente.

Aceleración electromagnética

Los sistemas de lanzamiento eléctricos incluyen impulsores de masa, cañones de riel y cañones de bobina . Todos estos sistemas utilizan el concepto de una pista de lanzamiento estacionaria que utiliza algún tipo de motor eléctrico lineal para acelerar un proyectil.

Conductor de masa

Un impulsor de masa para el lanzamiento lunar (concepción del artista).
Interacciones electrodinámicas en un cañón de riel.

En esencia, un impulsor de masa es una pista o túnel de lanzamiento muy largo y principalmente alineado horizontalmente para acelerar cargas útiles a velocidades orbitales o suborbitales. El concepto fue propuesto por Arthur C. Clarke en 1950, [41] y fue desarrollado con más detalle por Gerard K. O'Neill , en colaboración con el Space Studies Institute , centrándose en el uso de un impulsor de masa para lanzar material desde la Luna.

Un impulsor de masa utiliza algún tipo de repulsión para mantener la carga separada de la pista o las paredes. Luego utiliza un motor lineal (un motor de corriente alterna, como en un cañón de bobina, o un motor homopolar como en un cañón de riel) para acelerar la carga a altas velocidades. Después de dejar la pista de lanzamiento, la carga alcanzaría su velocidad de lanzamiento.

Tranvía estelar

StarTram es una propuesta para lanzar vehículos directamente al espacio acelerándolos con un motor de masa. Los vehículos flotarían por repulsión de levitación magnética entre imanes superconductores en el vehículo y las paredes del túnel de aluminio, mientras que serían acelerados por un motor magnético de corriente alterna de bobinas de aluminio. La energía necesaria probablemente sería proporcionada por unidades de almacenamiento de energía superconductora distribuidas a lo largo del túnel. Los vehículos podrían ascender por inercia hasta una altura orbital baja o incluso geosincrónica; luego se necesitaría encender un pequeño motor de cohete para circularizar la órbita.

Los sistemas de primera generación, que solo transportarían carga, acelerarían entre 10 y 20 G y saldrían de la cima de una montaña. Si bien no son adecuados para pasajeros, podrían poner carga en órbita por 40 dólares el kilogramo, 100 veces más barato que los cohetes.

Los sistemas de segunda generación con capacidad para transportar pasajeros acelerarían a una distancia mucho mayor a 2 G. Los vehículos entrarían en la atmósfera a una altitud de 20 km desde un túnel evacuado, sujeto por correas de Kevlar y sostenido por repulsión magnética entre cables superconductores en el túnel y en el suelo. En ambos sistemas de primera y segunda generación, la boca del tubo estaría abierta durante la aceleración del vehículo, y el aire se mantendría afuera mediante bombeo magnetohidrodinámico . [15] [42] [43]

Químico

Cañón espacial

Proyecto HARP , un prototipo de cañón espacial.

Un cañón espacial es un método propuesto para lanzar un objeto al espacio exterior utilizando un cañón de gran tamaño . El escritor de ciencia ficción Julio Verne propuso un método de lanzamiento de este tipo en De la Tierra a la Luna y en 1902 se adaptó una película, Viaje a la Luna .

Sin embargo, incluso con un " cañón de arma " que atravesara tanto la corteza terrestre como la troposfera , las fuerzas g necesarias para generar velocidad de escape seguirían siendo mayores que las que tolera un ser humano. Por lo tanto, el cañón espacial estaría restringido a los satélites de carga y reforzados. Además, el proyectil necesita un medio interno o externo para estabilizarse en órbita.

Los conceptos de lanzamiento de cañones no siempre utilizan combustión. En los sistemas de lanzamiento neumáticos, un proyectil se acelera en un tubo largo mediante presión de aire, producida por turbinas terrestres u otros medios. En un cañón de gas ligero , el presurizante es un gas de peso molecular ligero, para maximizar la velocidad del sonido en el gas.

