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Articulo de referencia

Lanzamiento espacial sin cohete

Ilustración de la NASA del lanzamiento de un trineo Maglifter . El lanzamiento espacial sin cohete se refiere a conceptos teóricos para el lanzamiento al espacio donde gran part...

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Ilustración de la NASA del lanzamiento de un trineo Maglifter .

El lanzamiento espacial sin cohete se refiere a conceptos teóricos para el lanzamiento al espacio donde gran parte de la velocidad y altitud necesarias para alcanzar la órbita se proporciona 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 cohete , rockoon o lanzamiento aéreo , una parte del delta-v total puede proporcionarse, ya sea directa o indirectamente, mediante el uso de propulsión de cohete.

Actualmente, los costos de lanzamiento son muy elevados: entre 2500 y 25 000 dólares por kilogramo desde la Tierra hasta la órbita terrestre baja (LEO). En consecuencia, los costos de lanzamiento representan un porcentaje considerable del costo total de todas las misiones espaciales. Si se logra abaratar el lanzamiento, el costo total de las misiones espaciales se reducirá. Debido a la naturaleza exponencial de la ecuación del cohete, proporcionar incluso una pequeña parte de la velocidad necesaria para alcanzar la LEO mediante otros medios podría reducir significativamente el costo de llegar a la órbita.

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

Comparación de métodos de lanzamiento espacial

  1. ↑ Las referencias en esta columna se aplican a toda la fila a menos que se reemplacen específicamente.
  2. 1 2 Todos los valores monetarios en dólares sin inflación se basan en la fecha de publicación de referencia, excepto donde se indique.
  3. ↑ El TRL 8 se aplica a un cable espacial que cambió la trayectoria de una carga útil a bordo, como lo hizo la misión YES2 y otras.
  4. ↑ Estimación del año calendario 2008 a partir de la descripción en el sistema de referencia de 1993.
  5. ↑ Requiere que la primera etapa alcance aproximadamente 5 km/s.
  6. ↑ Sujeto a un aumento muy rápido mediante el método de remuestreo (bootstrapping).
  7. ↑ Requiere que la primera etapa del vehículo DF-9 propuesto por Boeing alcance aproximadamente 4 km/s.
  8. ↑ Basado en el diseño de referencia Gen-1, versión 2010 .
  9. ↑ 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. [ 18 ]

Estructuras estáticas

En este contexto, 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 que un vehículo lanzado a velocidad orbital eleve su perigeo , una torre tendría que extenderse por encima del borde del espacio (por encima de la línea de Kármán de  100 km ), [ 27 ] pero una altura mucho menor de la torre podría reducir las pérdidas por arrastre atmosférico durante el ascenso. Si la torre llegara hasta la órbita geosíncrona a aproximadamente 35.999 kilómetros (22.369 millas) , los objetos liberados a esa altura podrían alejarse con una potencia mínima y estarían en una órbita circular. El concepto de una estructura que alcanzara la órbita geosíncrona fue concebido por primera vez por Konstantin Tsiolkovsky . [ 28 ] El concepto original imaginado por Tsiolkovsky era una estructura de compresión. Construir una estructura de compresión desde cero resultó ser una tarea irrealizable, ya que no existía ningún material con la resistencia a la compresión suficiente para soportar su propio peso en tales condiciones. [ 29 ] Otras ideas utilizan torres de compresión muy altas para reducir las exigencias sobre los vehículos de lanzamiento. El vehículo es "elevado" hasta la cima de la torre, que puede extenderse por encima de la atmósfera , y se lanza desde allí. Diversos investigadores han propuesto una torre tan alta para alcanzar altitudes cercanas al espacio de 20 km (12 millas) . [ 30 ] [ 31 ]   

Estructuras de tracción

Las estructuras tensadas para lanzamientos espaciales sin cohetes proponen el uso de cables largos y muy resistentes (conocidos como amarres ) para elevar una carga útil al espacio. Los amarres también pueden utilizarse para cambiar de órbita una vez en el espacio.

