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propulsión de naves espaciales

Una cámara remota capta una vista de cerca de un RS-25 durante una prueba de encendido en el Centro Espacial John C. Stennis en el condado de Hancock, Mississippi . Motores de c...

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Una cámara remota capta una vista de cerca de un RS-25 durante una prueba de encendido en el Centro Espacial John C. Stennis en el condado de Hancock, Mississippi .
Motores de cohete bipropelente del sistema de control de reacción (RCS) del módulo lunar Apolo .

La propulsión espacial es cualquier método utilizado para acelerar naves espaciales y satélites artificiales. La propulsión en el espacio se utiliza en el vacío del espacio después de que el vehículo de lanzamiento haya elevado la nave espacial al espacio exterior . [ 1 ]

Se han desarrollado varios métodos de propulsión pragmática para naves espaciales, cada uno con sus propias desventajas y ventajas. La mayoría de los satélites cuentan con propulsores químicos sencillos y fiables (a menudo cohetes monopropelentes ) o cohetes de resistencia para el mantenimiento de la posición orbital, mientras que algunos utilizan ruedas de inercia para el control de actitud. Los satélites rusos y del antiguo bloque soviético han utilizado propulsión eléctrica durante décadas, [ 2 ] y las nuevas naves espaciales occidentales en órbita geoestacionaria están empezando a utilizarlas para el mantenimiento de la posición norte-sur y la elevación de la órbita. Los vehículos interplanetarios también utilizan principalmente cohetes químicos, aunque algunos han utilizado propulsión eléctrica, como propulsores iónicos y propulsores de efecto Hall . Se necesitan diversas tecnologías para dar soporte a todo, desde pequeños satélites y exploración robótica del espacio profundo hasta estaciones espaciales y misiones tripuladas a Marte.

Las tecnologías hipotéticas de propulsión espacial describen tecnologías que podrían satisfacer las futuras necesidades de la ciencia y la exploración espacial. Estas tecnologías están diseñadas para facilitar la exploración efectiva del Sistema Solar y permitirían a los diseñadores de misiones planificar misiones que permitan "volar en cualquier momento y lugar, y completar una serie de objetivos científicos en los destinos" con mayor fiabilidad y seguridad. Dada la amplia gama de posibles misiones y tecnologías de propulsión candidatas, determinar cuáles son las "mejores" para futuras misiones resulta complejo; la opinión de los expertos sostiene que se debe desarrollar un conjunto de tecnologías de propulsión que ofrezca soluciones óptimas para una diversidad de misiones y destinos. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

Propósito y función

Un sistema de propulsión de una nave espacial proporciona fuerza propulsora para la transferencia orbital , las trayectorias interplanetarias y, potencialmente, para el aterrizaje y el ascenso. Además, la propulsión es necesaria para orientar y posicionar la nave espacial en ruta, así como para el mantenimiento de la órbita ( control de reacción , mantenimiento de la estación , apuntamiento de precisión y maniobra orbital ). [ 3 ] : 1

En órbita, cualquier impulso adicional , por pequeño que sea, provocará un cambio en la trayectoria orbital de tres maneras, correspondientes a las tres dimensiones del espacio:

  • Avance/retroceso (es decir, aceleración en dirección tangencial/opuesta a la tangencial), lo que aumenta/disminuye la altitud de la órbita.
  • Perpendicular al plano orbital, lo que cambia la inclinación orbital .
  • Radialmente, es decir, hacia o desde el cuerpo alrededor del cual orbita, lo que altera la excentricidad de la órbita.

La superficie terrestre se encuentra bastante profunda en un pozo gravitatorio ; la velocidad de escape necesaria para abandonar su órbita es de 11,2 kilómetros por segundo. [ 6 ] Por lo tanto, para destinos más allá, los sistemas de propulsión necesitan suficiente combustible y una eficiencia suficientemente alta. Lo mismo ocurre con otros planetas y lunas, aunque algunos tienen pozos gravitatorios más bajos.