John Hunter de Green Launch propone el uso de un “cañón de hidrógeno” para lanzar cargas útiles no tripuladas a la órbita por menos de los costos de lanzamiento normales.

Acelerador de ariete

Un acelerador de ariete también utiliza energía química como el cañón espacial , pero es completamente diferente, ya que se basa en un ciclo de propulsión similar al de un motor a reacción que utiliza procesos de combustión de estatorreactor y/o estatorreactor de combustión supersónica para acelerar el proyectil a velocidades extremadamente altas. Es un tubo largo lleno de una mezcla de gases combustibles con un diafragma frangible en cada extremo para contener los gases. El proyectil, que tiene la forma de un núcleo de estatorreactor, se dispara por otro medio (por ejemplo, un cañón espacial, del que hablamos anteriormente) de manera supersónica a través del primer diafragma hasta el extremo del tubo. Luego quema los gases como combustible, acelerando por el tubo bajo propulsión a chorro. A velocidades más altas entran en juego otros factores físicos.

Acelerador de onda expansiva

Un acelerador de onda expansiva es similar a un cañón espacial , pero se diferencia en que los anillos de explosivos a lo largo del cañón se detonan en secuencia para mantener altas las aceleraciones. Además, en lugar de depender únicamente de la presión detrás del proyectil, el acelerador de onda expansiva cronometra específicamente las explosiones para presionar un cono de cola en el proyectil, como si se disparara una semilla de calabaza apretando el extremo cónico.

Mecánico

Hondatron

En un slingatron, [23] [44] los proyectiles se aceleran a lo largo de un tubo rígido o pista que normalmente tiene giros circulares o espirales, o combinaciones de estas geometrías en dos o tres dimensiones. Un proyectil se acelera en el tubo curvo impulsando todo el tubo en un movimiento circular de pequeña amplitud de frecuencia constante o creciente sin cambiar la orientación del tubo, es decir, todo el tubo gira pero no gira. Un ejemplo cotidiano de este movimiento es revolver una bebida sosteniendo el recipiente y moviéndolo en pequeños círculos horizontales, lo que hace que el contenido gire, sin girar el recipiente en sí.

Este giro desplaza continuamente el tubo con un componente en la dirección de la fuerza centrípeta que actúa sobre el proyectil, de modo que se realiza trabajo continuamente sobre el proyectil a medida que avanza a través de la máquina. La fuerza centrípeta que experimenta el proyectil es la fuerza de aceleración y es proporcional a la masa del proyectil e inversamente proporcional al radio de curvatura de la pista.

Un slingatron es capaz de alcanzar velocidades mucho mayores que un lanzador circular similar basado en una correa giratoria hecha de materiales actualmente disponibles (por ejemplo, Dyneema ). La velocidad máxima de la punta de una correa giratoria, independientemente de su escala absoluta, está limitada por la relación resistencia-peso de sus materiales, ya que la correa debe soportar su propia masa bajo aceleración centrípeta, así como la del proyectil. En el slingatron, la fuerza centrífuga del proyectil se refleja en una estructura no giratoria que puede ser tan masiva como sea necesario.

En realidad, la aplicación de esta fuerza entre el tubo guía y el proyectil superrápido es uno de los principales desafíos técnicos del slingatron. En su artículo inicial, el Dr. Derek A. Tidman, el inventor del slingatron, supuso que, para eliminar la fricción, el proyectil tendría que estar sostenido por levitación magnética en un tubo de vacío. Más tarde, Tidman sugirió en cambio que los proyectiles con una superficie ablativa podrían deslizarse directamente contra la pared del tubo guía. A altas velocidades, la superficie vaporizada del proyectil formaría un colchón de gas por el que se desplazaría el proyectil, minimizando la fricción. Predijo que la mayor parte de la energía perdida por fricción se destinaría a vaporizar el ablador en lugar de erosionar el tubo guía, lo que permitiría que el slingatron se comparara favorablemente con las armas de gas ligeras en términos de desgaste del cañón.