Los cables orbitales pueden estar bloqueados por las mareas ( gancho celeste ) o ser giratorios (rotovatores). En teoría, pueden diseñarse para recoger la carga útil cuando esta se encuentra estacionaria o cuando alcanza velocidad hipersónica (es decir, una velocidad elevada, aunque no orbital).

Los cables endoatmosféricos pueden utilizarse para transferir cinética (energía y momento) entre grandes aeronaves convencionales (subsónicas o supersónicas bajas) u otros medios de propulsión y vehículos aerodinámicos más pequeños, impulsándolos a velocidades hipersónicas sin necesidad de sistemas de propulsión sofisticados.

Gancho al cielo

Ganchos celestes giratorios y no giratorios en órbita

Un skyhook es una clase teórica de propulsión por cable orbital destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. [ 32 ] [ 33 ] Las propuestas para skyhooks incluyen diseños que emplean cables que giran a velocidad hipersónica para capturar cargas útiles de alta velocidad o aeronaves de gran altitud y colocarlas en órbita. [ 34 ]

ascensor espacial

Diagrama de un ascensor espacial. En la parte inferior del diagrama se muestra la Tierra vista desde lo alto del Polo Norte. Aproximadamente a 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 geosíncrona. Aproximadamente al doble de la altura del 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, justo debajo. El centro de masa del sistema se describe como situado por encima del nivel de la órbita geosíncrona. Se muestra que el centro de masa se encuentra aproximadamente a un cuarto de la distancia entre el arco geosíncrono y el contrapeso. Se indica que el extremo inferior del cable está anclado en el ecuador. Un escalador se representa mediante un pequeño cuadrado redondeado. Se muestra al escalador subiendo por el cable aproximadamente a un tercio de la distancia 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 se extendería hasta el espacio .

Un ascensor espacial es un tipo de sistema de transporte espacial propuesto. [ 35 ] Su componente principal es un cable en forma de cinta (también llamado amarre ) anclado a la superficie y que se extiende hacia el espacio por encima de la órbita geoestacionaria. A medida que el planeta rota, la fuerza centrífuga en el extremo superior del amarre contrarresta la gravedad y mantiene el cable tenso. De esta manera, los vehículos pueden ascender por el amarre y alcanzar la órbita sin necesidad de propulsión a chorro.

Dicho cable podría fabricarse con cualquier material capaz de soportar tensión reduciendo su diámetro lo suficientemente rápido a medida que se acerca a la superficie terrestre. En la Tierra , con su gravedad relativamente fuerte, los materiales actuales no son lo suficientemente resistentes ni ligeros . Con los materiales convencionales, la relación de conicidad tendría que ser muy grande, aumentando la masa total de lanzamiento hasta un nivel económicamente 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 del cable. Sus resistencias medidas son altas en comparación con sus densidades lineales. Son materiales prometedores para hacer posible un ascensor espacial terrestre. [ 36 ]

Landis y Cafarelli sugirieron que una estructura de tensión ("ascensor espacial") que se extiende hacia abajo desde la órbita geoestacionaria podría combinarse con la estructura de compresión ("torre Tsiolkovski") que se extiende hacia arriba desde la superficie, formando una estructura combinada que alcanza la órbita geoestacionaria desde la superficie y que presenta ventajas estructurales sobre cualquiera de ellas por separado. [ 29 ]

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

Cables endoatmosféricos

Lanzador de cometas  : transfiere el impulso al vehículo.

Un cable endoatmosférico utiliza un cable largo dentro de la atmósfera para proporcionar parte o la totalidad de la velocidad necesaria para alcanzar la órbita. El cable se utiliza para transferir energía cinética (energía y momento) desde un extremo masivo y lento (típicamente una aeronave subsónica grande o supersónica baja) a un extremo hipersónico mediante aerodinámica o acción centrípeta. El lanzador de cable de intercambio cinético (KITE) es un ejemplo de cable endoatmosférico propuesto. [ 15 ]

Estructuras dinámicas

Fuente espacial

Fuente del espacio de diseño Hyde.

