Un sistema de anclaje por intercambio de momento es un tipo de anclaje espacial que, en teoría, podría utilizarse como sistema de lanzamiento o para cambiar las órbitas de las naves espaciales. Los anclajes por intercambio de momento crean una fuerza controlada sobre las masas de los extremos del sistema debido a la pseudofuerza conocida como fuerza centrífuga . Mientras el sistema de anclaje gira, los objetos en cada extremo del anclaje experimentarán una aceleración continua; la magnitud de la aceleración depende de la longitud del anclaje y de la velocidad de rotación. El intercambio de momento se produce cuando se libera un cuerpo del extremo durante la rotación. La transferencia de momento al objeto liberado hará que el anclaje giratorio pierda energía y, por lo tanto, pierda velocidad y altitud. Sin embargo, utilizando el empuje electrodinámico del anclaje , o propulsión iónica, el sistema puede volver a impulsarse a sí mismo con poco o ningún gasto de masa de reacción consumible. [ cita requerida ]
Una atadura no giratoria es una atadura giratoria que gira exactamente una vez por órbita, de modo que siempre tiene una orientación vertical con respecto al cuerpo original. Una nave espacial que llegue al extremo inferior de esta atadura, o que salga del extremo superior, tomará impulso de la atadura, mientras que una nave espacial que salga del extremo inferior de la atadura, o que llegue al extremo superior, agregará impulso a la atadura.
En algunos casos, los sistemas de intercambio de momento están pensados para funcionar como esquemas de transporte equilibrado en los que una nave espacial o una carga útil que llega se intercambia con otra que sale con la misma velocidad y masa, y luego no se produce ningún cambio neto en el momento o el momento angular.
La estabilización por gradiente de gravedad, también llamada "estabilización por gravedad" y "estabilización por mareas", es un método simple y confiable para controlar la actitud de un satélite que no requiere sistemas de control electrónico, motores de cohetes o propulsores.
Este tipo de correa de control de actitud tiene una pequeña masa en un extremo y un satélite en el otro. Las fuerzas de marea estiran la correa entre las dos masas. Hay dos formas de explicar las fuerzas de marea. En una, la masa del extremo superior del sistema se mueve más rápido que la velocidad orbital para su altitud, por lo que la fuerza centrífuga hace que quiera alejarse más del planeta que está orbitando. Al mismo tiempo, la masa del extremo inferior del sistema se mueve a una velocidad menor que la orbital para su altitud, por lo que quiere acercarse al planeta. El resultado final es que la correa está bajo tensión constante y quiere colgar en una orientación vertical. Los satélites simples a menudo se han estabilizado de esta manera; ya sea con correas o con la forma en que se distribuye la masa dentro del satélite.
Como cualquier objeto que cuelga libremente, puede ser perturbado y comenzar a oscilar. Como en el espacio no hay resistencia atmosférica que frene el balanceo, se puede montar en la nave espacial una pequeña botella de líquido con deflectores para amortiguar las vibraciones del péndulo mediante la fricción viscosa del líquido.
En un campo magnético planetario fuerte, como el que rodea la Tierra, una atadura conductora puede configurarse como una atadura electrodinámica . Esta puede utilizarse como dinamo para generar energía para el satélite a costa de reducir su velocidad orbital, o puede utilizarse para aumentar la velocidad orbital del satélite introduciendo energía en la atadura desde el sistema de energía del satélite. De este modo, la atadura puede utilizarse para acelerar o frenar una nave espacial en órbita sin utilizar ningún propulsor de cohete. [1]
Al utilizar esta técnica con una correa giratoria, la corriente a través de la correa debe alternar en fase con la velocidad de rotación de la correa para producir una fuerza de desaceleración constante o una fuerza de aceleración constante.
Ya sea que se desacelere o acelere el satélite, la atadura electrodinámica empuja contra el campo magnético del planeta y, por lo tanto, el impulso ganado o perdido proviene en última instancia del planeta.
Un gancho celestial es una clase teórica de propulsión orbital con correas diseñadas para elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. [2] [3] [4] [5] [6] Los ganchos celestiales simples son esencialmente elevadores parciales, que se extienden a cierta distancia por debajo de la órbita de una estación base y permiten la inserción orbital al elevar la carga. La mayoría de las propuestas hacen girar la correa de modo que su momento angular también proporcione energía a la carga, acelerándola hasta la velocidad orbital o más allá mientras se desacelera la correa. Luego se aplica alguna forma de propulsión a la correa para recuperar el momento angular. [7]
Un Bolo, o amarre giratorio, es un amarre que gira más de una vez por órbita y cuyos extremos tienen una velocidad de punta significativa (aproximadamente 1–3 km/s o 2200–6700 mph o 3600–10 800 km/h). La velocidad máxima de los extremos está limitada por la resistencia del material del cable, la conicidad y el factor de seguridad para el que está diseñado.
