Propulsión de naves espaciales

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La propulsión espacial es cualquier método utilizado para acelerar naves espaciales y satélites artificiales . La propulsión en el espacio se ocupa exclusivamente de los sistemas de propulsión utilizados en el vacío del espacio y no debe confundirse con el lanzamiento espacial o la entrada a la atmósfera .

Se han desarrollado varios métodos de propulsión pragmática de naves espaciales, cada uno con sus propios inconvenientes y ventajas. La mayoría de los satélites tienen propulsores químicos simples y confiables (a menudo cohetes monopropulsantes ) o cohetes resistojet para mantener la posición orbital , mientras que unos pocos usan ruedas de momento para el control de actitud . Los satélites rusos y del bloque soviético anterior han usado propulsión eléctrica durante décadas, ^{[ no verificado en el cuerpo ]} y las naves espaciales occidentales geo-orbitales más nuevas están comenzando a usarlas para mantener la posición norte-sur y elevar la órbita. Los vehículos interplanetarios también usan principalmente cohetes químicos, aunque algunos han usado propulsión eléctrica, como propulsores de iones y propulsores de efecto Hall . Varias tecnologías necesitan respaldar todo, desde pequeños satélites y exploración robótica del espacio profundo hasta estaciones espaciales y misiones humanas a Marte .

Las tecnologías hipotéticas de propulsión espacial describen tecnologías de propulsión que podrían satisfacer las necesidades futuras de exploración y ciencia espacial . Estas tecnologías de propulsión tienen por objeto proporcionar una exploración eficaz del Sistema Solar y pueden permitir a los diseñadores de misiones planificar misiones para "volar en cualquier momento y lugar y completar una serie de objetivos científicos en los destinos" y con mayor fiabilidad y seguridad. Con una amplia gama de posibles misiones y tecnologías de propulsión candidatas, la cuestión de qué tecnologías son "mejores" para futuras misiones es difícil; la opinión de los expertos sostiene ahora que se debe desarrollar una cartera de tecnologías de propulsión para proporcionar soluciones óptimas para un conjunto diverso de misiones y destinos. ^{[1] [2] [3]}

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La exploración espacial consiste en llegar al destino de forma segura (posibilitando la misión), rápidamente (tiempos de tránsito reducidos), con una gran cantidad de masa de carga útil y de forma relativamente económica (menor coste). El acto de llegar al destino requiere un sistema de propulsión en el espacio, y las demás métricas son modificadores de esta acción fundamental. ^{[4] [3]} Las tecnologías de propulsión pueden mejorar significativamente una serie de aspectos críticos de la misión.

Al lanzar una nave espacial desde la Tierra, un método de propulsión debe superar una mayor atracción gravitatoria para proporcionar una aceleración neta positiva. ^[5] Cuando se está en el espacio, el propósito de un sistema de propulsión es cambiar la velocidad, o v , de una nave espacial. ^[6]

La propulsión en el espacio comienza donde termina la etapa superior del vehículo de lanzamiento , realizando las funciones de propulsión primaria , control de reacción , mantenimiento de la posición , apuntamiento de precisión y maniobras orbitales . Los motores principales utilizados en el espacio proporcionan la fuerza propulsora primaria para la transferencia de órbita , las trayectorias planetarias y el aterrizaje y ascenso extraplanetarios. Los sistemas de control de reacción y maniobras orbitales proporcionan la fuerza propulsora para el mantenimiento de la órbita, el control de la posición, el mantenimiento de la posición y el control de la actitud de la nave espacial. ^{[4] [2] [3]}

En órbita, cualquier impulso adicional , incluso minúsculo, provocará un cambio en la trayectoria orbital, de dos maneras: ^[7]

• Prograda/retrógrada (es decir, aceleración en la dirección tangencial/opuesta en la dirección tangencial), que aumenta/disminuye la altitud de la órbita
• Perpendicular al plano orbital, lo que cambia la inclinación orbital . ^{[ cita requerida ]}

La superficie de la Tierra está situada a una profundidad considerable en un pozo de gravedad ; la velocidad de escape necesaria para abandonar su órbita es de 11,2 kilómetros por segundo. ^[8] Por lo tanto, para destinos más lejanos, los sistemas de propulsión necesitan suficiente combustible y una eficiencia lo suficientemente alta. Lo mismo ocurre con otros planetas y lunas, aunque algunos tienen pozos de gravedad más bajos.