Una fuente espacial es una 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 con materiales tradicionales, se proyectan enormes proyectiles hacia arriba desde la base de la torre y se redirigen hacia abajo una vez que llegan a la cima, de modo que la fuerza de redirección mantiene la parte superior de la torre en el aire. [ 37 ]

Anillo orbital

Anillo orbital.

Un anillo orbital es un concepto para un anillo gigante construido artificialmente que cuelga en órbita terrestre baja  y que giraría a una velocidad ligeramente superior a la orbital, y que tendría cables fijos que colgarían hasta el suelo. [ 38 ]

En una serie de artículos publicados en 1982 en el Journal of the British Interplanetary Society , [ 14 ] Paul Birch presentó el concepto de sistemas de anillos orbitales. Propuso un cable giratorio colocado en una órbita terrestre baja, que rotaba a una velocidad ligeramente superior a la orbital. Sin estar en órbita, pero montadas sobre este anillo y sostenidas electromagnéticamente por imanes superconductores, se encuentran estaciones de anillo que permanecen fijas sobre un punto designado de la Tierra. De estas estaciones cuelgan pequeños ascensores espaciales hechos de cables con una alta relación resistencia-masa. Birch afirmó que las estaciones de anillo, además de sostener el cable, podían acelerar el anillo orbital hacia el este, provocando su precesión alrededor de la Tierra.

En 1982, el inventor bielorruso Anatoly Yunitskiy también propuso una pista electromagnética que rodeaba la Tierra, a la que denominó "Sistema de Transporte de Cuerda". Cuando la velocidad de la cuerda superara los 10  km/s, las fuerzas centrífugas la separarían de la superficie terrestre y elevarían el anillo al espacio. [ 39 ]

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 cable , que tendría unos 2000 km de longitud y se mantendría a una altitud de hasta 80 kilómetros (50 millas) . Los vehículos, con un peso de 5 toneladas métricas, serían acelerados electromagnéticamente sobre el cable, que forma una pista de aceleración, desde la cual serían proyectados a la órbita terrestre o incluso más allá. La estructura requeriría constantemente unos 200 MW de potencia para mantenerse en su lugar.  

El sistema está diseñado para ser adecuado para lanzar humanos para turismo espacial , exploración espacial y colonización espacial con una  aceleración máxima de 3 g. [ 40 ]

Torre neumática autoportante

Un diseño propuesto consiste en una torre autoportante compuesta por columnas tubulares de material de alta resistencia (por ejemplo, kevlar ) infladas con una mezcla de gas de baja densidad, y con sistemas de estabilización dinámica que incluyen giroscopios y "equilibrio de presión". [ 41 ] Entre las ventajas sugeridas, en comparación con otros diseños de ascensores espaciales, se incluyen evitar el trabajo con las grandes longitudes de estructura que implican algunos otros diseños, la construcción desde tierra en lugar de en órbita, y el acceso funcional a todo el rango de altitudes dentro del alcance práctico del diseño. El diseño presentado está "a 5 km de altitud y se extiende hasta 20  km sobre el nivel del mar", y los autores sugieren que "el enfoque podría ampliarse aún más para proporcionar acceso directo a altitudes superiores a 200  km".

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

Lanzadores de proyectiles

Con cualquiera de estos lanzadores de proyectiles, se obtiene una alta velocidad a nivel del suelo o cerca de él. Para alcanzar la órbita, el proyectil debe adquirir la velocidad adicional suficiente para atravesar la atmósfera, a menos que incluya un sistema de propulsión adicional (como un cohete). Además, el proyectil necesita un mecanismo interno o externo para la inserción orbital . Los diseños que se describen a continuación se dividen en tres categorías: propulsión eléctrica, propulsión química y propulsión mecánica.

Aceleración electromagnética

Los sistemas de lanzamiento eléctricos incluyen propulsores de masa, cañones electromagnéticos y cañones de bobina . Todos estos sistemas utilizan el concepto de una vía de lanzamiento fija que emplea algún tipo de motor eléctrico lineal para acelerar un proyectil.

conductor de masa

Un propulsor de masas para lanzamiento lunar (concepto artístico).
Interacciones electrodinámicas en un cañón electromagnético.