A medida que los seres humanos evolucionaron en un campo gravitatorio de "una g " (9,81  m/s² ) , sería más cómodo para un sistema de propulsión de vuelos espaciales tripulados proporcionar esa aceleración de forma continua (aunque los cuerpos humanos pueden tolerar aceleraciones mucho mayores durante períodos cortos). [ 7 ] Los ocupantes de un cohete o nave espacial con un sistema de propulsión de este tipo estarían libres de los efectos nocivos de la caída libre , como náuseas, debilidad muscular, disminución del sentido del gusto o pérdida de calcio de los huesos. [ 8 ] [ 9 ]

Teoría

Casi todos los tipos de propulsión de naves espaciales son motores de reacción , que producen empuje al expulsar masa de reacción , de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton . [ 10 ] La ecuación del cohete de Tsiolkovsky muestra, utilizando la ley de conservación del momento , que para que un método de propulsión de 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 expulsar masa en la dirección opuesta a la aceleración de la nave espacial, y dicha masa expulsada se llama propulsor o masa de reacción . [ 11 ] : Sec 1.2.1 [ 12 ] Para que esto suceda, se necesitan tanto masa de reacción como energía. El impulso proporcionado al lanzar una partícula de masa de reacción con masa m a velocidad v es mv . Pero (siguiendo la segunda ley del movimiento de Newton ) esta partícula tiene energía cinética ⁠ 1 / 2 ⁠ mv 2 , que debe provenir de alguna parte. En un cohete convencional de combustible sólido , líquido o híbrido , el combustible se quema, proporcionando la energía, y los productos de la reacción se expulsan por la tobera del motor , aportando la masa de reacción. En un propulsor iónico , se utiliza electricidad para acelerar los iones que se encuentran detrás de la nave espacial. En este caso, otras fuentes deben proporcionar la energía eléctrica (por ejemplo, un panel solar o un reactor nuclear ), mientras que los iones aportan la masa de reacción. [ 13 ]

La tasa de cambio de la velocidad se llama aceleración y la tasa de cambio del momento se llama fuerza . [ 14 ] Para alcanzar una velocidad determinada, se puede aplicar una pequeña aceleración durante un período prolongado o una gran aceleración durante un período corto; de manera similar, se puede lograr un impulso determinado con una gran fuerza durante un período corto o una pequeña fuerza durante un período prolongado. Esto significa que, para maniobrar en el espacio, un método de propulsión que produce pequeñas aceleraciones durante un período prolongado a menudo puede producir el mismo impulso que otro que produce grandes aceleraciones durante un período corto. [ 15 ] Sin embargo, al lanzar 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 campos magnéticos o presión de luz para cambiar el momento de la nave espacial.

Eficiencia

Al analizar la eficiencia de un sistema de propulsión, los diseñadores suelen centrarse en el uso efectivo de la masa de reacción, que debe transportarse junto con el cohete y se consume irremediablemente al utilizarse. [ 17 ] El rendimiento de una nave espacial puede cuantificarse en términos de 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 cohete monopropelente o bipropelente, tienen un impulso específico bajo (~300  s) pero un empuje alto. [ 19 ]

El impulso por unidad de peso en la Tierra (normalmente designado porIsp{\displaystyle I_{\text{sp}}}) 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 puede analizarse 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 se designa típicamentevmi{\displaystyle v_{e}}. [ 21 ] 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, pueden utilizarse para medir su impulso específico. Los dos valores difieren por un factor de la aceleración estándar debida a la gravedad, g n , 9,80665  m/s² (Ispgramonorte=vmi{\displaystyle I_{\text{sp}}g_{\mathrm {n} }=v_{e}}). [ 22 ]