Como los seres humanos evolucionaron en un campo gravitatorio de "una g " (9,81 m/s²), sería más cómodo para un sistema de propulsión espacial humano proporcionar esa aceleración de forma continua, ^{[ ¿según quién? ]} (aunque los cuerpos humanos pueden tolerar aceleraciones mucho mayores en períodos cortos). ^[9] Los ocupantes de un cohete o nave espacial que tuvieran un sistema de propulsión de este tipo estarían libres de los efectos nocivos de la caída libre , como náuseas, debilidad muscular, reducción del sentido del gusto o pérdida de calcio de sus huesos. ^{[10] [11]}

La ecuación del cohete de Tsiolkovsky muestra, utilizando la ley de conservación del momento , que para que un método de propulsión con motor de cohete cambie el momento de una nave espacial, debe cambiar el momento de algo más en la dirección opuesta. En otras palabras, el cohete debe agotar masa opuesta a la dirección de aceleración de la nave espacial, y dicha masa agotada se denomina propulsor o masa de reacción . ^{[12] : Sec 1.2.1  [13]} Para que esto suceda, se necesitan tanto masa de reacción como energía. El impulso proporcionado por el lanzamiento de una partícula de masa de reacción con masa m a velocidad v es mv . Pero esta partícula tiene energía cinética mv ²/2, que debe venir de alguna parte. En un cohete convencional sólido , líquido o híbrido , se quema combustible, lo que proporciona la energía, y se permite que los productos de reacción fluyan fuera de la boquilla del motor , lo que proporciona la masa de reacción. En un propulsor de iones , se utiliza electricidad para acelerar los iones detrás de la nave espacial. Aquí otras fuentes deben proporcionar la energía eléctrica (por ejemplo, un panel solar o un reactor nuclear ), mientras que los iones proporcionan la masa de reacción. ^[5]

La tasa de cambio de velocidad se llama aceleración y la tasa de cambio de momento se llama fuerza . ^[14] Para alcanzar una velocidad dada, se puede aplicar una pequeña aceleración durante un largo período de tiempo, o una gran aceleración durante un corto período de tiempo; de manera similar, se puede lograr un impulso dado con una gran fuerza durante un corto período de tiempo o una pequeña fuerza durante un largo período de tiempo. Esto significa que para maniobrar en el espacio, un método de propulsión que produce pequeñas aceleraciones durante un largo período de tiempo a menudo puede producir el mismo impulso que otro que produce grandes aceleraciones durante un corto período de tiempo. ^[15] Sin embargo, cuando se lanza desde un planeta, las pequeñas aceleraciones no pueden superar la atracción gravitatoria del planeta y, por lo tanto, no se pueden utilizar. ^[16]

Sin embargo, algunos diseños funcionan sin masa de reacción interna aprovechando los campos magnéticos o la presión de la luz para cambiar el momento de la nave espacial.

Al hablar de la eficiencia de un sistema de propulsión, los diseñadores a menudo se centran en el uso efectivo de la masa de reacción, que debe transportarse junto con el cohete y se consume irremediablemente cuando se usa. ^[17] El rendimiento de la nave espacial se puede cuantificar en la cantidad de cambio en el momento por unidad de propulsor consumido, también llamado impulso específico . Esta es una medida de la cantidad de impulso que se puede obtener a partir de una cantidad fija de masa de reacción. Cuanto mayor sea el impulso específico, mejor será la eficiencia. Los motores de propulsión iónica tienen un impulso específico alto (~3000 s) y un empuje bajo ^[18], mientras que los cohetes químicos, como los motores de cohetes monopropulsantes o bipropulsantes, tienen un impulso específico bajo (~300 s) pero un empuje alto. ^[19]

El impulso por unidad de peso en la Tierra (normalmente designado por ) tiene unidades de segundos. ^[15] Debido a que el peso en la Tierra de la masa de reacción a menudo no es importante cuando se habla de vehículos en el espacio, el impulso específico también se puede discutir en términos de impulso por unidad de masa, con las mismas unidades que la velocidad (por ejemplo, metros por segundo). ^[20] Esta medida es equivalente a la velocidad de escape efectiva del motor, y normalmente se designa como . ^[21] Se puede utilizar tanto el cambio en el momento por unidad de propulsor utilizado por una nave espacial, como la velocidad del propulsor que sale de la nave espacial, para medir su "impulso específico". Los dos valores difieren en un factor de la aceleración estándar debida a la gravedad, g _n , 9,80665 m/s² ( ). ^[22]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle v_{e}}$${\displaystyle I_{\text{sp}}g_{\mathrm {n} }=v_{e}}$

A diferencia de los cohetes químicos, los cohetes electrodinámicos utilizan campos eléctricos o magnéticos para acelerar un propulsor cargado. La ventaja de este método es que puede alcanzar velocidades de escape, y por lo tanto , más de 10 veces mayores que las de un motor químico, produciendo un empuje constante con mucho menos combustible. Con un sistema de propulsión química convencional, el 2% de la masa total de un cohete podría llegar al destino, y el 98% restante se habría consumido como combustible. Con un sistema de propulsión eléctrica, el 70% de lo que está a bordo en la órbita baja de la Tierra puede llegar a un destino en el espacio profundo. ^[23]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$

Sin embargo, existe una disyuntiva. Los cohetes químicos transforman los propulsores en la mayor parte de la energía necesaria para impulsarlos, pero sus equivalentes electromagnéticos deben transportar o producir la energía necesaria para crear y acelerar los propulsores. Debido a que actualmente existen límites prácticos en la cantidad de energía disponible en una nave espacial, estos motores no son adecuados para vehículos de lanzamiento o cuando una nave espacial necesita un impulso rápido y grande, como cuando frena para entrar en una órbita de captura. Aun así, debido a que los cohetes electrodinámicos ofrecen una potencia muy alta , los planificadores de misiones están cada vez más dispuestos a sacrificar potencia y empuje (y el tiempo adicional que se necesitará para llevar una nave espacial a donde necesita ir) con el fin de ahorrar grandes cantidades de masa de propulsor. ^[22]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$

Las naves espaciales operan en muchas áreas del espacio, entre ellas, las maniobras orbitales, los viajes interplanetarios y los viajes interestelares.

