Un lanzamiento de trineo de cohetes , también conocido como asistencia de lanzamiento desde tierra , asistencia de lanzamiento de catapulta y lanzamiento de rampa aérea , es un método propuesto para lanzar vehículos espaciales . Con este concepto, el vehículo de lanzamiento está sostenido por un riel que apunta hacia el este o una vía maglev que sube por la ladera de una montaña mientras se utiliza una fuerza aplicada externamente para acelerar el vehículo de lanzamiento a una velocidad determinada. El uso de una fuerza aplicada externamente para la aceleración inicial reduce el propulsor que el vehículo de lanzamiento necesita transportar para alcanzar la órbita. Esto permite que el vehículo de lanzamiento transporte una carga útil mayor y reduce el costo de llegar a órbita. Cuando la cantidad de velocidad agregada al vehículo de lanzamiento por el acelerador terrestre es lo suficientemente grande, se hace posible el vuelo de una sola etapa a la órbita con un vehículo de lanzamiento reutilizable.
Para la investigación hipersónica en general, las pistas de la Base de la Fuerza Aérea Holloman han probado, desde 2011, pequeños trineos de cohetes que se mueven a hasta6453 mph (2885 m/s; Mach 8,5). [1]
Efectivamente, una rampa aérea haría que la primera etapa de un cohete, la más cara, fuera completamente reutilizable, ya que el trineo se devuelve a su posición inicial para repostar combustible y puede reutilizarse en el orden de horas después de su uso. Los vehículos de lanzamiento actuales tienen costos basados en el rendimiento de miles de dólares por kilogramo de peso seco ; El lanzamiento del trineo tendría como objetivo reducir los requisitos de rendimiento y amortizar los gastos de hardware en comparación con lanzamientos frecuentes y repetidos. Los diseños de trineos de montaña con raíles inclinados suelen utilizar motores a reacción o cohetes para acelerar la nave espacial montada en ellos. Los métodos electromagnéticos (como Bantam, Maglifter y StarTram ) son otra técnica investigada para acelerar un cohete antes del lanzamiento, potencialmente escalable a masas y velocidades de cohete mayores que el lanzamiento aéreo . [2] [3]
Los cohetes que llevan consigo su propio propulsor utilizan la gran mayoría de ese propulsor al comienzo de su viaje para acelerar la mayor parte de ese mismo propulsor, como está consagrado en la ecuación del cohete . Por ejemplo, el transbordador espacial utilizó más de un tercio de su combustible sólo para alcanzar los 1.600 km/h (1.000 mph). [4] Si esa energía se proporcionara sin (todavía o en absoluto) utilizar un propulsor que lleve el cohete, su necesidad de propulsor se reduciría mucho y su carga útil podría ser una fracción mayor de su masa de despegue, aumentando su eficiencia.
