Un vuelo espacial suborbital es un vuelo espacial en el que la nave espacial alcanza el espacio exterior , pero su trayectoria intersecta la superficie del cuerpo gravitacional desde el que fue lanzada. Por lo tanto, no completará una revolución orbital , no se convertirá en un satélite artificial ni alcanzará la velocidad de escape .
Por ejemplo, la trayectoria de un objeto lanzado desde la Tierra que alcanza la línea de Kármán (aproximadamente 83 km [52 mi] – 100 km [62 mi] [2] sobre el nivel del mar ), y luego cae de nuevo a la Tierra, se considera un vuelo espacial suborbital. Algunos vuelos suborbitales se han llevado a cabo para probar naves espaciales y vehículos de lanzamiento destinados posteriormente al vuelo espacial orbital . Otros vehículos están diseñados específicamente solo para vuelos suborbitales; los ejemplos incluyen vehículos tripulados, como el X-15 y el SpaceShipTwo , y los no tripulados, como los misiles balísticos intercontinentales y los cohetes de sondeo .
Los vuelos que alcanzan la velocidad suficiente para entrar en una órbita baja terrestre y luego salen de ella antes de completar su primera órbita completa no se consideran suborbitales. Algunos ejemplos de esto incluyen los vuelos del Sistema de Bombardeo Orbital Fraccionado .
A los vuelos que no llegan al espacio se les sigue llamando a veces suborbitales, pero no se los puede clasificar oficialmente como "vuelos espaciales suborbitales". Normalmente se utilizan cohetes, pero también se han logrado algunos vuelos espaciales suborbitales experimentales mediante el uso de cañones espaciales . [3]
Por definición, un vuelo espacial suborbital alcanza una altitud superior a los 100 km (62 mi) sobre el nivel del mar . Esta altitud, conocida como la línea de Kármán, fue elegida por la Fédération Aéronautique Internationale porque es aproximadamente el punto en el que un vehículo que vuela lo suficientemente rápido como para sostenerse con la sustentación aerodinámica de la atmósfera de la Tierra estaría volando más rápido que la velocidad orbital . [4] El ejército de los EE. UU. y la NASA otorgan alas de astronauta a quienes vuelan por encima de las 50 mi (80 km), [5] aunque el Departamento de Estado de los EE. UU. no muestra un límite claro entre el vuelo atmosférico y el vuelo espacial . [6]
Durante la caída libre, la trayectoria es parte de una órbita elíptica , como se indica en la ecuación de la órbita . La distancia del perigeo es menor que el radio de la Tierra R , incluida la atmósfera, por lo que la elipse interseca la Tierra y, por lo tanto, la nave espacial no podrá completar una órbita. El eje mayor es vertical, el semieje mayor a es mayor que R /2. La energía orbital específica está dada por:
¿Dónde está el parámetro gravitacional estándar ?
Casi siempre a < R , correspondiente a un valor inferior al mínimo para una órbita completa, que es
Por lo tanto, la energía específica neta adicional necesaria en comparación con simplemente elevar la nave espacial al espacio está entre 0 y .