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,Isp{\displaystyle I_{\text{sp}}}, más de 10 veces mayor que la 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 a su destino, mientras que el otro 98% se habría consumido como combustible. Con un sistema de propulsión eléctrica, el 70% de lo que se encuentra a bordo en órbita terrestre baja puede llegar a un destino en el espacio profundo. [ 23 ]

Sin embargo, existe una contrapartida. Los cohetes químicos transforman los propelentes en la mayor parte de la energía necesaria para propulsarlos, pero sus equivalentes electromagnéticos deben transportar o producir la energía necesaria para crear y acelerar los propelentes. 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 muy altaIsp{\displaystyle I_{\text{sp}}}, los planificadores de misiones están cada vez más dispuestos a sacrificar potencia y empuje (y el tiempo adicional que llevará llevar una nave espacial a donde necesita ir) para ahorrar grandes cantidades de masa de propulsor. [ 22 ]

Dominios operativos

Las naves espaciales operan en muchas áreas del espacio. Estas incluyen maniobras orbitales, viajes interplanetarios y viajes interestelares.

Orbital

Los satélites artificiales se lanzan primero a la altitud deseada mediante cohetes convencionales de propulsión líquida/sólida, tras lo cual el satélite puede utilizar sistemas de propulsión a bordo para mantener su posición orbital. Una vez en la órbita deseada, a menudo necesitan algún tipo de control de actitud para que apunten correctamente 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 período prolongado, ocasionalmente es necesario algún tipo de propulsión para realizar 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 ]

Interplanetario

Para los viajes interplanetarios , una nave espacial puede usar sus motores para abandonar la órbita terrestre. No es estrictamente necesario, ya que el impulso inicial proporcionado por el cohete, la asistencia gravitatoria y el sistema de propulsión de control de actitud monopropelente/bipropelente son suficientes para la exploración del sistema solar (véase New Horizons ). Una vez que lo ha hecho, debe dirigirse a su destino. Las naves espaciales interplanetarias actuales lo hacen mediante 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 consumo de combustible para pasar de una órbita circular a otra es mediante una órbita de transferencia de Hohmann : la nave espacial comienza en una órbita aproximadamente circular alrededor del Sol. Un breve período de empuje en la dirección del movimiento acelera o desacelera la nave espacial en una órbita elíptica alrededor del Sol que es tangente 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 alcanzar su destino, donde otro breve período de empuje la acelera o desacelera para igualar la órbita de su destino. [ 29 ] En ocasiones se utilizan métodos especiales como el frenado aerodinámico o la captura aerodinámica para este ajuste orbital final. [ 30 ]

Concepto artístico de una vela solar

Algunos métodos de propulsión espacial, como las velas solares, proporcionan un empuje muy bajo pero inagotable; [ 31 ] un vehículo interplanetario que utilizara uno de estos métodos seguiría una trayectoria bastante diferente, ya sea empujando constantemente en contra de su dirección de movimiento para disminuir su distancia al Sol, o empujando constantemente en la misma dirección de movimiento para aumentar su distancia al Sol. El concepto ha sido probado con éxito por la nave espacial japonesa IKAROS, que utiliza velas solares. [ 32 ]

Interestelar

Debido a las grandes distancias interestelares, se necesita una velocidad tremenda para que una nave espacial llegue a su destino en un tiempo razonable. Adquirir dicha velocidad en el lanzamiento y deshacerse de ella al llegar sigue siendo un desafío formidable para los diseñadores de naves espaciales. [ 33 ] Aún 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.

Tecnología de propulsión

Los cuatro tipos convencionales y ampliamente utilizados de propulsión espacial son los sistemas de motor de gas frío , monopropelente , bipropelente y sólido . [ 34 ] : 4 La tecnología de propulsión espacial puede ser de varios tipos, como química, eléctrica o nuclear. Se distinguen según la física del sistema de propulsión y cómo se genera el empuje. También se incluyen otros tipos experimentales y más teóricos , dependiendo de su madurez técnica. Además, puede haber conceptos de propulsión espacial meritorios y creíbles que no se previeron ni revisaron en el momento de la publicación, y que pueden demostrar ser beneficiosos para futuras aplicaciones de misión. [ 35 ]

propulsión química

Se están probando los motores Kestrel de SpaceX .

