La propulsión de naves espaciales es cualquier método utilizado para acelerar naves espaciales y satélites artificiales . La propulsión en el espacio se ocupa exclusivamente de los sistemas de propulsión utilizados en el vacío del espacio y no debe confundirse con el lanzamiento espacial o la entrada atmosférica .
Se han desarrollado varios métodos de propulsión pragmática de naves espaciales, cada uno de los cuales tiene sus propios inconvenientes y ventajas. La mayoría de los satélites tienen propulsores químicos simples y confiables (a menudo cohetes monopropulsores ) o cohetes resistojet para el mantenimiento de la posición orbital , mientras que unos pocos usan ruedas de impulso para el control de actitud . Los satélites rusos y los anteriores del bloque soviético han utilizado propulsión eléctrica durante décadas, [ no verificado físicamente ] y las nuevas naves espaciales occidentales en geoorbitación están empezando a utilizarlos para el mantenimiento de estaciones norte-sur y la elevación de órbitas. Los vehículos interplanetarios también utilizan principalmente cohetes químicos, aunque algunos han utilizado propulsores de iones y propulsores de efecto Hall (dos tipos diferentes de propulsión eléctrica ) con gran éxito.
Las tecnologías hipotéticas de propulsión en el espacio describen las tecnologías de propulsión que podrían satisfacer las necesidades futuras de exploración y ciencia espacial . Estas tecnologías de propulsión están destinadas a proporcionar una exploración eficaz del Sistema Solar y permitirán a los diseñadores de misiones planificar misiones para "volar en cualquier momento y lugar y completar una serie de objetivos científicos en los destinos" y con mayor confiabilidad y seguridad. Con una amplia gama de posibles misiones y tecnologías de propulsión candidatas, la cuestión de qué tecnologías son "mejores" para futuras misiones es difícil; La opinión de los expertos sostiene ahora que se debe desarrollar una cartera de tecnologías de propulsión para proporcionar soluciones óptimas para un conjunto diverso de misiones y destinos. [1] [2] [3] [ verificación necesaria ]
La propulsión en el espacio comienza donde termina la etapa superior del vehículo de lanzamiento , realizando las funciones de propulsión primaria , control de reacción , mantenimiento de posición , apuntamiento de precisión y maniobras orbitales . Los principales motores utilizados en el espacio proporcionan la fuerza propulsora principal para la transferencia de órbitas , las trayectorias planetarias y el aterrizaje y ascenso extraplanetarios. Los sistemas de control de reacción y maniobra orbital proporcionan la fuerza propulsora para el mantenimiento de la órbita, el control de posición, el mantenimiento de la posición y el control de actitud de la nave espacial. [4] [2] [3]
Cuando se está en el espacio, el propósito de un sistema de propulsión es cambiar la velocidad, o v , de una nave espacial. Debido a que esto es más difícil para naves espaciales más masivas, los diseñadores generalmente analizan el rendimiento de las naves espaciales en términos de cantidad de cambio en el impulso por unidad de propulsor consumido, también llamado impulso específico . [5] Cuanto mayor sea el impulso específico, mejor será la eficiencia. Los motores de propulsión iónica tienen un impulso específico alto (~3000 s) y un empuje bajo [6] , mientras que los cohetes químicos como los motores de cohetes monopropulsores o bipropulsores tienen un impulso específico bajo (~300 s) pero un empuje alto. [7]
Al lanzar una nave espacial desde la Tierra, un método de propulsión debe superar una atracción gravitacional más alta para proporcionar una aceleración neta positiva. [8] En órbita, cualquier impulso adicional, incluso muy pequeño, resultará en un cambio en la trayectoria de la órbita, de dos maneras: [ cita necesaria ]
