El lanzamiento con trineo cohete , también conocido como lanzamiento asistido desde tierra , lanzamiento asistido por catapulta y lanzamiento por rampa aérea , es un método propuesto para el lanzamiento de vehículos espaciales . Con este concepto, el vehículo de lanzamiento se sostiene mediante un riel que apunta hacia el este o una pista de levitación magnética 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 llevar para alcanzar la órbita. Esto permite que el vehículo de lanzamiento lleve una carga útil mayor y reduce el costo de llegar a la órbita. Cuando la cantidad de velocidad agregada al vehículo de lanzamiento por el acelerador terrestre se vuelve 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 Aérea Holloman han probado, a partir de 2011, pequeños trineos cohete que se mueven a velocidades de hasta6453 mph (2885 m/s; Mach 8,5). [1]
En efecto, una rampa aérea haría que la primera etapa, la más cara, de un cohete fuera completamente reutilizable, ya que el trineo se devuelve a su posición inicial para ser reabastecido y puede reutilizarse en el orden de horas después de su uso. Los vehículos de lanzamiento actuales tienen costos impulsados por el rendimiento de miles de dólares por kilogramo de peso seco ; el lanzamiento con trineo apuntaría a reducir los requisitos de rendimiento y amortizar los gastos de hardware en lanzamientos frecuentes y repetidos. Los diseños de trineos con raíles inclinados basados en montañas a menudo utilizan 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 cohetes 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 se consagra en la ecuación del cohete . Por ejemplo, el transbordador espacial utilizó más de un tercio de su combustible solo para alcanzar 1.600 km/h (1.000 mph). [4] Si esa energía se proporcionara sin utilizar (todavía, o en absoluto) 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, lo que aumentaría su eficiencia.
Debido a factores que incluyen la naturaleza exponencial de la ecuación del cohete y una mayor eficiencia propulsiva que si un cohete despega estacionario, un estudio de la NASA Maglifter estimó que un lanzamiento de 270 m/s (600 mph) de un cohete ELV desde un pico de montaña a 3000 metros de altitud podría aumentar la carga útil a la órbita baja terrestre en un 80% en comparación con el mismo cohete desde una plataforma de lanzamiento convencional . [5] Hay montañas de esa altura disponibles dentro de los EE. UU. continentales para la logística más fácil, o más cerca del Ecuador para obtener un poco más de ganancia de la rotación de la Tierra . Entre otras posibilidades, un motor de una sola etapa a órbita (SSTO) más grande podría reducir la 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 costo actual de la electricidad en los Estados Unidos), además de cualquier pérdida adicional en el almacenamiento de energía. Es un sistema con bajos costos marginales dominados por los costos de capital iniciales [3] Aunque es un sitio fijo, se estimó que proporcionaría un aumento sustancial de la carga útil neta para una gran parte de los acimutes de lanzamiento variables que necesitan los diferentes satélites, con maniobras del cohete durante la etapa temprana del ascenso posterior al lanzamiento (una alternativa a agregar propulsión eléctrica para un cambio posterior de inclinación orbital ). Los costos de la guía de levitación magnética se estimaron en $ 10-20 millones por milla en el estudio de 1994, que había anticipado costos anuales de mantenimiento de levitación magnética del orden del 1% de los costos de capital. [5]
El lanzamiento con trineo cohete ayuda a un vehículo a ganar altitud, y las propuestas suelen implicar que la pista se curve hacia arriba de una montaña. Las ventajas de cualquier sistema de lanzamiento que comience desde grandes altitudes incluyen la reducción de la resistencia gravitacional (el costo de elevar combustible en un pozo de gravedad). El aire más fino reducirá la resistencia del aire y permitirá geometrías de motor más eficientes. Las toberas 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 de la asistencia al lanzamiento permanecerían incluso si los motores aerospike alcanzaran las pruebas de vuelo). [6] [7]
Por ejemplo, el aire es un 39% más fino a 2500 metros. La geometría más eficiente de la columna de humo del cohete y la fricción reducida 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 reducir la potencia del motor cuando se alcanza el límite máximo de Q. Los cohetes lanzados en una atmósfera espesa pueden ir tan rápido que la resistencia del aire puede causar daños estructurales. [9] Los motores se reducen cuando se alcanza el límite máximo de Q, hasta que el cohete está lo suficientemente alto como para que pueda recuperar la potencia máxima. El Atlas V 551 es un ejemplo de esto. Alcanza su Q máxima a 30.000 pies. Su motor se reduce 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 el límite máximo de Q son más complejos, ya que deben ser regulados durante el lanzamiento.
Un lanzamiento desde gran altitud no necesita reducir la velocidad a Q máxima ya que comienza por encima de la porción más gruesa de la atmósfera de la Tierra.
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 una altitud de casi 100 km si se lanzara desde 20 km". Sugieren que los cohetes pequeños se eleven por encima de la mayor parte de la atmósfera mediante globos para evitar los problemas discutidos anteriormente.
Los trineos cohete en el campo de pruebas de China Lake han alcanzado Mach 4 mientras transportaban masas de 60.000 kg. [ cita requerida ] Una pista de trineo que proporcionara 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 hacer un vehículo de lanzamiento completamente reutilizable . Con un ángulo de 55° con respecto a la vertical, una pista en una montaña alta podría permitir que una sola etapa orbitara un vehículo reutilizable sin necesidad de tecnología nueva. [12]