Una gran parte de los motores de cohete en uso hoy en día son cohetes químicos ; es decir, obtienen la energía necesaria para generar empuje mediante reacciones químicas que crean un gas caliente que se expande para producir empuje . [ 36 ] Se utilizan muchas combinaciones diferentes de propelentes para obtener estas reacciones químicas, incluyendo, por ejemplo, hidracina , oxígeno líquido , hidrógeno líquido , óxido nitroso y peróxido de hidrógeno . [ 37 ] Se pueden usar como monopropelente o en configuraciones bipropelente . [ 38 ]

Los motores de cohete proporcionan esencialmente las mayores potencias específicas y los mayores empujes específicos de cualquier motor utilizado para la propulsión de naves espaciales. [ 22 ] La mayoría de los motores de cohete son motores térmicos de combustión interna (aunque existen formas sin combustión). [ 39 ] Los motores de cohete generalmente producen una masa de reacción de alta temperatura, como un gas caliente, que se logra mediante la combustión de un combustible sólido, líquido o gaseoso con un oxidante dentro de una cámara de combustión. [ 40 ] El gas extremadamente caliente luego se deja escapar a través de una tobera en forma de campana de alta relación de expansión , una característica que le da al motor de cohete su forma característica. [ 39 ] El efecto de la tobera es acelerar la masa, convirtiendo la mayor parte de la energía térmica en energía cinética, [ 39 ] donde son comunes velocidades de escape que alcanzan hasta 10 veces la velocidad del sonido a nivel del mar.

propulsión química verde

Históricamente, la hidracina ha sido la forma dominante de propulsión química para satélites , pero este combustible es altamente tóxico y corre el riesgo de ser prohibido en toda Europa. [ 41 ] Actualmente se están desarrollando alternativas "verdes" no tóxicas para reemplazar la hidracina. Las alternativas basadas en óxido nitroso están ganando terreno y apoyo gubernamental, [ 42 ] [ 43 ] y su desarrollo está siendo liderado por las empresas comerciales Dawn Aerospace, Impulse Space, [ 44 ] y Launcher. [ 45 ] El primer sistema basado en óxido nitroso que voló al espacio fue el de D-Orbit a bordo de su ION Satellite Carrier ( remolcador espacial ) en 2021, utilizando seis propulsores Dawn Aerospace B20, lanzados en un cohete SpaceX Falcon 9. [ 46 ] [ 47 ]

propulsión eléctrica

El propulsor iónico NSTAR de 2,3 kW de la NASA para la nave espacial Deep Space 1 durante una prueba de encendido en el Laboratorio de Propulsión a Chorro.
Propulsor Hall de 6 kW en funcionamiento en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.

En lugar de depender de altas temperaturas y dinámica de fluidos para acelerar la masa de reacción a altas velocidades, existen diversos métodos que utilizan fuerzas electrostáticas o electromagnéticas para acelerar directamente la masa de reacción, que suele ser un flujo de iones .

Los cohetes de propulsión iónica suelen calentar un plasma o gas cargado dentro de una botella magnética y liberarlo a través de una boquilla magnética, de modo que no es necesario que la materia sólida entre en contacto con el plasma. [ 48 ] Este tipo de motor utiliza energía eléctrica, primero para ionizar los átomos y luego para crear un gradiente de voltaje que acelere los iones a altas velocidades de escape. [ 49 ] Para estos propulsores, a las velocidades de escape más altas, la eficiencia energética y el empuje son inversamente proporcionales a la velocidad de escape. Su altísima velocidad de escape implica que requieren enormes cantidades de energía y, por lo tanto, con fuentes de energía prácticas proporcionan un empuje bajo, pero apenas consumen combustible.