La tasa de cambio de velocidad se llama aceleración y la tasa de cambio de impulso se llama fuerza . [ cita necesaria ] Para alcanzar una velocidad determinada, se puede aplicar una pequeña aceleración durante un largo período de tiempo, o se puede aplicar una gran aceleración durante un corto tiempo; de manera similar, se puede lograr un impulso determinado con una fuerza grande en un tiempo corto o una fuerza pequeña en un tiempo largo. [ cita necesaria ] Esto significa que para maniobrar en el espacio, un método de propulsión que produce pequeñas aceleraciones pero funciona durante mucho tiempo puede producir el mismo impulso que un método de propulsión que produce grandes aceleraciones durante un corto tiempo. [ cita necesaria ] Cuando se lanza desde un planeta, pequeñas aceleraciones no pueden superar la atracción gravitacional del planeta y, por lo tanto, no se pueden utilizar. [ cita necesaria ]
La superficie de la Tierra está situada bastante profunda en un pozo de gravedad ; la velocidad de escape necesaria para salir de él es de 11,2 kilómetros/segundo. [ cita necesaria ] [ ¿ relevante? ] Dado que los seres humanos evolucionaron en un campo gravitacional de "un g" (9,81 m/s²), un sistema de propulsión ideal para los vuelos espaciales tripulados sería aquel que proporcionara esa aceleración de forma continua, [ ¿ según quién? ] (aunque los cuerpos humanos pueden tolerar aceleraciones mucho mayores en períodos cortos). [ cita necesaria ] Los ocupantes de un cohete o nave espacial que tenga un sistema de propulsión de este tipo estarían libres de todos los efectos nocivos de la caída libre , como náuseas, debilidad muscular, reducción del sentido del gusto o lixiviación de calcio de los huesos. [ cita necesaria ]
La ecuación del cohete Tsiolkovsky demuestra, utilizando la ley de conservación del impulso , que para que un método de propulsión con motor de cohete cambie el impulso de una nave espacial, debe cambiar el impulso de algo más en la dirección opuesta. En otras palabras, el cohete debe agotar masa opuesta a la dirección de aceleración de la nave espacial, y esa masa agotada se denomina masa propulsora o masa de reacción . [9] : Sec 1.2.1 [10] Algunos diseños operan sin masa de reacción interna aprovechando cosas como campos magnéticos o presión ligera para cambiar el impulso de la nave espacial.
Para que un cohete funcione necesita dos cosas: masa de reacción y energía. El impulso proporcionado al lanzar una partícula de masa de reacción que tiene masa m a velocidad v es mv . Pero esta partícula tiene energía cinética mv ²/2, que debe provenir de alguna parte. En un cohete convencional sólido , líquido o híbrido , el combustible se quema, proporcionando la energía, y se permite que los productos de la reacción fluyan hacia atrás, proporcionando la masa de reacción. En un propulsor de iones , se utiliza electricidad para acelerar los iones hacia afuera. En este caso, alguna otra fuente debe proporcionar la energía eléctrica (quizás un panel solar o un reactor nuclear ), mientras que los iones proporcionan la masa de reacción. [8]
Cuando se habla de la eficiencia de un sistema de propulsión, los diseñadores suelen centrarse en el uso eficaz de la masa de reacción, que debe transportarse junto con el cohete y se consume irremediablemente cuando se utiliza. [ cita necesaria ] Una medida de la cantidad de impulso que se puede obtener a partir de una cantidad fija de masa de reacción es el impulso específico , el impulso por unidad de peso en la Tierra (normalmente designado por ), con unidades de segundos. [ cita necesaria ] Debido a que el peso en la Tierra de la masa de reacción a menudo no es importante cuando se habla de vehículos en el espacio, el impulso específico también se puede discutir en términos de la medida, impulso por unidad de masa, con las mismas unidades que la velocidad (por ejemplo, metros por segundo). [ cita necesaria ] Esta medida es equivalente a la velocidad de escape efectiva del motor y generalmente se designa . [ cita necesaria ] (De manera confusa, estos valores [ aclaración necesaria ] a veces se denominan impulso específico. [ cita necesaria ] ) Los dos valores difieren por un factor de la aceleración estándar debida a la gravedad, g n , 9,80665 m/s² ( ). [ cita necesaria ]
Un cohete con una alta velocidad de escape puede lograr el mismo impulso con menos masa de reacción; sin embargo, la energía requerida para ese impulso es proporcional a la velocidad de escape, de modo que los motores más eficientes en masa requieren mucha más energía y, por lo general, son menos eficientes energéticamente. [ cita necesaria ] Esto es un problema si el motor debe proporcionar una gran cantidad de empuje: para generar una gran cantidad de impulso por segundo, debe utilizar una gran cantidad de energía por segundo. [ cita necesaria ] Como tal, los diseños de motores de alta eficiencia de masa requieren enormes cantidades de energía por segundo para producir grandes empujes, pero generalmente también tienden a proporcionar un empuje menor (debido a la falta de disponibilidad de grandes cantidades de energía). [ cita necesaria ]