Para minimizar el delta-v requerido (una medida astrodinámica que determina fuertemente el combustible requerido ), la parte de gran altitud del vuelo se realiza con los cohetes apagados (esto se llama técnicamente caída libre incluso para la parte ascendente de la trayectoria). (Compárese con el efecto Oberth ). La velocidad máxima en un vuelo se alcanza en la altitud más baja de esta trayectoria de caída libre, tanto al inicio como al final de la misma. [ cita requerida ]
Si el objetivo es simplemente "alcanzar el espacio", por ejemplo, al competir por el Premio Ansari X , no es necesario el movimiento horizontal. En este caso, el delta-v más bajo requerido para alcanzar una altitud de 100 km es de aproximadamente 1,4 km/s . Un movimiento más lento, con menos caída libre, requeriría un mayor delta-v. [ cita requerida ]
Compárese esto con los vuelos espaciales orbitales: una órbita terrestre baja (LEO), con una altitud de unos 300 km, necesita una velocidad de alrededor de 7,7 km/s, lo que requiere un delta-v de unos 9,2 km/s. (Si no hubiera resistencia atmosférica, el delta-v mínimo teórico sería de 8,1 km/s para poner una nave en una órbita de 300 kilómetros de altura partiendo de un punto estacionario como el Polo Sur. El mínimo teórico puede ser hasta 0,46 km/s menos si se lanza hacia el este desde cerca del ecuador.) [ cita requerida ]
En los vuelos espaciales suborbitales que cubren una distancia horizontal, la velocidad máxima y el delta-v requerido están entre los de un vuelo vertical y un LEO. La velocidad máxima en los extremos inferiores de la trayectoria ahora se compone de un componente horizontal y uno vertical. Cuanto mayor sea la distancia horizontal cubierta, mayor será la velocidad horizontal. (La velocidad vertical aumentará con la distancia para distancias cortas, pero disminuirá con la distancia para distancias más largas). Para el cohete V-2 , que acaba de llegar al espacio pero con un alcance de unos 330 km, la velocidad máxima fue de 1,6 km/s. El Scaled Composites SpaceShipTwo, que está en desarrollo, tendrá una órbita de caída libre similar, pero la velocidad máxima anunciada es de 1,1 km/s (quizás debido al apagado del motor a una altitud mayor). [ cita requerida ] [ necesita actualización ]
Para mayores alcances, debido a la órbita elíptica, la altitud máxima puede ser mucho mayor que para una órbita baja. En un vuelo intercontinental de 10.000 kilómetros, como el de un misil balístico intercontinental o un posible vuelo espacial comercial futuro , la velocidad máxima es de unos 7 km/s, y la altitud máxima puede ser superior a 1300 km. Cualquier vuelo espacial que regrese a la superficie, incluidos los suborbitales, sufrirá una reentrada atmosférica . La velocidad al inicio de la reentrada es básicamente la velocidad máxima del vuelo. El calentamiento aerodinámico causado variará en consecuencia: es mucho menor para un vuelo con una velocidad máxima de solo 1 km/s que para uno con una velocidad máxima de 7 u 8 km/s. [ cita requerida ]
El delta-v mínimo y la altitud máxima correspondiente para un rango dado se pueden calcular, d , suponiendo una Tierra esférica de circunferencia40 000 km y despreciando la rotación de la Tierra y la atmósfera. Sea θ la mitad del ángulo que el proyectil debe recorrer alrededor de la Tierra, por lo que en grados es 45°× d /10 000 km . La trayectoria de delta-v mínima corresponde a una elipse con un foco en el centro de la Tierra y el otro en el punto intermedio entre el punto de lanzamiento y el punto de destino (en algún lugar dentro de la Tierra). (Esta es la órbita que minimiza el semieje mayor, que es igual a la suma de las distancias desde un punto en la órbita a los dos focos. Minimizar el semieje mayor minimiza la energía orbital específica y, por lo tanto, el delta-v, que es la velocidad de lanzamiento). Los argumentos geométricos conducen entonces a lo siguiente (siendo R el radio de la Tierra, aproximadamente 6370 km):
La altitud del apogeo se maximiza (a unos 1320 km) para una trayectoria que recorre un cuarto del camino alrededor de la Tierra (10 000 km ). Los rangos más largos tendrán apogeos más bajos en la solución delta-v mínima.
(donde g es la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra). El Δ v aumenta con el alcance, estabilizándose en 7,9 km/s a medida que el alcance se acerca20 000 km (la mitad de la vuelta al mundo). La trayectoria mínima delta-v para dar la vuelta al mundo corresponde a una órbita circular justo por encima de la superficie (por supuesto, en realidad tendría que estar por encima de la atmósfera). Véase más abajo el tiempo de vuelo.
Un misil balístico intercontinental se define como un misil que puede alcanzar un objetivo a una distancia de al menos 5500 km y, según la fórmula anterior, esto requiere una velocidad inicial de 6,1 km/s. Aumentar la velocidad a 7,9 km/s para alcanzar cualquier punto de la Tierra requiere un misil considerablemente más grande porque la cantidad de combustible necesaria aumenta exponencialmente con delta-v (ver ecuación del cohete ).