La propulsión eléctrica se utiliza comúnmente para el mantenimiento de posición en satélites de comunicaciones comerciales y para la propulsión principal en algunas misiones espaciales científicas debido a su alto impulso específico. [ 50 ] Sin embargo, generalmente tienen valores de empuje muy pequeños y, por lo tanto, deben operarse durante largos períodos para proporcionar el impulso total requerido por una misión. [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]

La idea de la propulsión eléctrica se remonta a 1906, cuando Robert Goddard consideró la posibilidad en su cuaderno personal. [ 55 ] Konstantin Tsiolkovsky publicó la idea en 1911. [ 56 ]

Los métodos de propulsión eléctrica incluyen: [ 57 ]

Fuentes de energía

La propulsión eléctrica puede ser alimentada por energía solar o energía nuclear . [ 59 ] Los sistemas solares utilizan células solares para generar electricidad directamente; los sistemas nucleares crean calor que se convierte en electricidad, ya sea de forma estática (con una eficiencia <10%) o dinámica (20-30%). Los sistemas dinámicos deben ser grandes para ser prácticos. [ 59 ] : 1137 Los cohetes eléctricos que obtienen su energía de una fuente nuclear se denominan cohetes eléctricos nucleares . [ 60 ]

Los generadores de energía química no se utilizan debido a la energía total disponible mucho menor. [ 61 ]

Con cualquier fuente de energía eléctrica actual, 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. La generación de energía añade una masa significativa a la nave espacial y, en última instancia, el peso de la fuente de energía limita el rendimiento del vehículo. [ 62 ]

propulsión nuclear

Boceto 3D de un propulsor de plasma de fusión de propulsión electromagnética.

Los combustibles nucleares suelen tener una energía específica muy alta , mucho mayor que la de 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 permiten impulsos específicos elevados , a veces incluso con empujes muy altos. La maquinaria para lograrlo es compleja, pero la investigación ha desarrollado métodos para su uso en sistemas de propulsión, y algunos se han probado en laboratorio. [ 63 ]

En este contexto, 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 vez de paneles solares) para otros tipos de propulsión eléctrica.

Los métodos de propulsión nuclear incluyen:

Propulsión sin masa de reacción interna

La propulsión de naves espaciales sin propelente es cualquier sistema de propulsión que acelera la nave interactuando con el entorno en lugar de expulsar propelente a bordo. Entre los sistemas demostrados se incluyen la asistencia gravitatoria para trayectorias de satélites en un campo gravitatorio, el frenado aerodinámico mediante la resistencia atmosférica, las velas solares que utilizan la presión de radiación del Sol y los cables electrodinámicos que aprovechan el campo magnético de un planeta con un cable largo. Otros sistemas sin propelente son solo conceptos exploratorios. [ 59 ]

El concepto de asistencia gravitatoria es una forma de propulsión para llevar una sonda espacial hacia otros destinos sin el costo de la masa de reacción; aprovechar la energía gravitatoria de otros objetos celestes permite que la nave espacial gane energía cinética. [ 64 ] Sin embargo, se puede obtener más energía de la asistencia gravitatoria si se utilizan cohetes mediante el efecto Oberth .

Estudio de la NASA sobre una vela solar. La vela tendría medio kilómetro de ancho.

El concepto de velas solares se basa en la presión de radiación de la energía electromagnética, pero requieren una gran superficie de captación para funcionar eficazmente. [ 65 ] Japón lanzó una nave espacial propulsada por vela solar, IKAROS, en mayo de 2010, que demostró con éxito la propulsión y la guía hasta que la misión finalizó en 2025. [ 66 ] Como prueba adicional del concepto de vela solar , NanoSail-D se convirtió en el primer satélite propulsado de este tipo en orbitar la Tierra . [ 67 ] 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. [ 68 ] El programa Cubesail del Reino Unido será la primera misión en demostrar la navegación solar en órbita terrestre baja, y la primera misión en demostrar el control de actitud completo de tres ejes de una vela solar. [ 69 ]