Los satélites artificiales se lanzan primero a la altitud deseada mediante cohetes convencionales de propulsión líquida/sólida, después de lo cual el satélite puede utilizar sistemas de propulsión a bordo para mantener la posición orbital. Una vez en la órbita deseada, a menudo necesitan algún tipo de control de actitud para que estén correctamente apuntados con respecto a la Tierra , el Sol y posiblemente algún objeto astronómico de interés. ^[24] También están sujetos a la resistencia de la delgada atmósfera , por lo que para permanecer en órbita durante un largo período de tiempo es necesaria ocasionalmente alguna forma de propulsión para hacer pequeñas correcciones ( mantenimiento de la posición orbital ). ^[25] Muchos satélites necesitan ser movidos de una órbita a otra de vez en cuando, y esto también requiere propulsión. ^[26] La vida útil de un satélite generalmente termina una vez que ha agotado su capacidad de ajustar su órbita. ^[27]

Para los viajes interplanetarios , una nave espacial puede usar sus motores para abandonar la órbita de la Tierra. No es explícitamente necesario ya que el impulso inicial dado por el cohete, la honda de gravedad, el sistema de propulsión de control de actitud monopropelente/bipropelente son suficientes para la exploración del sistema solar (ver New Horizons ). Una vez que lo ha hecho, debe abrirse camino hacia su destino. Las naves espaciales interplanetarias actuales hacen esto con una serie de ajustes de trayectoria a corto plazo. ^[28] Entre estos ajustes, la nave espacial normalmente se mueve a lo largo de su trayectoria sin acelerar. El medio más eficiente en términos de combustible para moverse de una órbita circular a otra es con una órbita de transferencia de Hohmann : la nave espacial comienza en una órbita aproximadamente circular alrededor del Sol. Un corto período de empuje en la dirección del movimiento acelera o desacelera la nave espacial en una órbita elíptica alrededor del Sol que es tangencial a su órbita anterior y también a la órbita de su destino. La nave espacial cae libremente a lo largo de esta órbita elíptica hasta que llega a su destino, donde otro breve período de empuje la acelera o desacelera para que coincida con la órbita de su destino. ^[29] A veces se utilizan métodos especiales como el aerofrenado o la aerocaptura para este ajuste orbital final. ^[30]

Algunos métodos de propulsión de naves espaciales, como las velas solares , proporcionan un empuje muy bajo pero inagotable; ^[31] un vehículo interplanetario que utilice uno de estos métodos seguiría una trayectoria bastante diferente, ya sea empujando constantemente contra su dirección de movimiento para disminuir su distancia del Sol, o empujando constantemente a lo largo de su dirección de movimiento para aumentar su distancia del Sol. ^{[ cita requerida ]} El concepto ha sido probado con éxito por la nave espacial de vela solar japonesa IKAROS . ^[32]

Como las distancias interestelares son enormes, se necesita una velocidad tremenda para que una nave espacial llegue a su destino en un tiempo razonable. Adquirir esa velocidad en el lanzamiento y deshacerse de ella en la llegada sigue siendo un desafío formidable para los diseñadores de naves espaciales. ^{[33] Todavía no se ha construido ninguna nave espacial capaz de} realizar viajes interestelares de corta duración (en comparación con la vida humana) , pero se han discutido muchos diseños hipotéticos.

La tecnología de propulsión de naves espaciales puede ser de varios tipos, como química, eléctrica o nuclear. Se distinguen en función de la física del sistema de propulsión y de cómo se genera el empuje. También se incluyen otros tipos experimentales y más teóricos, según su madurez técnica. Además, puede haber conceptos de propulsión espacial meritorios y creíbles que no se hayan previsto ni revisado en el momento de la publicación y que puedan demostrar ser beneficiosos para futuras aplicaciones en misiones. ^[34]

Casi todos los tipos son motores de reacción , que producen empuje expulsando masa de reacción , de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Newton . ^{[35] [36] [37]} Los ejemplos incluyen motores a reacción , motores de cohetes , motores de bomba-chorro y variaciones menos comunes como propulsores de efecto Hall , impulsores iónicos , impulsores de masa y propulsión de pulso nuclear . ^[38]

Una gran fracción de los motores de cohetes en uso hoy en día son cohetes químicos ; es decir, obtienen la energía necesaria para generar empuje mediante reacciones químicas para crear un gas caliente que se expande para producir empuje . ^[39] Se utilizan muchas combinaciones diferentes de propulsores para obtener estas reacciones químicas, incluyendo, por ejemplo, hidracina , oxígeno líquido , hidrógeno líquido , óxido nitroso y peróxido de hidrógeno . ^[40] Se pueden utilizar como monopropulsor o en configuraciones de bipropulsor . ^[41]

