vuelos espaciales orbitales

Un vuelo espacial orbital (o vuelo orbital ) es un vuelo espacial en el que una nave espacial se coloca en una trayectoria donde podría permanecer en el espacio durante al menos una órbita . Para hacer esto alrededor de la Tierra , debe estar en una trayectoria libre con una altitud en el perigeo (altitud de máxima aproximación) de alrededor de 80 kilómetros (50 millas) ; este es el límite del espacio según lo definen la NASA , la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y la FAA . Para permanecer en órbita a esta altitud se requiere una velocidad orbital de ~7,8 km/s. La velocidad orbital es menor para órbitas más altas, pero alcanzarlas requiere un delta-v mayor . La Federación Aeronáutica Internacional ha establecido la línea de Kármán a una altitud de 100 km (62 millas) como una definición operativa del límite entre la aeronáutica y la astronáutica. Esto se utiliza porque a una altitud de unos 100 km (62 millas) , como calculó Theodore von Kármán , un vehículo tendría que viajar más rápido que la velocidad orbital para obtener suficiente sustentación aerodinámica de la atmósfera para mantenerse en vuelo. ^{[ 1 ] : 84 [ 2 ]}      

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

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

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

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

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

Los vuelos espaciales orbitales desde la Tierra solo se han logrado mediante vehículos de lanzamiento que utilizan motores de cohete para la propulsión. Para alcanzar la órbita, el cohete debe impartir a la carga útil un delta-v de aproximadamente 9,3 a 10  km/s. Esta cifra (~7,8  km/s) se refiere principalmente a la aceleración horizontal necesaria para alcanzar la velocidad orbital, pero también tiene en cuenta la resistencia atmosférica (aproximadamente 300  m/s² con el coeficiente balístico de un vehículo de combustible denso de 20 m de longitud (66 pies) ), las pérdidas gravitacionales (que dependen del tiempo de combustión y de los detalles de la trayectoria y del vehículo de lanzamiento) y el aumento de altitud.  

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

El cohete Pegasus, destinado a pequeños satélites, se lanza desde un avión a una altitud de 39.000 pies (12 km) .  

Se han propuesto numerosos métodos para lograr vuelos espaciales orbitales que podrían ser mucho más económicos que los cohetes. Algunas de estas ideas, como el ascensor espacial y el rotovator , requieren materiales nuevos mucho más resistentes que cualquiera de los conocidos actualmente. Otras ideas propuestas incluyen aceleradores terrestres como bucles de lanzamiento , aeronaves/aviones espaciales asistidos por cohetes como el Reaction Engines Skylon , aviones espaciales propulsados ​​por estatorreactores y aviones espaciales propulsados ​​por motores RBCC . También se ha propuesto el lanzamiento mediante cañones para el transporte de carga.

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

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

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

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

El frenado aerodinámico intencional se logra orientando la nave espacial de regreso de manera que los escudos térmicos queden expuestos hacia la atmósfera para protegerla de las altas temperaturas generadas por la compresión atmosférica y la fricción causadas al atravesar la atmósfera a velocidades hipersónicas . La energía térmica se disipa principalmente mediante la compresión del aire, que calienta una onda de choque delante del vehículo, utilizando un escudo térmico de forma roma, con el objetivo de minimizar el calor que ingresa al vehículo.

Los vuelos espaciales suborbitales, al realizarse a una velocidad mucho menor, no generan ni de lejos tanto calor al reingresar a la atmósfera.

Aunque los objetos en órbita sean prescindibles, la mayoría de las autoridades espaciales están impulsando reingresos controlados para minimizar el riesgo para las vidas y la propiedad en el planeta.

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

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