La propulsión espacial representa tecnologías que pueden mejorar significativamente una serie de aspectos críticos de la misión. La exploración espacial consiste en llegar a un lugar seguro (habilitación de la misión), llegar allí rápidamente (tiempos de tránsito reducidos), llevar mucha masa allí (mayor masa de carga útil) y llegar allí de forma económica (menor costo). El simple acto de "llegar" requiere el empleo de un sistema de propulsión en el espacio, y las otras métricas son modificadores de esta acción fundamental. [4] [3]
El desarrollo de tecnologías dará como resultado soluciones técnicas que mejoren los niveles de empuje, Isp, potencia, masa específica (o potencia específica ), volumen, masa del sistema, complejidad del sistema, complejidad operativa, similitud con otros sistemas de naves espaciales, capacidad de fabricación, durabilidad y costo. Este tipo de mejoras producirán menores tiempos de tránsito, mayor masa de carga útil, naves espaciales más seguras y menores costos. En algunos casos, el desarrollo de tecnologías dentro de esta área tecnológica (AT) dará como resultado avances que revolucionarán la exploración espacial. No existe una única tecnología de propulsión que beneficie a todas las misiones o tipos de misiones. Los requisitos para la propulsión espacial varían ampliamente según su aplicación prevista. Las tecnologías descritas deberían soportar todo, desde pequeños satélites y exploración robótica del espacio profundo hasta estaciones espaciales y misiones humanas hasta aplicaciones a Marte . [4] [3]
Además, el término "tracción de misión" define una tecnología o una característica de rendimiento necesaria para cumplir con un requisito de misión planificada por la NASA. Cualquier otra relación entre una tecnología y una misión (un sistema de propulsión alternativo, por ejemplo) se clasifica como "empuje tecnológico". Además, una demostración espacial se refiere al vuelo espacial de una versión escalada de una tecnología particular o de un subsistema tecnológico crítico. Por otro lado, una validación espacial serviría como vuelo de calificación para futuras implementaciones de misiones. Un vuelo de validación exitoso no requeriría ninguna prueba espacial adicional de una tecnología en particular antes de que pueda ser adoptada para una misión científica o de exploración. [4]
Las naves espaciales operan en muchas áreas del espacio. Estos incluyen maniobras orbitales, viajes interplanetarios y viajes interestelares.
Los satélites artificiales se lanzan primero a la altitud deseada mediante cohetes convencionales de propulsión líquida/sólida, después de lo cual el satélite puede utilizar sistemas de propulsión a bordo para mantenerse en posición orbital. Una vez en la órbita deseada, a menudo necesitan algún tipo de control de actitud para que apunten correctamente con respecto a la Tierra , el Sol y posiblemente algún objeto astronómico de interés. [11] También están sujetos al arrastre de la delgada atmósfera , de modo que para permanecer en órbita durante un largo período de tiempo es ocasionalmente necesaria alguna forma de propulsión para realizar pequeñas correcciones ( mantenimiento de estación orbital ). [12] Muchos satélites necesitan ser movidos de una órbita a otra de vez en cuando, y esto también requiere propulsión. [13] La vida útil de un satélite suele terminar una vez que ha agotado su capacidad para ajustar su órbita. [ cita necesaria ]