Los motores de cohetes proporcionan esencialmente las potencias específicas más altas y los empujes específicos más altos de cualquier motor utilizado para la propulsión de naves espaciales. ^[22] La mayoría de los motores de cohetes son motores térmicos de combustión interna (aunque existen formas sin combustión). ^[42] Los motores de cohetes generalmente producen una masa de reacción de alta temperatura, como un gas caliente, que se logra quemando un combustible sólido, líquido o gaseoso con un oxidante dentro de una cámara de combustión. ^[43] Luego, se permite que el gas extremadamente caliente escape a través de una boquilla en forma de campana de alta relación de expansión , una característica que le da al motor de cohete su forma característica. ^[42] El efecto de la boquilla es acelerar la masa, convirtiendo la mayor parte de la energía térmica en energía cinética, ^[44] donde las velocidades de escape que alcanzan hasta 10 veces la velocidad del sonido al nivel del mar son comunes. ^{[ cita requerida ]}

La forma dominante de propulsión química para satélites ha sido históricamente la hidracina , sin embargo, este combustible es altamente tóxico y corre el riesgo de ser prohibido en toda Europa. ^[45] Ahora se están desarrollando alternativas "verdes" no tóxicas para reemplazar la hidracina. Las alternativas basadas en óxido nitroso están ganando terreno y apoyo gubernamental, ^{[46] [47]} y el desarrollo está liderado por las empresas comerciales Dawn Aerospace, Impulse Space, ^[48] y Launcher. ^[49] El primer sistema basado en óxido nitroso que voló en el espacio fue realizado por D-Orbit a bordo de su ION Satellite Carrier ( remolcador espacial ) en 2021, utilizando seis propulsores Dawn Aerospace B20, lanzados sobre un cohete SpaceX Falcon 9. ^{[50] [51]}

En lugar de confiar en la alta temperatura y la dinámica de fluidos para acelerar la masa de reacción a altas velocidades, existen diversos métodos que utilizan fuerzas electrostáticas o electromagnéticas para acelerar la masa de reacción directamente, donde la masa de reacción suele ser una corriente de iones . ^{[ cita requerida ]}

Los cohetes de propulsión iónica suelen calentar un plasma o un gas cargado dentro de una botella magnética y lo liberan a través de una boquilla magnética de modo que ninguna materia sólida necesita entrar en contacto con el plasma. ^[52] Un motor de este tipo utiliza energía eléctrica, primero para ionizar átomos y luego para crear un gradiente de voltaje para acelerar los iones a altas velocidades de escape. ^[53] Para estos propulsores, a las velocidades de escape más altas, la eficiencia energética y el empuje son inversamente proporcionales a la velocidad de escape. ^{[ cita requerida ]} Su altísima velocidad de escape significa que requieren enormes cantidades de energía y, por lo tanto, con fuentes de energía prácticas proporcionan un empuje bajo, pero casi no utilizan combustible. ^{[ cita requerida ]}

La propulsión eléctrica se utiliza habitualmente para mantener la posición en los satélites de comunicaciones comerciales y como propulsión principal en algunas misiones espaciales científicas debido a su alto impulso específico. ^[54] Sin embargo, generalmente tienen valores de empuje muy pequeños y, por lo tanto, deben funcionar durante largos períodos para proporcionar el impulso total requerido por una misión. ^{[4] [55] [56] [57]}

La idea de la propulsión eléctrica se remonta a 1906, cuando Robert Goddard consideró la posibilidad en su cuaderno personal. ^[58] Konstantin Tsiolkovsky publicó la idea en 1911. ^[59]

Los métodos de propulsión eléctrica incluyen: ^[60]

• Propulsores de iones , que primero aceleran los iones y luego neutralizan el haz de iones con una corriente de electrones emitida desde un cátodo llamado neutralizador; ^[61]
  • Propulsores de iones electrostáticos
  • Propulsión eléctrica por emisión de campo
  • Propulsores MagBeam
  • Propulsores de efecto Hall
  • Propulsores coloidales
• Propulsores electrotérmicos, en los que se utilizan campos electromagnéticos para generar un plasma para aumentar el calor del propulsor a granel, la energía térmica impartida al gas propulsor se convierte luego en energía cinética mediante una boquilla de construcción de material físico o por medios magnéticos; ^{[ cita requerida ]}
  • Arcos eléctricos que utilizan corriente continua o microondas
  • Propulsores de doble capa Helicon
  • Resistores
• Propulsores electromagnéticos, en los que los iones son acelerados ya sea por la fuerza de Lorentz o por el efecto de campos electromagnéticos donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración; ^{[ cita requerida ]}
  • Motores de propulsión de plasma
  • Propulsores magnetoplasmadinámicos
  • Propulsores de plasma sin electrodos
  • Propulsores inductivos pulsados
  • Propulsores de plasma pulsado
  • Cohetes magnetoplasmáticos de impulso específico variable (VASIMR)
  • Propulsores de arco de vacío
• Impulsores de masa diseñados para propulsión. ^{[ cita requerida ]}