En esencia, un propulsor de masas es una pista o túnel de lanzamiento muy largo y principalmente horizontal para acelerar cargas útiles a velocidades orbitales o suborbitales. El concepto fue propuesto por Arthur C. Clarke en 1950, [ 42 ] y desarrollado con mayor detalle por Gerard K. O'Neill , en colaboración con el Space Studies Institute , centrándose en el uso de un propulsor de masas para lanzar material desde la Luna.

Un propulsor de masas utiliza algún tipo de repulsión para mantener la carga útil separada de la vía o las paredes. Luego, emplea un motor lineal (un motor de corriente alterna como el de un cañón de bobina o un motor homopolar como el de un cañón de riel) para acelerar la carga útil a altas velocidades. Tras abandonar la vía de lanzamiento, la carga útil alcanzaría su velocidad de lanzamiento.

StarTram

StarTram es una propuesta para lanzar vehículos directamente al espacio mediante su aceleración con un propulsor de masa. Los vehículos flotarían por repulsión magnética entre imanes superconductores instalados en el vehículo y las paredes de aluminio del túnel, mientras son acelerados por un sistema magnético de corriente alterna generado por bobinas de aluminio. La energía necesaria probablemente provendría de unidades de almacenamiento de energía superconductoras distribuidas a lo largo del túnel. Los vehículos podrían ascender por inercia hasta una órbita baja o incluso geoestacionaria; posteriormente, se requeriría un pequeño encendido de un motor cohete para circularizar la órbita.

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

Los sistemas de segunda generación, aptos para pasajeros, acelerarían durante 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 cables de Kevlar y sostenido por la repulsión magnética entre cables superconductores en el túnel y en tierra. Tanto para los sistemas de primera como de segunda generación, la boca del tubo permanecería abierta durante la aceleración del vehículo, y el aire se mantendría fuera mediante bombeo magnetohidrodinámico . [ 16 ] [ 43 ] [ 44 ]

Químico

pistola

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 calibre . El escritor de ciencia ficción Julio Verne propuso dicho método de lanzamiento en De la Tierra a la Luna , y en 1902 se adaptó al cine con el título Viaje a la Luna .

Sin embargo, incluso con un cañón que atravesara la corteza terrestre y la troposfera , las fuerzas G necesarias para generar la velocidad de escape seguirían siendo superiores a las que un ser humano puede soportar. Por lo tanto, el cañón espacial se limitaría al transporte de carga y a satélites reforzados. Además, el proyectil necesitaría un sistema de estabilización, interno o externo, para mantenerse en órbita.

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

John Hunter, de Green Launch, propone el uso de un "cañón de hidrógeno" para lanzar cargas útiles no tripuladas a la órbita por un coste inferior al de los lanzamientos convencionales.

acelerador de ariete

Un acelerador de impacto también utiliza energía química, al igual que el cañón espacial , pero se diferencia por completo en que se basa en un ciclo de propulsión similar al de un motor a reacción, utilizando procesos de combustión de estatorreactor o estatorreactor supersónico para acelerar el proyectil a velocidades extremadamente altas. Consiste en un tubo largo lleno de una mezcla de gases combustibles con un diafragma frangible en cada extremo para contenerlos. El proyectil, con forma de núcleo de estatorreactor, se dispara mediante otro medio (por ejemplo, un cañón espacial, como se mencionó anteriormente) a velocidad supersónica a través del primer diafragma hacia el extremo del tubo. Allí, los gases se queman como combustible, acelerándose a lo largo del tubo mediante propulsión a chorro. Otros principios físicos entran en juego a velocidades más altas.

acelerador de ondas expansivas

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

Mecánico

Slingatron

En un slingatron, [ 24 ] [ 45 ] los proyectiles se aceleran a lo largo de un tubo o riel rígido que generalmente tiene curvas circulares o espirales, o combinaciones de estas geometrías en dos o tres dimensiones. Un proyectil se acelera en el tubo curvo al impulsar todo el tubo en un movimiento circular de pequeña amplitud y frecuencia constante o creciente, sin cambiar la orientación del tubo; es decir, todo el tubo gira pero no rota. Un ejemplo cotidiano de este movimiento es remover una bebida sujetando el recipiente y moviéndolo en pequeños círculos horizontales, lo que hace que el contenido gire, sin que el recipiente mismo gire.