Para los viajes interplanetarios , una nave espacial puede utilizar sus motores para abandonar la órbita de la Tierra. No es explícitamente necesario ya que el impulso inicial dado por el cohete, la honda de gravedad y el sistema de propulsión de control de actitud monopropulsor/bipropulsor son suficientes para la exploración del sistema solar (ver Nuevos Horizontes ). Una vez que lo haya hecho, de alguna manera debe llegar a su destino. Las naves espaciales interplanetarias actuales hacen esto con una serie de ajustes de trayectoria a corto plazo. [14] Entre estos ajustes, la nave espacial simplemente se mueve a lo largo de su trayectoria sin acelerar. La forma más económica de pasar de una órbita circular a otra es la órbita de transferencia de Hohmann : la nave espacial comienza una órbita aproximadamente circular alrededor del Sol. Un breve período de empuje en la dirección del movimiento acelera o desacelera la nave espacial hacia una órbita elíptica alrededor del Sol que es tangencial a su órbita anterior y también a la órbita de su destino. La nave espacial cae libremente a lo largo de esta órbita elíptica hasta llegar a su destino, donde otro breve período de empuje la acelera o desacelera para igualar la órbita de su destino. [15] A veces se utilizan métodos especiales como el aerofrenado o la aerocaptura para este ajuste orbital final. [dieciséis]
Algunos métodos de propulsión de naves espaciales, como las velas solares, proporcionan un empuje muy bajo pero inagotable; [17] un vehículo interplanetario que utilizara uno de estos métodos seguiría una trayectoria bastante diferente, ya sea empujando constantemente en contra de su dirección de movimiento para disminuir su distancia del Sol, o empujando constantemente a lo largo de su dirección de movimiento para aumentar su distancia del Sol. Sol. [ cita necesaria ] El concepto ha sido probado con éxito por la nave espacial japonesa de vela solar IKAROS . [ cita necesaria ]
Aún no se ha construido ninguna nave espacial capaz de realizar viajes interestelares de corta duración (en comparación con la vida humana) , pero se han discutido muchos diseños hipotéticos. Como las distancias interestelares son muy grandes, se necesita una velocidad tremenda para llevar una nave espacial a su destino en un tiempo razonable. Adquirir esa velocidad en el lanzamiento y deshacerse de ella al llegar sigue siendo un desafío formidable para los diseñadores de naves espaciales. [18]
Las áreas de tecnología se dividen en cuatro grupos básicos: (1) Propulsión química, (2) Propulsión eléctrica, (3) Tecnologías de propulsión avanzadas y (4) Tecnologías de apoyo; basado en la física del sistema de propulsión y cómo obtiene el empuje, así como en su madurez técnica. Además, puede haber conceptos de propulsión en el espacio meritorios y creíbles no previstos ni revisados en el momento de la publicación, y que pueden resultar beneficiosos para futuras aplicaciones de misiones. [19]
Una gran fracción de los motores de cohetes que se utilizan hoy en día son cohetes químicos ; es decir, obtienen la energía necesaria para generar empuje mediante reacciones químicas para crear un gas caliente que se expande para producir empuje . [ cita necesaria ] Se utilizan muchas combinaciones de propulsores diferentes para obtener estas reacciones químicas, incluidas, por ejemplo, hidracina , oxígeno líquido , hidrógeno líquido , óxido nitroso y peróxido de hidrógeno . [ cita necesaria ] Se pueden utilizar como monopropulsor o en configuraciones bipropulsor . [ cita necesaria ]
La forma dominante de propulsión química para satélites ha sido históricamente la hidracina ; sin embargo, este combustible es altamente tóxico y corre el riesgo de ser prohibido en toda Europa. [20] Actualmente se están desarrollando alternativas "verdes" no tóxicas para reemplazar la hidracina. Las alternativas basadas en óxido nitroso están obteniendo mucha tracción y apoyo gubernamental, [21] [22] y el desarrollo está liderado por las empresas comerciales Dawn Aerospace, Impulse Space, [23] y Launcher. [24] El primer sistema basado en óxido nitroso jamás volado en el espacio fue mediante D-Orbit a bordo de su transportador de satélites ION ( remolcador espacial ) en 2021, utilizando seis propulsores Dawn Aerospace B20, lanzados sobre un cohete Falcon 9 diseñado por SpaceX . [25] [26]
Los motores a reacción producen empuje expulsando la masa de reacción , de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton . [ cita necesaria ] [27] Los ejemplos incluyen motores a reacción , motores de cohetes , bombas de chorro y variaciones más poco comunes, como propulsores de efecto Hall , propulsores de iones , impulsores de masa y propulsión de pulso nuclear . [ cita necesaria ]