El propósito del Bolo es acelerar o desacelerar una nave espacial que se acopla a él sin usar ninguno de los combustibles a bordo de la nave espacial y cambiar la trayectoria de vuelo orbital de la nave espacial. En efecto, el Bolo actúa como una etapa superior reutilizable para cualquier nave espacial que se acople a él.
El impulso que el Bolo imparte a la nave espacial no es gratuito. De la misma manera que el Bolo cambia el impulso y la dirección de viaje de la nave espacial, el impulso orbital y el impulso rotacional del Bolo también cambian, y esto cuesta energía que debe ser reemplazada. La idea es que la energía de reemplazo provendría de una fuente más eficiente y de menor costo que un motor de cohete químico. Dos posibles fuentes de menor costo para esta energía de reemplazo son un sistema de propulsión iónica o un sistema de propulsión de amarre electrodinámico que sería parte del Bolo. Una fuente esencialmente gratuita de energía de reemplazo es el impulso obtenido de las cargas útiles que se acelerarán en la otra dirección, lo que sugiere que la necesidad de agregar energía de los sistemas de propulsión será bastante mínima con un comercio espacial equilibrado y bidireccional. [ cita requerida ]
Los rotovatores son correas giratorias con una dirección de rotación tal que el punto final inferior de la correa se mueve más lento que la velocidad orbital de la correa y el punto final superior se mueve más rápido. [8] La palabra es un acrónimo derivado de las palabras rotor y elevator .
Si la atadura es lo suficientemente larga y la velocidad de rotación lo suficientemente alta, es posible que el extremo inferior cancele por completo la velocidad orbital de la atadura de modo que el extremo inferior esté estacionario con respecto a la superficie planetaria que la atadura está orbitando. Como lo describe Moravec, [9] [10] este es "un satélite que gira como una rueda". La punta de la atadura se mueve aproximadamente en un cicloide , en el que está momentáneamente estacionaria con respecto al suelo. En este caso, una carga útil que es "agarrada" por un mecanismo de captura en la atadura giratoria durante el momento en que está estacionaria sería recogida y elevada a la órbita; y potencialmente podría ser liberada en la parte superior de la rotación, punto en el que se está moviendo con una velocidad significativamente mayor que la velocidad de escape y, por lo tanto, podría ser liberada en una trayectoria interplanetaria. (Al igual que con el bolo, analizado anteriormente, el impulso y la energía entregados a la carga útil deben compensarse, ya sea con un motor de cohete de alta eficiencia o con el impulso obtenido de la carga útil que se mueve en la otra dirección).
En cuerpos con atmósfera, como la Tierra, la punta del cable debe permanecer por encima de la densa atmósfera. En cuerpos con una velocidad orbital razonablemente baja (como la Luna y posiblemente Marte ), un rotovator en órbita baja puede potencialmente tocar el suelo, proporcionando así un transporte de superficie barato, así como el lanzamiento de materiales al espacio cislunar . En enero de 2000, The Boeing Company completó un estudio de sistemas de lanzamiento de cables que incluían cables de dos etapas que habían sido encargados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA . [7]
Lamentablemente, no es posible construir un rotovator que se desplace en órbita con los materiales disponibles actualmente, ya que el grosor y la masa de la correa para soportar las cargas sobre el rotovator serían demasiado grandes y no resultarían rentables. Sin embargo, un rotovator "diluido" con dos tercios de la velocidad de rotación reduciría a la mitad las tensiones de aceleración centrípeta.
Por lo tanto, otro truco para lograr tensiones más bajas es que, en lugar de recoger una carga del suelo a velocidad cero, un rotovator podría recoger un vehículo en movimiento y lanzarlo a la órbita. Por ejemplo, un rotovator podría recoger un avión Mach 12 desde la atmósfera superior de la Tierra y ponerlo en órbita sin usar cohetes, y también podría atrapar un vehículo de este tipo y bajarlo a un vuelo atmosférico. Es más fácil para un cohete alcanzar la velocidad de punta más baja, por lo que se ha propuesto "una etapa para amarrar". [11] Uno de ellos se llama Lanzamiento orbital de amarre espacial de avión hipersónico (HASTOL). [7] Tanto la respiración aérea como el cohete para amarrar podrían ahorrar una gran cantidad de combustible por vuelo, y permitirían un vehículo más simple y más carga.