Este giro desplaza continuamente el tubo con una componente en la dirección de la fuerza centrípeta que actúa sobre el proyectil, de modo que se realiza trabajo continuo sobre este a medida que avanza por la máquina. La fuerza centrípeta que experimenta el proyectil es la fuerza aceleradora, y es proporcional a su masa 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 un cable giratorio fabricado con materiales actualmente disponibles (por ejemplo, Dyneema ). La velocidad máxima de la punta de un cable giratorio, independientemente de su tamaño, está limitada por la relación resistencia-peso de sus materiales, ya que el cable debe soportar su propia masa bajo aceleración centrípeta, así como la del proyectil. En el slingatron, la fuerza centrífuga del proyectil se contrarresta contra una estructura no giratoria que puede ser tan masiva como sea necesario.

Aplicar esta fuerza entre el tubo guía y el proyectil ultrarrápido es uno de los principales desafíos técnicos del slingatron. En su artículo inicial, el Dr. Derek A. Tidman, inventor del slingatron, supuso que, para eliminar la fricción, el proyectil tendría que ser sostenido por levitación magnética en un tubo al vacío. Posteriormente, Tidman sugirió 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 sobre el que se deslizaría, minimizando la fricción. Predijo que la mayor parte de la energía perdida por fricción se destinaría a vaporizar el material ablativo 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.

Es esta fricción la que establece el tamaño mínimo de un slingatron para una masa de proyectil y velocidad de lanzamiento dadas. Para una velocidad dada, una pista más pequeña hará que el proyectil experimente una mayor aceleración centrípeta, presionándolo más 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 punta que el cable giratorio simple. Pero según el análisis de Tidman, un slingatron que lanza 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, [ 46 ] aunque a más de 10 000 rpm, un lanzador de ese tipo necesitaría tener una velocidad de giro más rápida que algunos discos duros.

Todos los diseños posteriores de slingatron de Tidman utilizan una espiral en lugar de una pista circular. El proyectil comienza en el centro y acelera en múltiples giros a medida que se mueve hacia afuera, mientras que la pista gira a velocidad constante. Esto no solo mantiene el proyectil en fase, sino que, siempre que sus motores tengan suficiente potencia, permite que la máquina funcione en modo de disparo rápido, lanzando un proyectil hasta una vez por revolución. Tidman falleció en 2019. [ 47 ]

SpinLaunch

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 7500 km/h (4700 mph; 2,1 km/s). El cohete enciende sus motores a una altitud aproximada de 60 km (200 000 pies) para alcanzar una velocidad orbital de 27 600 km/h (17 150 mph; 7,666 km/s) con una carga útil de hasta 200 kg. SpinLaunch ha realizado varias pruebas de lanzamiento exitosas con un prototipo a escala de un tercio hasta 2023.

Lanzamiento aéreo

En el lanzamiento aéreo, un avión portador transporta la nave espacial a gran altitud y velocidad antes de su liberación. Esta técnica se utilizó en las naves suborbitales X-15 y SpaceshipOne , y en la nave de lanzamiento orbital Pegasus .

Las principales desventajas son que el avión portador 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

Representación artística del avión hipersónico X-43A de la NASA con un motor scramjet acoplado en la parte inferior.

Un avión espacial es una aeronave diseñada para sobrevolar el límite del espacio . Combina algunas características de un avión con otras 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 propulsión adicional mediante respiración atmosférica.

Los primeros aviones espaciales se utilizaron para explorar el vuelo hipersónico (por ejemplo, el X-15 ). [ 48 ]

Algunos diseños basados ​​en motores de respiración atmosférica (véase X-30 ), como las aeronaves con motores scramjet o de detonación pulsada, podrían alcanzar la velocidad orbital o acercarse a ella; sin embargo, estos diseños aún deben realizar una última ignición de cohete en su apogeo para circularizar su trayectoria y evitar reingresar a la atmósfera. Otros diseños reutilizables tipo turborreactor, como Skylon , que utiliza motores a reacción preenfriados hasta Mach  5.5 antes de emplear cohetes para entrar en órbita, parecen tener un margen de masa que permite una carga útil mayor que la de los cohetes convencionales, lográndola en una sola etapa.