Esta fricción es la que determina el tamaño mínimo de un slingatron para una masa de proyectil y una velocidad de lanzamiento dadas. Para una velocidad dada, una pista más pequeña hará que el proyectil experimente una aceleración centrípeta mayor, presionándolo con más fuerza contra la pista y aumentando la fricción. Si la fricción es demasiado alta, el proyectil no puede acelerar. Tampoco se puede aumentar la amplitud del movimiento giratorio de la pista para compensar, ya que sufre la misma limitación de velocidad de la punta que la simple atadura giratoria. Pero según el análisis de Tidman, un slingatron que lance proyectiles de 1 lb (454 g) a 6 km/s (aproximadamente el 80% de la velocidad orbital) podría ser tan pequeño como 11,2 metros de diámetro, [45] aunque a más de 10.000 rpm, un lanzador de este tipo necesitaría tener una velocidad de giro más rápida que algunos discos duros.

Todos los diseños posteriores de hondatrones de Tidman utilizan una pista en espiral en lugar de una circular. El proyectil comienza en el medio y acelera en múltiples vueltas a medida que se mueve hacia afuera mientras la pista gira a una velocidad constante. Esto no solo mantiene al proyectil en fase, sino que también, siempre que sus motores tengan suficiente potencia, permite que la máquina funcione en un modo de disparo rápido, lanzando un proyectil con una frecuencia de hasta una vez por revolución. Tidman murió en 2019. [46]

Lanzamiento giratorio

La empresa aeroespacial estadounidense SpinLaunch está desarrollando un sistema de lanzamiento de energía cinética que acelera la carga útil en el brazo de una centrífuga sellada al vacío antes de lanzarla al espacio a una velocidad de hasta 4.700 mph (7.500 km/h; 2,1 km/s). A continuación, el cohete enciende sus motores a una altitud de aproximadamente 200.000 pies (60 km) para alcanzar una velocidad orbital de 17.150 mph (27.600 km/h; 7,666 km/s) con una carga útil de hasta 200 kg. SpinLaunch ha realizado varias pruebas de lanzamiento con éxito en un prototipo a escala de un tercio hasta 2023.

Lanzamiento aéreo

En el lanzamiento aéreo, un avión de transporte lleva el vehículo espacial a gran altitud y velocidad antes de soltarlo. Esta técnica se utilizó en los vehículos suborbitales X-15 y SpaceshipOne , y en el vehículo de lanzamiento orbital Pegasus .

Las principales desventajas son que el avión portaaviones tiende a ser bastante grande y la separación dentro del flujo de aire a velocidades supersónicas nunca se ha demostrado ya que el impulso proporcionado es relativamente modesto.

Aviones espaciales

Concepción artística del avión hipersónico X-43A de la NASA con un estatorreactor acoplado a la parte inferior.

Un avión espacial es una aeronave diseñada para sobrevolar el espacio . Combina algunas características de una aeronave con algunas de una nave espacial . Por lo general, adopta la forma de una nave espacial equipada con superficies aerodinámicas , uno o más motores de cohete y, a veces, también con propulsión adicional por aire .

Los primeros aviones espaciales se utilizaron para explorar el vuelo hipersónico (por ejemplo, el X-15 ). [47]

Algunos diseños basados ​​en motores que respiran aire (cf X-30 ), como las aeronaves basadas en estatorreactores o motores de detonación por pulsos, podrían alcanzar potencialmente la velocidad orbital o hacer algo útil para lograrlo; sin embargo, estos diseños aún deben realizar una combustión final del cohete en su apogeo para circularizar su trayectoria y evitar regresar a la atmósfera. Otros diseños reutilizables similares a turborreactores, como Skylon , que utiliza motores a reacción preenfriados hasta Mach 5,5 antes de emplear cohetes para entrar en órbita, parecen tener un presupuesto de masa que permite una carga útil mayor que los cohetes puros y al mismo tiempo lograrla en una sola etapa.