Un sistema de propulsión por cable emplea un cable largo con 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 a través del intercambio de momento con otro objeto. [ 70 ]

Las velas magnéticas desvían las partículas cargadas del viento solar con un campo magnético, impartiendo así impulso a la nave espacial. [ 71 ] 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 . [ 72 ] Una variante es el sistema de propulsión de plasma minimagnetosférico [ 73 ] y su sucesor, la vela de magnetoplasma , [ 74 ] que inyecta plasma a una tasa baja para mejorar el campo magnético y desviar de manera más efectiva las partículas cargadas en un viento de plasma.

La propulsión mediante haces es otro método de propulsión sin masa de reacción, e incluye velas impulsadas por haces láser , de microondas o de partículas. [ 75 ] Se considera que la energía transmitida a la nave espacial tiene potencial, según la NASA y la Universidad de Colorado Boulder . [ 76 ] [ 77 ]

Tecnología de propulsión avanzada

Las tecnologías de propulsión avanzadas, y en algunos casos teóricas , pueden usar física química o no química para producir empuje, pero generalmente se consideran de menor madurez técnica y presentan desafíos que aún no se han superado. [ 78 ] 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 se encuentran a entre 4.5 y 6 mil millones de kilómetros del Sol, y para alcanzarlos 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 superan el estado actual de la técnica. La logística, y por lo tanto la masa total del sistema necesaria para apoyar la exploración humana sostenida más allá de la Tierra hacia destinos como la Luna, Marte u objetos cercanos a la Tierra , es abrumadora a menos que se desarrollen y desplieguen tecnologías de propulsión espacial más eficientes. [ 79 ] [ 80 ]

Se han considerado diversas técnicas de propulsión hipotéticas que requieren una comprensión más profunda de las propiedades del espacio, en particular de los sistemas de referencia inerciales y del estado de vacío . Estos métodos son altamente especulativos e incluyen:

Una evaluación de la NASA sobre 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. [ 81 ]

Tabla de métodos

A continuación se presenta un resumen de algunas de las tecnologías más populares y probadas, seguido 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, 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 (véase la sección sobre cálculos, arriba), y
  • Si es mucho mayor que el delta-v, entonces se necesita proporcionalmente más energía; si la potencia es limitada, como en el caso de la energía solar, esto significa que el viaje lleva un tiempo proporcionalmente mayor.

El segundo y el tercer parámetro 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 prolongado producirán el mismo efecto que grandes cantidades de empuje durante un período corto, si el objeto no se ve afectado significativamente por la gravedad. El cuarto parámetro es el delta-v máximo que la técnica puede proporcionar sin etapas. Para sistemas de propulsión tipo cohete, esto es 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. Para que un sistema alcance este límite, la carga útil puede necesitar ser un porcentaje insignificante del vehículo, por lo que el límite práctico en algunos sistemas puede ser mucho menor.

Notas de la mesa

  1. ↑ Dividido por el factor de corrección de 3,1. [ 102 ]

Propulsión planetaria y atmosférica

Una prueba de concepto exitosa de Lightcraft , un subconjunto de la propulsión impulsada por haz.

Mecanismos de asistencia al lanzamiento

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. Los mecanismos de asistencia al lanzamiento espacial no basados ​​en cohetes propuestos incluyen: [ 105 ] [ 106 ]

Motores de respiración de aire

En general, los estudios demuestran que los motores convencionales de respiración aérea, como los estatorreactores o los turborreactores, son demasiado pesados ​​(tienen una relación empuje/peso demasiado baja) para ofrecer una mejora significativa del rendimiento cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. Sin embargo, los vehículos de lanzamiento pueden lanzarse desde vehículos de sustentación independientes (por ejemplo, el B-29 , el cohete Pegasus y el White Knight ), que sí utilizan este tipo de sistemas de propulsión. También podrían utilizarse motores a reacción montados en un riel de lanzamiento.