La dirección inicial de una trayectoria con delta-v mínimo apunta a medio camino entre la línea recta hacia arriba y la línea recta hacia el punto de destino (que está por debajo del horizonte). Nuevamente, esto es así si se ignora la rotación de la Tierra. No es exactamente así para un planeta en rotación a menos que el lanzamiento tenga lugar en un polo. [7]
En un vuelo vertical a alturas no demasiado elevadas, el tiempo de caída libre es, tanto para la parte ascendente como para la descendente, la velocidad máxima dividida por la aceleración de la gravedad , es decir, con una velocidad máxima de 1 km/s, en total son 3 minutos y 20 segundos. La duración de las fases de vuelo anteriores y posteriores a la caída libre puede variar. [ cita requerida ]
En un vuelo intercontinental, la fase de impulso dura entre 3 y 5 minutos, y la de caída libre (fase intermedia) unos 25 minutos. En el caso de un misil balístico intercontinental, la fase de reentrada atmosférica dura unos 2 minutos; este tiempo será más largo para cualquier aterrizaje suave, como el de un posible vuelo comercial futuro. [ cita requerida ] El cuarto vuelo de prueba del 'Starship' de SpaceX realizó un vuelo de este tipo con un despegue desde Texas y un aterrizaje suave simulado en el océano Índico 66 minutos después del despegue.
Los vuelos suborbitales pueden durar desde unos segundos hasta días. La Pioneer 1 fue la primera sonda espacial de la NASA , destinada a llegar a la Luna . Una falla parcial hizo que siguiera una trayectoria suborbital, reingresando a la atmósfera terrestre 43 horas después del lanzamiento. [8]
Para calcular el tiempo de vuelo para una trayectoria de delta-v mínimo, según la tercera ley de Kepler , el período para toda la órbita (si no pasara por la Tierra) sería:
Usando la segunda ley de Kepler , multiplicamos esto por la porción del área de la elipse barrida por la línea desde el centro de la Tierra hasta el proyectil:
Esto da unos 32 minutos para recorrer un cuarto de la vuelta a la Tierra y 42 minutos para recorrer la mitad de la vuelta. Para distancias cortas, esta expresión es asintótica a .
A partir de la forma que involucra arcocoseno, la derivada del tiempo de vuelo con respecto a d (o θ) tiende a cero cuando d se acerca20 000 km (la mitad de la vuelta al mundo). La derivada de Δ v también tiende a cero aquí. Por lo tanto, si d =19 000 km , la longitud de la trayectoria delta-v mínima será de aproximadamente19 500 km , pero tardará sólo unos segundos menos que la trayectoria para d =20 000 km (cuya trayectoria es20.000 km de longitud).
Si bien hay muchos perfiles de vuelo suborbital posibles, se espera que algunos sean más comunes que otros.
Los primeros vehículos suborbitales que alcanzaron el espacio fueron misiles balísticos . El primer misil balístico en llegar al espacio fue el alemán V-2 , obra de los científicos de Peenemünde , el 3 de octubre de 1942, que alcanzó una altitud de 53 millas (85 km). [9] Luego, a fines de la década de 1940, los EE. UU. y la URSS desarrollaron simultáneamente misiles, todos los cuales se basaron en el cohete V-2, y luego en misiles balísticos intercontinentales (ICBM) de mucho mayor alcance. Ahora hay muchos países que poseen ICBM y aún más con misiles balísticos de alcance intermedio (IRBM) de menor alcance. [ cita requerida ]
Los vuelos turísticos suborbitales se centrarán inicialmente en alcanzar la altitud necesaria para poder considerarse como si se hubiera llegado al espacio. La trayectoria del vuelo será vertical o muy empinada, y la nave espacial aterrizará en el lugar de despegue.
La nave apagará sus motores mucho antes de alcanzar la altitud máxima y luego se deslizará hasta su punto más alto. Durante unos minutos, desde el momento en que se apaguen los motores hasta el momento en que la atmósfera comience a frenar la aceleración descendente, los pasajeros experimentarán la ingravidez .