Globo

Los globos pueden aumentar la altitud inicial de los cohetes, pero tienen una carga útil relativamente baja (aunque véase el proyecto Sky Cat para un ejemplo de un globo de carga pesada destinado a usarse en la atmósfera inferior), y esta disminuye aún más a medida que aumenta la altitud.

El gas de elevación podría ser helio o hidrógeno . El helio no sólo es caro en grandes cantidades, sino que también es un recurso no renovable . Esto hace que los globos sean una técnica de asistencia al lanzamiento cara. Se podría utilizar hidrógeno, ya que tiene la ventaja de ser más barato y ligero que el helio, pero la desventaja de ser también muy inflamable. Se han probado cohetes lanzados desde globos, conocidos como " rockoons ", pero, hasta la fecha, sólo para misiones suborbitales ("cohetes de sondeo"). El tamaño del globo que se necesitaría para elevar un vehículo de lanzamiento orbital sería extremadamente grande.

JP Aerospace ha fabricado un prototipo de plataforma de lanzamiento de globos con el nombre de "Proyecto Tandem", [48] aunque no se ha utilizado como vehículo de lanzamiento de cohetes. JP Aerospace propone además una etapa superior hipersónica, más ligera que el aire. Una empresa española, zero2infinity , está desarrollando oficialmente un sistema de lanzamiento llamado bloostar basado en el concepto de rockoon , que se espera que esté operativo en 2018. [49] [ necesita actualización ]

Gerard K. O'Neill propuso que mediante el uso de globos muy grandes podría ser posible construir un puerto espacial en la estratosfera . Los cohetes podrían lanzarse desde él o un impulsor de masa podría acelerar las cargas útiles hacia la órbita. [50] Esto tiene la ventaja de que la mayor parte (alrededor del 90%) de la atmósfera está debajo del puerto espacial. Un SpaceShaft es una versión propuesta de una estructura atmosféricamente flotante que serviría como un sistema para elevar la carga a altitudes cercanas al espacio , con plataformas distribuidas a varias elevaciones que proporcionarían instalaciones de habitación para operaciones humanas a largo plazo en toda la atmósfera media y altitudes cercanas al espacio. [51] [52] [53] Para el lanzamiento espacial, serviría como una primera etapa no cohete para cohetes lanzados desde la parte superior. [52]

Sistemas de lanzamiento híbridos

Ilustración de la NASA para un concepto que combina tres tecnologías: asistencia de lanzamiento electromagnética desde una pista hipotética de 3,2 kilómetros (2 millas) en el Centro Espacial Kennedy , un avión estatorreactor y un cohete transportado para su uso después de que el lanzamiento aéreo alcance la órbita.

Se pueden combinar tecnologías independientes. En 2010, la NASA sugirió que un futuro avión estatorreactor podría acelerarse hasta 300 m/s (una solución al problema de que los motores estatorreactores no se pueden poner en marcha a velocidad cero del flujo de aire) mediante un sistema de lanzamiento electromagnético o de otro tipo , lanzando a su vez desde el aire un cohete de segunda etapa que pondría en órbita un satélite. [54]

Todas las formas de lanzadores de proyectiles son sistemas al menos parcialmente híbridos si se lanzan a una órbita terrestre baja , debido al requisito de circularización de la órbita , que implica como mínimo aproximadamente el 1,5 por ciento del delta-v total para elevar el perigeo (por ejemplo, una pequeña combustión de cohete), o en algunos conceptos mucho más de un propulsor de cohete para facilitar el desarrollo de un acelerador terrestre. [15]