Para algunas misiones, particularmente aquellas razonablemente cercanas al Sol, la energía solar puede ser suficiente, y se ha utilizado a menudo, pero para otras más lejanas o de mayor potencia, es necesaria la energía nuclear; los motores que obtienen su energía de una fuente nuclear se denominan cohetes eléctricos nucleares . ^[62]

Los generadores de energía nuclear actuales tienen aproximadamente la mitad del peso de los paneles solares por vatio de energía suministrada, a distancias terrestres del Sol. ^{[ cita requerida ]} Los generadores de energía química no se utilizan debido a la energía total disponible mucho menor. ^[63] Se considera que la energía transmitida a la nave espacial tiene potencial, según la NASA y la Universidad de Colorado en Boulder . ^{[64] [65]}

Con cualquier fuente actual de energía eléctrica, química, nuclear o solar, la cantidad máxima de energía que se puede generar limita la cantidad de empuje que se puede producir a un valor pequeño. ^{[ cita requerida ]} La generación de energía agrega una masa significativa a la nave espacial y, en última instancia, el peso de la fuente de energía limita el rendimiento del vehículo. ^[66]

Los combustibles nucleares suelen tener una energía específica muy alta , mucho mayor que los combustibles químicos, lo que significa que pueden generar grandes cantidades de energía por unidad de masa. Esto los hace valiosos en los vuelos espaciales, ya que pueden permitir impulsos específicos elevados , a veces incluso a grandes empujes. La maquinaria para hacer esto es compleja, pero la investigación ha desarrollado métodos para su uso en sistemas de propulsión, y algunos han sido probados en un laboratorio. ^[67]

Aquí, la propulsión nuclear se refiere más bien a que la fuente de propulsión es nuclear, en lugar de un cohete eléctrico nuclear donde un reactor nuclear proporcionaría energía (en lugar de paneles solares) para otros tipos de propulsión eléctrica.

Los métodos de propulsión nuclear incluyen:

• Cohetes de fragmentos de fisión
• Velas de fisión
• Cohetes de fusión
• Cohetes térmicos nucleares (NTR)
• Propulsión nuclear por pulsos
• Cohetes nucleares de agua salada
• Cohetes de radioisótopos

Hay varios motores espaciales diferentes que necesitan poca o ninguna masa de reacción para funcionar.

Muchas naves espaciales utilizan ruedas de reacción o giroscopios de momento de control para controlar la orientación en el espacio. ^[68] Un satélite u otro vehículo espacial está sujeto a la ley de conservación del momento angular , que restringe a un cuerpo de un cambio neto en la velocidad angular . Por lo tanto, para que un vehículo cambie su orientación relativa sin gastar masa de reacción, otra parte del vehículo puede girar en la dirección opuesta. Las fuerzas externas no conservativas, principalmente las gravitacionales y atmosféricas, pueden contribuir hasta varios grados por día al momento angular, ^[69] por lo que dichos sistemas están diseñados para "purgar" las energías rotacionales no deseadas acumuladas con el tiempo.

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La ley de conservación del momento suele interpretarse como que cualquier motor que no utilice masa de reacción no puede acelerar el centro de masa de una nave espacial (por otra parte, es posible cambiar la orientación). ^{[ cita requerida ]} Pero el espacio no está vacío, especialmente el espacio dentro del Sistema Solar; hay campos gravitatorios, campos magnéticos , ondas electromagnéticas , viento solar y radiación solar. ^[70] Se sabe que las ondas electromagnéticas en particular contienen momento, a pesar de no tener masa; específicamente, la densidad de flujo de momento P de una onda EM es cuantitativamente 1/c ² veces el vector de Poynting S , es decir, P = S /c ² , donde c es la velocidad de la luz. ^{[ cita requerida ] Los métodos} de propulsión de campo que no dependen de la masa de reacción deben intentar aprovechar este hecho acoplándose a un campo portador de momento, como una onda EM que exista en las proximidades de la nave; sin embargo, debido a que muchos de estos fenómenos son de naturaleza difusa, las estructuras de propulsión correspondientes deben ser proporcionalmente grandes. ^{[ cita requerida ]}

El concepto de velas solares se basa en la presión de radiación de la energía electromagnética, pero requieren una gran superficie de recolección para funcionar de manera efectiva. ^[71] Las velas eléctricas proponen utilizar cables muy delgados y livianos que contienen una carga eléctrica para desviar partículas, que pueden tener una direccionalidad más controlable. ^{[ cita requerida ]}

Las velas magnéticas desvían las partículas cargadas del viento solar con un campo magnético, impartiendo así impulso a la nave espacial. ^[72] Por ejemplo, la llamada Magsail es un gran bucle superconductor propuesto para la aceleración/desaceleración en el viento solar y la desaceleración en el medio interestelar . ^[73] Una variante es el minisistema de propulsión de plasma magnetosférico ^[74] y su sucesor, la vela de magnetoplasma , ^[75] que inyecta plasma a baja velocidad para mejorar el campo magnético para desviar de manera más efectiva las partículas cargadas en un viento de plasma.