Debido a factores que incluyen la naturaleza exponencial de la ecuación del cohete y una mayor eficiencia de propulsión que si un cohete despegara estacionario, un estudio Maglifter de la NASA estimó que un lanzamiento de 270 m/s (600 mph) de un cohete ELV desde una montaña de 3000 metros de altitud Peak podría aumentar la carga útil a la órbita terrestre baja en un 80% en comparación con el mismo cohete desde una plataforma de lanzamiento convencional . [5] Montañas de tal altura están disponibles dentro de los EE. UU. continentales para una logística más fácil, o más cerca del ecuador para aprovechar un poco más la rotación de la Tierra . Entre otras posibilidades, un SSTO más grande podría reducir su masa de despegue en un 35% con dicha asistencia de lanzamiento, cayendo a 4 en lugar de 6 motores en un caso considerado . [5]
Con una eficiencia prevista cercana al 90%, la energía eléctrica consumida por lanzamiento de un cohete de 500 toneladas sería de alrededor de 30 gigajulios (8.300 kWh) (cada kilovatio-hora cuesta unos pocos centavos al coste actual de la electricidad en Estados Unidos). además de cualquier pérdida adicional en el almacenamiento de energía. Es un sistema con costos marginales bajos dominados por los costos de capital inicial [3] Aunque es un sitio fijo, se estimó que proporcionaría un aumento sustancial de la carga útil neta para una gran parte de los diferentes acimutes de lanzamiento que necesitan los diferentes satélites, con maniobras de cohetes durante el etapa inicial del ascenso posterior al lanzamiento (una alternativa a agregar propulsión eléctrica para un cambio de inclinación orbital posterior ). Los costos de las vías guía Maglev se estimaron entre 10 y 20 millones de dólares por milla en el estudio de 1994, que había anticipado costos anuales de mantenimiento Maglev del orden del 1% de los costos de capital. [5]
El lanzamiento de un trineo con cohetes ayuda a que un vehículo gane altitud, y las propuestas comúnmente implican que la pista suba una montaña. Las ventajas de cualquier sistema de lanzamiento que comience desde grandes altitudes incluyen la reducción de la resistencia por gravedad (el costo de levantar combustible en un pozo por gravedad). El aire más fino reducirá la resistencia del aire y permitirá geometrías de motor más eficientes. Las boquillas de los cohetes tienen diferentes formas (relaciones de expansión) para maximizar el empuje a diferentes presiones de aire. (Aunque el motor aerospike de la NASA para el Lockheed Martin X-33 fue diseñado para cambiar la geometría para seguir siendo eficiente en una variedad de presiones diferentes, el motor aerospike había agregado peso y complejidad; la financiación del X-33 se canceló en 2001; y otros beneficios del lanzamiento la asistencia se mantendría incluso si los motores aerospike llegaran a las pruebas de vuelo). [6] [7]
Por ejemplo, el aire es un 39% más fino a 2.500 metros. La geometría más eficiente de la columna de cohetes y la reducción de la fricción del aire permiten que el motor sea un 5% más eficiente por cantidad de combustible quemado. [8]
Otra ventaja de los lanzamientos a gran altitud es que elimina la necesidad de acelerar el motor cuando se alcanza el límite Q máximo . Los cohetes lanzados en una atmósfera espesa pueden ir tan rápido que la resistencia del aire puede causar daños estructurales. [9] Los motores se desaceleran cuando se alcanza la Q máxima, hasta que el cohete esté lo suficientemente alto como para que puedan reanudar su máxima potencia. El Atlas V 551 es un ejemplo de ello. Alcanza su Q máxima a 30.000 pies. Su motor se acelera al 60% de empuje durante 30 segundos. [10] Esta aceleración reducida se suma a la resistencia de la gravedad que el cohete debe superar. Además, los motores de las naves espaciales relacionados con la Q máxima son más complejos ya que deben acelerarse durante el lanzamiento.
Un lanzamiento desde gran altitud no necesita acelerar al máximo Q, ya que comienza por encima de la porción más espesa de la atmósfera terrestre.
Debora A. Grant y James L. Rand, en "The Balloon Assisted Launch System – A Heavy Lift Balloon", [11] escribieron: "Hace algún tiempo se estableció que un cohete lanzado desde tierra capaz de alcanzar 20 km sería capaz de alcanzar alcanzar una altitud de casi 100 km si se lanza desde 20 km." Sugieren que los pequeños cohetes se eleven por encima de la mayor parte de la atmósfera mediante globos para evitar los problemas discutidos anteriormente.
Los trineos cohetes en el campo de pruebas de China Lake alcanzaron Mach 4 y transportaron masas de 60.000 kg. [ cita necesaria ] Una pista de trineo que brinde una asistencia de lanzamiento de Mach 2 o mayor podría reducir el combustible para orbitar en un 40% o más, al tiempo que ayuda a contrarrestar la penalización de peso cuando se pretende fabricar un vehículo de lanzamiento totalmente reutilizable . Con un ángulo de 55° con respecto a la vertical, una pista en una montaña alta podría permitir que una sola etapa orbite un vehículo reutilizable sin ninguna tecnología nueva. [12]