Globo

Los globos pueden elevar la altitud inicial de los cohetes. Sin embargo, los globos tienen una capacidad de carga relativamente baja (aunque el proyecto Sky Cat es un ejemplo de globo de gran capacidad diseñado para su uso 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 solo es caro en grandes cantidades, sino que también es un recurso no renovable . Esto convierte a los globos en una técnica costosa de asistencia al lanzamiento. El hidrógeno podría utilizarse, ya que tiene la ventaja de ser más barato y ligero que el helio, pero la desventaja de ser altamente inflamable. Se han realizado demostraciones de cohetes lanzados desde globos, conocidos como " rockoons ", pero, hasta la fecha, solo para misiones suborbitales ("cohetes sonda"). El tamaño del globo necesario para elevar un vehículo de lanzamiento orbital sería extremadamente grande.

JP Aerospace ha fabricado un prototipo de plataforma de lanzamiento de globos, denominado "Proyecto Tandem" [ 49 ] , aunque no se ha utilizado como vehículo de lanzamiento de cohetes. JP Aerospace también propone una etapa superior hipersónica, más ligera que el aire. La empresa española zero2infinity está desarrollando oficialmente un sistema de lanzamiento llamado bloostar, basado en el concepto rockoon , que se espera esté operativo para 2018 [ 50 ] .

Gerard K. O'Neill propuso que, mediante el uso de globos muy grandes, podría ser posible construir un puerto espacial en la estratosfera . Desde allí se podrían lanzar cohetes o un propulsor de masa podría acelerar cargas útiles a la órbita. [ 51 ] Esto tiene la ventaja de que la mayor parte (alrededor del 90%) de la atmósfera se encuentra debajo del puerto espacial. Un SpaceShaft es una versión propuesta de una estructura flotante atmosférica que serviría como sistema para elevar carga a altitudes cercanas al espacio , con plataformas distribuidas en varias elevaciones que proporcionarían instalaciones de habitabilidad para operaciones humanas a largo plazo en la atmósfera media y altitudes cercanas al espacio. [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] Para el lanzamiento espacial, serviría como una primera etapa no cohete para cohetes lanzados desde la parte superior. [ 53 ]

Sistemas de lanzamiento híbridos

Ilustración de la NASA para un concepto que combina tres tecnologías: asistencia electromagnética para el lanzamiento desde una pista hipotética de 3,2 km (2 millas ) en el Centro Espacial Kennedy , un avión con motor scramjet 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 scramjet podría acelerarse a 300  m/s (una solución al problema de que los motores ramjet no se pueden arrancar a velocidad de flujo de aire cero) mediante asistencia electromagnética u otro tipo de lanzamiento con trineo , lanzando a su vez desde el aire un cohete de segunda etapa que transportaría un satélite a la órbita. [ 55 ]

Todas las formas de lanzadores de proyectiles son al menos parcialmente sistemas híbridos si se lanzan a la 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 ignición de cohete), o en algunos conceptos mucho más de un propulsor de cohete para facilitar el desarrollo de aceleradores terrestres. [ 16 ]

Algunas tecnologías pueden tener un escalamiento exponencial si se usan 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 terrestre baja , 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 % cuando además la pista asciende una montaña de 3000 metros. [ 56 ]

Las formas de lanzamiento terrestre limitadas a una aceleración máxima dada (como debido a las tolerancias de la fuerza g humana si se pretende transportar pasajeros) tienen la longitud mínima del lanzador correspondiente escala no lineal sino con el cuadrado de la velocidad. [ 57 ] Los cables pueden tener una escala exponencial aún más no lineal. La relación de masa cable-carga útil de un cable espacial sería de alrededor de 1:1 a una velocidad en la punta del 60% de su velocidad característica, pero se convierte en más de 1000:1 a una velocidad en la punta del 240% de su velocidad característica . Por ejemplo, para la practicidad prevista y una relación de masa moderada con los materiales actuales, el concepto HASTOL tendría la primera mitad (4  km/s) de la velocidad a la órbita proporcionada por otros medios que no sean el propio cable. [ 12 ]