Megaroc había sido planeado para un vuelo espacial suborbital por la Sociedad Interplanetaria Británica en la década de 1940. [10] [11]
A finales de 1945, un grupo dirigido por M. Tikhonravov K. y NG Chernysheva en la academia soviética NII-4 (dedicada a la ciencia y tecnología de la artillería de cohetes), comenzó a trabajar en un proyecto de cohete estratosférico, VR-190 , destinado al vuelo vertical por una tripulación de dos pilotos, a una altitud de 200 km (65.000 pies) utilizando V-2 capturados . [12]
En 2004, varias empresas trabajaron en vehículos de esta clase como participantes en el concurso Ansari X Prize. El Scaled Composites SpaceShipOne fue declarado oficialmente ganador del concurso por Rick Searfoss el 4 de octubre de 2004, después de completar dos vuelos en un período de dos semanas.
En 2005, Sir Richard Branson del Virgin Group anunció la creación de Virgin Galactic y sus planes para un SpaceShipTwo con capacidad de 9 asientos llamado VSS Enterprise . Desde entonces se ha completado con ocho asientos (un piloto, un copiloto y seis pasajeros) y ha participado en pruebas de transporte cautivo y con la primera nave nodriza WhiteKnightTwo , o VMS Eve . También ha completado planeos en solitario, con las secciones de cola móviles en configuraciones fijas y "emplumadas". El motor de cohete híbrido se ha encendido varias veces en bancos de pruebas terrestres, y se encendió en un vuelo propulsado por segunda vez el 5 de septiembre de 2013. [13] Se han pedido cuatro SpaceShipTwo adicionales y operarán desde el nuevo Spaceport America . Se esperaban vuelos comerciales con pasajeros en 2014, pero se cancelaron debido al desastre durante el vuelo SS2 PF04 . Branson afirmó: "Vamos a aprender de lo que salió mal, descubrir cómo podemos mejorar la seguridad y el rendimiento y luego avanzar juntos". [14]
Un uso importante de los vehículos suborbitales en la actualidad es como cohetes de sondeo científicos . Los vuelos suborbitales científicos comenzaron en la década de 1920 cuando Robert H. Goddard lanzó los primeros cohetes de combustible líquido , sin embargo, no alcanzaron la altitud espacial . A fines de la década de 1940, los misiles balísticos alemanes V-2 capturados se convirtieron en cohetes de sondeo V-2 que ayudaron a sentar las bases para los cohetes de sondeo modernos. [15] Hoy en día, hay docenas de cohetes de sondeo diferentes en el mercado, de una variedad de proveedores en varios países. Por lo general, los investigadores desean realizar experimentos en microgravedad o por encima de la atmósfera.
Investigaciones como las realizadas para el proyecto X-20 Dyna-Soar sugieren que un vuelo suborbital semibalístico podría viajar desde Europa a América del Norte en menos de una hora.
Sin embargo, el tamaño del cohete, en relación con la carga útil, necesaria para lograr esto, es similar al de un misil balístico intercontinental. Los misiles balísticos intercontinentales tienen delta-v algo menores que los orbitales y, por lo tanto, serían algo más baratos que los costos para alcanzar la órbita, pero la diferencia no es grande. [16]
Debido al alto costo de los vuelos espaciales, es probable que los vuelos suborbitales se limiten inicialmente a entregas de carga de alto valor y muy alta urgencia, como vuelos de mensajería , operaciones militares de respuesta rápida o turismo espacial . [ opinión ]
El SpaceLiner es un concepto de avión espacial suborbital hipersónico que podría transportar 50 pasajeros de Australia a Europa en 90 minutos o 100 pasajeros de Europa a California en 60 minutos. [17] El principal desafío radica en aumentar la confiabilidad de los diferentes componentes, en particular los motores, para hacer posible su uso para el transporte diario de pasajeros.
SpaceX está considerando potencialmente utilizar su Starship como un sistema de transporte suborbital punto a punto. [18]
Por encima de 100 km (62,14 mi) de altitud.
Empresas privadas como Virgin Galactic , Armadillo Aerospace (reinventada como Exos Aerospace), Airbus , [21] Blue Origin y Masten Space Systems se están interesando en los vuelos espaciales suborbitales, debido en parte a iniciativas como el Premio Ansari X. La NASA y otras están experimentando con aviones hipersónicos basados en estatorreactores que bien podrían usarse con perfiles de vuelo que califiquen como vuelos espaciales suborbitales. Entidades sin fines de lucro como ARCASPACE y Copenhagen Suborbitals también intentan lanzamientos basados en cohetes .