En mayo de 2010 , Japón lanzó una nave espacial impulsada por velas solares, IKAROS , que demostró con éxito la propulsión y la guía (y sigue activa a la fecha). ^{[ ¿Cuándo? ] [ cita requerida ]} Como prueba adicional del concepto de vela solar , NanoSail-D se convirtió en el primer satélite propulsado de este tipo en orbitar la Tierra . ^[76] En agosto de 2017, la NASA confirmó que el proyecto de vela solar Sunjammer concluyó en 2014 con lecciones aprendidas para futuros proyectos de velas espaciales. ^[77] El programa Cubesail del Reino Unido será la primera misión en demostrar la navegación solar en la órbita terrestre baja, y la primera misión en demostrar el control total de la actitud de tres ejes de una vela solar. ^[78]

El concepto de una honda gravitacional es una forma de propulsión para llevar una sonda espacial a otros destinos sin el gasto de masa de reacción; aprovechar la energía gravitacional de otros objetos celestes permite que la nave espacial gane energía cinética. ^[79] Sin embargo, se puede obtener más energía de la asistencia gravitacional si se utilizan cohetes a través del efecto Oberth .

Un sistema de propulsión por cable emplea un cable largo con una alta resistencia a la tracción para cambiar la órbita de una nave espacial, por ejemplo mediante la interacción con el campo magnético de un planeta o mediante el intercambio de momento con otro objeto. ^[80]

La propulsión por haz es otro método de propulsión sin masa de reacción, e incluye velas impulsadas por rayos láser , microondas o partículas. ^[81]

Las tecnologías de propulsión avanzadas, y en algunos casos teóricas, pueden utilizar física química o no química para producir empuje, pero generalmente se considera que tienen una madurez técnica menor y que enfrentan desafíos que no se han superado. ^[82] Tanto para la exploración humana como para la robótica, atravesar el sistema solar es una lucha contra el tiempo y la distancia. Los planetas más distantes están a entre 4.500 y 6.000 millones de kilómetros del Sol y para llegar a ellos en un tiempo razonable se requieren sistemas de propulsión mucho más capaces que los cohetes químicos convencionales. Las misiones rápidas al sistema solar interior con fechas de lanzamiento flexibles son difíciles y requieren sistemas de propulsión que están más allá del estado actual de la técnica. La logística y, por lo tanto, la masa total del sistema requerida para sustentar la exploración humana sostenida más allá de la Tierra a destinos como la Luna, Marte u objetos cercanos a la Tierra , son abrumadoras a menos que se desarrollen y utilicen tecnologías de propulsión en el espacio más eficientes. ^{[83] [84]}

Se han considerado diversas técnicas de propulsión hipotéticas que requieren una comprensión más profunda de las propiedades del espacio, en particular los sistemas inerciales y el estado de vacío . Dichos métodos son altamente especulativos e incluyen: ^{[ cita requerida ]}

Una evaluación de la NASA de su Programa de Física de Propulsión Innovadora divide dichas propuestas en aquellas que no son viables para fines de propulsión, aquellas que tienen un potencial incierto y aquellas que no son imposibles según las teorías actuales. ^[85]

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A continuación se presenta un resumen de algunas de las tecnologías más populares y probadas, seguidas de métodos cada vez más especulativos. Se muestran cuatro números. El primero es la velocidad de escape efectiva : la velocidad equivalente a la que el propulsor sale del vehículo. Esta no es necesariamente la característica más importante del método de propulsión; el empuje y el consumo de energía y otros factores pueden serlo. Sin embargo,

• Si el delta-v es mucho mayor que la velocidad de escape, entonces se necesitan cantidades exorbitantes de combustible (ver la sección sobre cálculos, más arriba), ^{[¿ según quién? ]} y
• Si es mucho mayor que el delta-v, entonces, proporcionalmente se necesita más energía; si la potencia es limitada, como con la energía solar, esto significa que el viaje toma un tiempo proporcionalmente más largo. ^{[ ¿según quién? ]}

El segundo y el tercero son las cantidades típicas de empuje y los tiempos de combustión típicos del método; fuera de un potencial gravitatorio, pequeñas cantidades de empuje aplicadas durante un período largo darán el mismo efecto que grandes cantidades de empuje durante un período corto, si el objeto no está significativamente influenciado por la gravedad. ^{[ cita requerida ]} El cuarto es el delta-v máximo que la técnica puede dar sin etapas. Para sistemas de propulsión tipo cohete, esto es una función de la fracción de masa y la velocidad de escape; la fracción de masa para sistemas tipo cohete generalmente está limitada por el peso del sistema de propulsión y el peso del tanque. ^{[ cita requerida ]} Para que un sistema alcance este límite, la carga útil puede necesitar ser un porcentaje insignificante del vehículo, y por lo tanto el límite práctico en algunos sistemas puede ser mucho menor. ^{[ cita requerida ]}