La empresa Tethers Unlimited, Inc. (fundada por Robert Forward y Robert P. Hoyt ) [12] ha denominado a este enfoque "Tether Launch Assist". [13] También se le ha denominado " bolas espaciales " . [14] Sin embargo, los objetivos de la empresa se han desplazado hacia módulos de asistencia de desorbitación y amarres marinos a partir de 2020. [15] [16]
Las investigaciones sobre los conceptos de "Tether Launch Assist" en 2013 han indicado que el concepto puede llegar a ser marginalmente económico en un futuro cercano tan pronto como se desarrollen rotocultivadores con una relación potencia-masa suficientemente alta (~10 W/kg). [17]
Un ascensor espacial es una atadura espacial que se fija a un cuerpo planetario. Por ejemplo, en la Tierra , un ascensor espacial iría desde el ecuador hasta una órbita muy por encima de la geoestacionaria.
Un ascensor espacial no necesita ser propulsado como un rotovator, ya que obtiene el momento angular necesario del cuerpo planetario. La desventaja es que es mucho más largo y, para muchos planetas, no se puede construir un ascensor espacial con materiales conocidos. Un ascensor espacial en la Tierra requeriría resistencias materiales fuera de los límites tecnológicos actuales (2014). [18] [19] [20] Sin embargo, los ascensores espaciales marcianos y lunares podrían construirse con materiales modernos. [21] También se ha propuesto un ascensor espacial en Fobos. [22]
Los ascensores espaciales también tienen mayores cantidades de energía potencial que un rotovator, y si se cayeran piezas pesadas (como una "llave inglesa caída"), volverían a entrar en la atmósfera en un ángulo pronunciado e impactarían contra la superficie a velocidades cercanas a las orbitales. En la mayoría de los diseños previstos, si el propio componente del cable cayera, se quemaría antes de tocar el suelo.
Aunque se podría pensar que esto requiere un aporte constante de energía, de hecho se puede demostrar que es energéticamente favorable levantar carga de la superficie de la Luna y dejarla caer en una órbita terrestre inferior, y por lo tanto se puede lograr sin un uso significativo de combustible, ya que la superficie de la Luna está en un estado de energía potencial comparativamente más alto. Además, este sistema podría construirse con una masa total de menos de 28 veces la masa de las cargas útiles. [23] [24]
Los rotovators pueden cargarse por intercambio de momento . La carga por momento utiliza el rotovator para mover masa desde un lugar que está "más arriba" en un campo gravitatorio a un lugar que está "más abajo". La técnica para hacer esto utiliza el efecto Oberth , donde liberar la carga útil cuando la atadura se mueve con mayor velocidad lineal, menor en un potencial gravitatorio proporciona más energía específica y, en última instancia, más velocidad que la energía perdida al recoger la carga útil a un potencial gravitatorio más alto, incluso si la velocidad de rotación es la misma. Por ejemplo, es posible utilizar un sistema de dos o tres rotovators para implementar el comercio entre la Luna y la Tierra . Los rotovators se cargan con masa lunar (tierra, si no hay exportaciones disponibles) vertida sobre o cerca de la Tierra, y pueden usar el momento así ganado para impulsar bienes de la Tierra a la Luna. El intercambio de momento y energía se puede equilibrar con flujos iguales en cualquier dirección, o puede aumentar con el tiempo.
Sistemas similares de rotocultivadores podrían teóricamente posibilitar un transporte económico a través del Sistema Solar .
Un sistema de catapulta con cable de amarre es un sistema en el que dos o más correas conductoras largas se mantienen rígidamente en línea recta, unidas a una masa pesada. Se aplica energía a las correas y es captada por un vehículo que tiene motores magnéticos lineales, que utiliza para impulsarse a lo largo del cable. Cerca del final del cable, el vehículo libera una carga útil y reduce la velocidad y se detiene, mientras que la carga útil continúa a una velocidad muy alta. La velocidad máxima calculada para este sistema es extremadamente alta, más de 30 veces la velocidad del sonido en el cable; y parecen ser posibles velocidades de más de 30 km/s (67.000 mph; 110.000 km/h). [25]