En su libro The Millennial Project, Marshall Savage propuso, como una de las tesis centrales, utilizar un sistema híbrido que combinara un propulsor de masas para el lanzamiento inicial, seguido de un empuje adicional mediante una serie de láseres terrestres secuenciados según su longitud de onda. Sin embargo, la idea no se ha desarrollado de forma significativa. Las propuestas específicas de Savage resultaron inviables tanto desde el punto de vista técnico como político, y aunque se pudieron superar las dificultades, el grupo que fundó, ahora llamado Living Universe Foundation , no ha logrado recaudar fondos suficientes para la investigación.

Combinar múltiples tecnologías en sí mismo aumentaría la complejidad y los desafíos de desarrollo, pero reducir los requisitos de rendimiento de un subsistema determinado puede permitir reducir su complejidad o costo individual. Por ejemplo, el número de piezas en un motor de cohete de combustible líquido puede ser dos órdenes de magnitud menor si se alimenta a presión en lugar de mediante bomba si sus requisitos de delta-v son lo suficientemente limitados como para que la penalización de peso sea una opción práctica, o un lanzador terrestre de alta velocidad puede utilizar un motor pequeño híbrido o de combustible sólido de rendimiento relativamente moderado y económico en su proyectil. [ 58 ] La asistencia mediante métodos no basados ​​en 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 . [ 59 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "¿Sin cohetes? ¡No hay problema!" . Popular Mechanics . 5 de octubre de 2010 . Consultado el 23 de enero de 2017 .
  2. ↑ George Dvorsky (30-12-2014). "Cómo la humanidad conquistará el espacio sin cohetes" . io9 .
  3. ↑ "Una nueva perspectiva sobre la energía solar espacial: nuevas arquitecturas, conceptos y tecnologías. John C. Mankins. Federación Astronáutica Internacional IAF-97-R.2.03. 12 páginas" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 26 de octubre de 2017. Consultado el 28 de abril de 2012 .
  4. ↑ Robert M. Zubrin (Pioneer Astronautics); Christopher P. McKay. Centro de Investigación Ames de la NASA (c. 1993). "Requisitos tecnológicos para la terraformación de Marte" .
  5. ↑ SpaceCast 2020 - Informe al Jefe de Estado Mayor de la Fuerza Aérea (PDF) , 22 de junio de 1994, archivado (PDF) del original el 17 de julio de 2020
  6. ↑ Tsiolkovsky. "Исследование мировых пространств реактивными приборами" [ La exploración del espacio cósmico mediante dispositivos de reacción ] (en ruso).
  7. ↑ "Costo del lanzamiento espacial a la órbita terrestre baja - Proyecto de seguridad aeroespacial" . Septiembre de 2022.
  8. ↑ Hirschfeld, Bob (31 de enero de 2002). "El ascensor espacial recibe impulso" . TechTV . G4 Media, Inc. Archivado del original el 8 de junio de 2005. Recuperado el 13 de septiembre de 2007. El concepto fue descrito por primera vez en 1895 por el autor ruso K. E. Tsiolkovsky en su obra "Especulaciones sobre la Tierra y el Cielo y sobre Vesta".
  9. ↑ Fujii, Hironori A.; Kruijff, Michiel; van der HEIDE, Erik J.; Watanabe, Takeo (2010). "El segundo satélite para jóvenes ingenieros: tecnología innovadora a través de la educación" . Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan . 8 (ists27): Tg_11–Tg_17. doi : 10.2322/tastj.8.Tg_11 .
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  • Lista canónica de métodos de ingeniería y transporte espacial
  • Bibliografía sobre el transporte Tierra-Órbita , una extensa publicación sobre métodos novedosos de transporte Tierra-Órbita.
  •  Documento del programa suborbital orbital para vehículos espaciales
  • Google Lunar  X  PRIZE , algunas iniciativas comerciales