Notas de la tabla

Se han propuesto muchas ideas para mecanismos de asistencia al lanzamiento que tienen el potencial de reducir sustancialmente el costo de llegar a la órbita. Entre los mecanismos de asistencia al lanzamiento propuestos para lanzamientos espaciales sin cohetes se incluyen: ^{[109] [110]}

• Skyhook (requiere un vehículo de lanzamiento suborbital reutilizable, no es factible utilizando los materiales disponibles actualmente)
• Ascensor espacial (conectado desde la superficie de la Tierra a la órbita geoestacionaria; no se puede construir con los materiales existentes)
• Loop de lanzamiento (un looping cerrado y giratorio muy rápido de unos 80 km de altura)
• Fuente espacial (un edificio muy alto sostenido por un chorro de masas disparadas desde su base)
• Anillo orbital (un anillo alrededor de la Tierra con radios colgando de cojinetes)
• Catapulta electromagnética ( cañón de riel , cañón de bobina ) (un cañón eléctrico)
• Lanzamiento de trineo cohete
• Cañón espacial ( Proyecto HARP , acelerador de ariete ) (un cañón propulsado químicamente)
• Cohetes y aviones de propulsión propulsados ​​por haz propulsados ​​desde el suelo a través de un haz
• Plataformas de gran altitud para ayudar en la etapa inicial

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Los estudios muestran en general que los motores convencionales que respiran aire, como los estatorreactores o los turborreactores, son básicamente demasiado pesados ​​(tienen una relación empuje/peso demasiado baja) para proporcionar una mejora significativa del rendimiento cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, los vehículos de lanzamiento pueden lanzarse desde el aire desde vehículos de elevación separados (por ejemplo, B-29 , Pegasus Rocket y White Knight ) que sí utilizan tales sistemas de propulsión. Los motores a reacción montados en un riel de lanzamiento también podrían usarse de esa manera. ^{[ cita requerida ]}

Por otro lado, se han propuesto motores muy ligeros o de muy alta velocidad que aprovechan el aire durante el ascenso:

• SABRE – un turborreactor ligero alimentado con hidrógeno y con preenfriador ^[104]
• ATREX : un turborreactor ligero alimentado con hidrógeno y con preenfriador ^[111]
• Motor de ciclo de aire líquido : un motor a reacción alimentado con hidrógeno que licúa el aire antes de quemarlo en un motor de cohete.
• Scramjet : motores a reacción que utilizan combustión supersónica.
• Shcramjet : similar a un motor estatorreactor, sin embargo aprovecha las ondas de choque producidas por la aeronave en la cámara de combustión para ayudar a aumentar la eficiencia general.

Los vehículos lanzacohetes normales vuelan casi verticalmente antes de dar una vuelta de campana a una altitud de algunas decenas de kilómetros antes de quemarse de lado para entrar en órbita; este ascenso vertical inicial desperdicia combustible, pero es óptimo ya que reduce en gran medida la resistencia aerodinámica. Los motores que respiran aire queman combustible de manera mucho más eficiente y esto permitiría una trayectoria de lanzamiento mucho más plana. Los vehículos normalmente volarían aproximadamente tangencialmente a la superficie de la Tierra hasta que abandonaran la atmósfera y luego realizarían un encendido de cohete para cubrir la delta-v final con la velocidad orbital.

En el caso de las naves espaciales que ya se encuentran en órbitas muy bajas, la propulsión eléctrica con aire podría utilizar gases residuales de la atmósfera superior como combustible. La propulsión eléctrica con aire podría hacer viable una nueva clase de misiones de larga duración y en órbitas bajas en la Tierra, Marte o Venus . ^{[112] [113]}

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Cuando un vehículo va a entrar en órbita alrededor de su planeta de destino, o cuando va a aterrizar, debe ajustar su velocidad. ^[114] Esto se puede hacer utilizando cualquiera de los métodos enumerados anteriormente (siempre que puedan generar un empuje lo suficientemente alto), pero hay métodos que pueden aprovechar las atmósferas y/o superficies planetarias.