Algunas tecnologías pueden tener una escalabilidad exponencial si se utilizan de forma aislada, lo que hace que el efecto de las combinaciones sea de una magnitud contraintuitiva. Por ejemplo, 270 m/s es menos del 4% de la velocidad de la órbita baja terrestre , pero un estudio de la NASA estimó que el lanzamiento del trineo Maglifter a esa velocidad podría aumentar la carga útil de un cohete ELV convencional en un 80% al hacer que la pista suba una montaña de 3000 metros. [55]

Las formas de lanzamiento terrestre limitadas a una aceleración máxima dada (por ejemplo, debido a las tolerancias de la fuerza g humana si se pretende transportar pasajeros) tienen la escala de longitud mínima del lanzador correspondiente no linealmente sino con la velocidad al cuadrado. [56] Las ataduras pueden tener una escala exponencial aún más no lineal. La relación de masa de la atadura a la carga útil de una atadura espacial sería de alrededor de 1:1 a una velocidad de punta del 60% de su velocidad característica , pero se vuelve más de 1000:1 a una velocidad de punta del 240% de su velocidad característica . Por ejemplo, para la practicidad anticipada y una relación de masa moderada con los materiales actuales, el concepto HASTOL haría que la primera mitad (4 km/s) de la velocidad a la órbita se proporcionara por otros medios que la propia atadura. [11]

En el libro The Millennial Project, Mashall Savage propuso como una de las tesis centrales del libro, utilizar un sistema híbrido que combinase un impulsor de masa para el lofting inicial seguido de un empuje aditivo mediante una serie de láseres terrestres secuenciados según la longitud de onda, pero la idea no se ha llevado a cabo en un grado notable. Las propuestas específicas de Savage demostraron ser inviables tanto desde el punto de vista de la ingeniería como de la política, y aunque las dificultades pudieron superarse, el grupo que fundó Savage, ahora llamado Living Universe Foundation , no ha podido recaudar fondos significativos para la investigación.

La combinación de múltiples tecnologías sería en sí misma un aumento de la complejidad y de los desafíos de desarrollo, pero la reducción de los requisitos de rendimiento de un subsistema determinado puede permitir la reducción de su complejidad o coste individual. Por ejemplo, la cantidad de piezas de un motor de cohete alimentado con combustible líquido puede ser dos órdenes de magnitud menor si se alimenta a presión en lugar de por bomba si sus requisitos de delta-v son lo suficientemente limitados como para que la penalización de peso de dicho motor sea una opción práctica, o un lanzador terrestre de alta velocidad puede ser capaz de utilizar un motor híbrido pequeño o de combustible sólido de rendimiento relativamente moderado y económico en su proyectil. [57] La ​​asistencia mediante métodos no cohetes puede compensar la penalización de peso de hacer que un cohete orbital sea reutilizable . Aunque suborbital , la primera nave espacial tripulada privada, SpaceShipOne, tenía requisitos de rendimiento de cohete reducidos debido a que era un sistema combinado con su lanzamiento aéreo . [58]

Véase también

Referencias

  1. ^ "¿No hay cohetes? ¡No hay problema!". Popular Mechanics . 5 de octubre de 2010. Consultado el 23 de enero de 2017 .
  2. ^ George Dvorsky (30 de diciembre de 2014). "Cómo la humanidad conquistará el espacio sin cohetes". io9 .
  3. ^ "Una nueva mirada a la energía solar espacial: nuevas arquitecturas, conceptos y tecnologías. John C. Mankins. Federación Astronáutica Internacional IAF-97-R.2.03. 12 páginas" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2017-10-26 . Consultado el 2012-04-28 .
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  • Lista canónica de métodos de ingeniería y transporte espacial
  • Bibliografía sobre transporte de la Tierra a la órbita, una extensa publicación sobre nuevos métodos de transporte de la Tierra a la órbita
  • Documento del programa orbital suborbital del vehículo espacial
  • Google Lunar X PRIZE Archivado el 5 de marzo de 2016 en Wayback Machine , algunas iniciativas comerciales
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