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 con preenfriador [ 100 ]
  • ATREX : un turborreactor ligero alimentado con hidrógeno con preenfriador [ 107 ].
  • Motor de ciclo de aire líquido : un motor a reacción alimentado con hidrógeno que licúa el aire antes de quemarlo en un motor cohete.
  • Scramjet : motores a reacción que utilizan combustión supersónica
  • Shcramjet : similar a un motor scramjet, pero aprovecha las ondas de choque producidas por la aeronave en la cámara de combustión para ayudar a aumentar la eficiencia general.

Los vehículos de lanzamiento de cohetes convencionales vuelan casi verticalmente antes de girar a una altitud de varias decenas de kilómetros y luego realizar un encendido lateral para alcanzar la órbita. Este ascenso vertical inicial consume combustible, pero es óptimo, ya que reduce considerablemente la resistencia del aire. Los motores de respiración atmosférica queman el combustible de forma mucho más eficiente, lo que permitiría una trayectoria de lanzamiento mucho más plana. Los vehículos volarían normalmente de forma casi tangencial a la superficie terrestre hasta abandonar la atmósfera, momento en el que realizarían un encendido del cohete para alcanzar la velocidad orbital final.

Para las naves espaciales que ya se encuentran en órbita muy baja, la propulsión eléctrica con respiración atmosférica podría utilizar los gases residuales de la atmósfera superior como propulsor. Esta propulsión eléctrica podría hacer factible una nueva clase de misiones de larga duración en órbita baja en la Tierra, Marte o Venus . [ 108 ] [ 109 ]

Llegada y aterrizaje planetarios

Una versión de prueba del sistema de airbags del Mars Pathfinder.

Cuando un vehículo debe entrar en órbita alrededor de su planeta de destino, o cuando debe aterrizar, debe ajustar su velocidad. [ 110 ] Esto se puede hacer utilizando cualquiera de los métodos enumerados anteriormente (siempre que puedan generar un empuje suficientemente alto), pero hay métodos que pueden aprovechar las atmósferas y/o superficies planetarias.

  • El aerofrenado permite que una nave espacial reduzca el punto más alto de una órbita elíptica mediante roces repetidos con la atmósfera [ 111 ] en el punto más 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 relativamente 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 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, ya que debe completarse en una sola pasada a través de la atmósfera y, a diferencia del frenado atmosférico, no es posible previsualizarla. Si el objetivo es permanecer en órbita, se requiere al menos una maniobra de propulsión adicional después de la aerocaptura; de lo contrario, el punto más bajo de la órbita resultante permanecerá en la atmósfera, lo que provocará una eventual reentrada. La aerocaptura aún no se ha probado en una misión planetaria, pero la maniobra de reentrada evitada por Zond 6 y Zond 7 al regresar a la Luna fueron maniobras de aerocaptura, ya que transformaron una órbita hiperbólica en una órbita elíptica. En estas misiones, debido a que no se intentó elevar el perigeo después de la aerocaptura, la órbita resultante aún interceptó la atmósfera y la reentrada ocurrió en el siguiente perigeo.
  • Un ballute es un dispositivo de arrastre inflable. [ 112 ]
  • Los paracaídas permiten aterrizar una sonda en un planeta o luna con atmósfera, generalmente después de que la atmósfera haya reducido considerablemente la velocidad, utilizando un escudo térmico .
  • Los airbags pueden suavizar el aterrizaje final.
  • El frenado litoscópico , o la detención mediante impacto contra la superficie, suele producirse por accidente. Sin embargo, puede realizarse deliberadamente con la intención de que la sonda sobreviva (véase, por ejemplo, la nave espacial Deep Impact ), en cuyo caso se requieren sondas muy resistentes.