• El frenado aerodinámico permite que una nave espacial reduzca el punto alto de una órbita elíptica mediante roces repetidos con la atmósfera ^[115] en el punto bajo de la órbita. Esto puede ahorrar una cantidad considerable de combustible porque se necesita mucho menos delta-V para entrar en una órbita elíptica en comparación con una órbita circular baja. Debido a que el frenado se realiza a lo largo de muchas órbitas, el calentamiento es comparativamente menor y no se requiere un escudo térmico. Esto se ha hecho en varias misiones a Marte, como Mars Global Surveyor , 2001 Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter , y al menos en una misión a Venus, Magellan .
• La aerocaptura es una maniobra mucho más agresiva, que convierte una órbita hiperbólica entrante en una órbita elíptica en una sola pasada. Esto requiere un escudo térmico y una navegación más controlada porque debe completarse en una sola pasada a través de la atmósfera y, a diferencia del frenado aerodinámico, no es posible previsualizar la atmósfera. Si la intención es permanecer en órbita, entonces se requiere al menos una maniobra de propulsión más después de la aerocaptura; de lo contrario, el punto más bajo de la órbita resultante permanecerá en la atmósfera, lo que provocará un reingreso eventual. La aerocaptura aún no se ha probado en una misión planetaria, pero el salto de reingreso de Zond 6 y Zond 7 al regresar a la Luna fueron maniobras de aerocaptura, porque convirtieron una órbita hiperbólica en una órbita elíptica. En estas misiones, debido a que no hubo ningún intento de elevar el perigeo después de la aerocaptura, la órbita resultante aún intersectó la atmósfera y el reingreso ocurrió en el siguiente perigeo.
• Un ballute es un dispositivo de arrastre inflable. ^[116]
• Los paracaídas pueden aterrizar una sonda en un planeta o luna con atmósfera, generalmente después de que esta haya eliminado la mayor parte de la velocidad, utilizando un escudo térmico .
• Los airbags pueden suavizar el aterrizaje final.
• El litofrenado , o la detención por impacto contra la superficie, suele realizarse por accidente, pero también puede hacerse deliberadamente con la esperanza de que la sonda sobreviva (véase, por ejemplo, la sonda Deep Impact ), en cuyo caso se necesitan sondas muy resistentes.

El desarrollo de tecnologías dará como resultado soluciones técnicas que mejoren los niveles de empuje, el impulso específico , la potencia, la masa específica (o potencia específica ), el volumen, la masa del sistema, la complejidad del sistema, la complejidad operativa, las características comunes con otros sistemas de naves espaciales, la capacidad de fabricación, la durabilidad y el costo. Este tipo de mejoras dará como resultado tiempos de tránsito más cortos, mayor masa de carga útil, naves espaciales más seguras y menores costos. En algunos casos, el desarrollo de tecnologías dentro de esta área tecnológica dará como resultado avances que permitan misiones que revolucionarán la exploración espacial. No existe una única tecnología de propulsión que beneficie a todas las misiones o tipos de misiones; los requisitos para la propulsión en el espacio varían ampliamente según su aplicación prevista. ^{[4] [3]}

Una institución enfocada en el desarrollo de tecnologías de propulsión primaria destinadas a beneficiar las misiones científicas de corto y mediano plazo mediante la reducción de costos, masa y/o tiempos de viaje es el Centro de Investigación Glenn (GRC). ^{[ cita requerida ] Las arquitecturas} de propulsión eléctrica son de particular interés para el GRC, incluidos los propulsores iónicos y Hall . ^{[ cita requerida ]} Un sistema combina velas solares , una forma de propulsión sin propulsor que depende de la luz natural de las estrellas para la energía de propulsión, y propulsores Hall. Otras tecnologías de propulsión que se están desarrollando incluyen la propulsión química avanzada y la aerocaptura. ^{[3] [117] [118]}

El término "impulso de misión" define una tecnología o una característica de rendimiento necesaria para cumplir con un requisito de misión planificado por la NASA. Cualquier otra relación entre una tecnología y una misión (un sistema de propulsión alternativo, por ejemplo) se clasifica como "impulso tecnológico". Asimismo, una demostración espacial se refiere al vuelo espacial de una versión a escala de una tecnología particular o de un subsistema tecnológico crítico. Por otra parte, una validación espacial serviría como vuelo de calificación para la implementación de una misión futura. Un vuelo de validación exitoso no requeriría ninguna prueba espacial adicional de una tecnología particular antes de que pueda adoptarse para una misión científica o de exploración. ^[4]

Los sistemas de propulsión de naves espaciales a menudo se prueban primero estáticamente en la superficie de la Tierra, dentro de la atmósfera, pero muchos sistemas requieren una cámara de vacío para probarlos completamente. ^[119] Los cohetes generalmente se prueban en una instalación de prueba de motores de cohetes lejos de viviendas y otros edificios por razones de seguridad. Los motores iónicos son mucho menos peligrosos y requieren una seguridad mucho menos estricta, generalmente solo se necesita una cámara de vacío moderadamente grande. ^{[ cita requerida ]} El encendido estático de los motores se realiza en instalaciones de prueba en tierra , y los sistemas que no se pueden probar adecuadamente en tierra y requieren lanzamientos pueden emplearse en un sitio de lanzamiento .

En la ciencia ficción, las naves espaciales utilizan diversos medios para viajar, algunos de ellos científicamente plausibles (como las velas solares o los estatorreactores), otros, mayoritariamente o totalmente ficticios (como la antigravedad , el motor warp , el spindizzy o el viaje hiperespacial ). ^{[120] : 8, 69–77  [121] : 142}

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• Bibliografía sobre el transporte de la Tierra a la órbita Archivado el 15 de junio de 2016 en Wayback Machine
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• Herramienta para el análisis termodinámico de motores de cohetes líquidos
• Sitio web How Things Fly del Museo Nacional del Aire y del Espacio del Instituto Smithsoniano
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• Atomic Rocket – Engines: Un sitio que enumera y detalla motores espaciales reales, teóricos y fantásticos.