Investigación

El desarrollo de tecnologías dará como resultado soluciones técnicas que mejoran 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, la compatibilidad con otros sistemas de naves espaciales, la capacidad de fabricación, la durabilidad y el costo. Este tipo de mejoras resultarán en tiempos de tránsito reducidos, mayor masa de carga útil, naves espaciales más seguras y costos reducidos. En algunos casos, el desarrollo de tecnologías dentro de esta área tecnológica dará como resultado avances que permitirán misiones y 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. [ 51 ] [ 5 ]

Una institución centrada en el desarrollo de tecnologías de propulsión primaria destinadas a beneficiar las misiones científicas a corto y mediano plazo mediante la reducción de costos, masa y/o tiempos de viaje es el Centro de Investigación Glenn (GRC). Las arquitecturas de propulsión eléctrica son de particular interés para el GRC, incluyendo los propulsores iónicos y de efecto Hall . Un sistema combina velas solares , una forma de propulsión sin propelente que se basa en la luz estelar natural para obtener energía de propulsión, y propulsores de efecto Hall. Otras tecnologías de propulsión en desarrollo incluyen la propulsión química avanzada y la aerocaptura. [ 5 ] [ 113 ] [ 114 ]

El área más importante en términos de publicaciones de familias de patentes relacionadas con la propulsión sostenible es la propulsión eléctrica.

Las tecnologías de propulsión sostenible, como las células solares y los sistemas de propulsión eléctrica alimentados por energías renovables, están ganando atención por su potencial para ofrecer soluciones para los viajes espaciales, al tiempo que buscan fuentes de energía más eficientes y menores emisiones contaminantes. Sin embargo, estas tecnologías pueden tener limitaciones en cuanto a empuje y escalabilidad. [ 115 ]

En 2023, Boeing y Airbus son las empresas líderes en investigación en propulsión sostenible para aplicaciones espaciales en términos de publicaciones de familias de patentes , pero se centran principalmente en hidrógeno/pilas de combustible y combustibles sostenibles. El área más importante en términos de publicaciones de familias de patentes es la propulsión eléctrica. El número de publicaciones de familias de patentes en sistemas de propulsión eléctrica ha aumentado de solo 70 en 2000 a 293 en 2023, siendo los principales inventores de China . [ 115 ]

Tecnologías definitorias

El término «atracción de la misión» define una tecnología o una característica de rendimiento necesaria para cumplir con un requisito planificado de la misión de 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 en particular o de un subsistema tecnológico crítico. Por otro lado, una validación espacial serviría como vuelo de calificación para la implementación de futuras misiones. Un vuelo de validación exitoso no requeriría ninguna prueba espacial adicional de una tecnología en particular antes de que pueda adoptarse para una misión científica o de exploración. [ 51 ]

Pruebas

Los sistemas de propulsión de naves espaciales a menudo se prueban primero estáticamente en la superficie terrestre, dentro de la atmósfera, pero muchos sistemas requieren una cámara de vacío para probarse completamente. [ 116 ] Los cohetes generalmente se prueban en una instalación de prueba de motores de cohete lejos de la vivienda y otros edificios por razones de seguridad. Los propulsores iónicos son mucho menos peligrosos y requieren una seguridad mucho menos estricta, generalmente solo se necesita una cámara de vacío de tamaño moderado. El encendido estático de los motores se realiza en instalaciones de prueba terrestres , y los sistemas que no se pueden probar adecuadamente en tierra y requieren lanzamientos pueden emplearse en un sitio de lanzamiento .

En la ficción

Representación artística de un diseño de motor de curvatura

En la ciencia ficción, las naves espaciales utilizan diversos medios de viaje, algunos científicamente plausibles (como velas solares o estatorreactores), otros mayormente o totalmente ficticios (como antigravedad , propulsión warp , spindizzy o viajes hiperespaciales ). [ 117 ] : 8, 69–77 [ 118 ] : 142

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Véase también

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