Los motores de cohetes proporcionan esencialmente las potencias específicas más altas y los empujes específicos más elevados que cualquier motor utilizado para la propulsión de naves espaciales. [ cita necesaria ] La mayoría de los motores de cohetes son motores térmicos de combustión interna (aunque existen formas sin combustión). [ cita necesaria ] Los motores de cohetes generalmente producen una masa de reacción a alta temperatura, como un gas caliente, que se logra quemando un combustible sólido, líquido o gaseoso con un oxidante dentro de una cámara de combustión. [ cita necesaria ] Luego se permite que el gas extremadamente caliente escape a través de una boquilla en forma de campana de alta relación de expansión , una característica que le da al motor de cohete su forma característica. [ cita necesaria ] El efecto de la boquilla es acelerar dramáticamente la masa, convirtiendo la mayor parte de la energía térmica en energía cinética, donde son comunes velocidades de escape que alcanzan hasta 10 veces la velocidad del sonido al nivel del mar. [ cita necesaria ]
Los cohetes de propulsión iónica pueden calentar un plasma o gas cargado dentro de una botella magnética y liberarlo a través de una boquilla magnética para que ninguna materia sólida entre en contacto con el plasma. [ cita necesaria ] La maquinaria para hacer esto es compleja, pero la investigación sobre la fusión nuclear ha desarrollado métodos, algunos de los cuales se han propuesto para su uso en sistemas de propulsión y otros se han probado en un laboratorio. [ cita necesaria ] (Consulte el artículo de Wikipedia sobre motores de cohetes para obtener una lista de varios tipos de motores de cohetes que utilizan diferentes métodos de calentamiento, incluidos químicos, eléctricos, solares y nucleares).
La propulsión eléctrica se utiliza comúnmente para el mantenimiento de posiciones [ se necesita aclaración ] en satélites de comunicaciones comerciales y para la propulsión primaria en algunas misiones espaciales científicas debido a su alto impulso específico. Sin embargo, generalmente tienen valores de empuje muy pequeños y, por lo tanto, deben operarse durante períodos prolongados para proporcionar el impulso total requerido por una misión. [4] [28] [29] [30]
En lugar de depender de altas temperaturas y dinámica de fluidos para acelerar la masa de reacción a altas velocidades, existe una variedad de métodos que utilizan fuerzas electrostáticas o electromagnéticas para acelerar la masa de reacción directamente, donde la masa de reacción suele ser una corriente de iones . [ cita necesaria ] Un motor de este tipo normalmente utiliza energía eléctrica, primero para ionizar átomos y luego para crear un gradiente de voltaje para acelerar los iones a altas velocidades de escape. [ cita necesaria ] Para estas unidades, a las velocidades de escape más altas, la eficiencia energética y el empuje son inversamente proporcionales a la velocidad de escape. [ cita necesaria ] Su muy alta velocidad de escape significa que requieren enormes cantidades de energía y, por lo tanto, con fuentes de energía prácticas proporcionan un empuje bajo, pero apenas consumen combustible. [ cita necesaria ]
La idea de la propulsión eléctrica se remonta a 1906, cuando Robert Goddard consideró la posibilidad en su cuaderno personal. [31] Konstantin Tsiolkovsky publicó la idea en 1911. [32]
Una institución centrada en el desarrollo de tecnologías de propulsión primaria, incluida la eléctrica, destinadas a beneficiar las misiones científicas a corto y mediano plazo al reducir el costo, la masa y/o los tiempos de viaje es el Glenn Research Center (GRC). [ cita necesaria ] Las arquitecturas de propulsión eléctrica de particular interés para el GRC son los propulsores Ion y Hall . [ cita necesaria ] Un sistema combina velas solares , una forma de propulsión sin propulsor que depende de la luz de las estrellas naturales para la energía de propulsión, y propulsores Hall. Otras tecnologías de propulsión que se están desarrollando incluyen la propulsión química avanzada y la aerocaptura. [3] [33] [34]
Para algunas misiones, particularmente cerca del Sol, la energía solar puede ser suficiente, y se ha utilizado muy a menudo, pero para otras más alejadas o con mayor potencia, la energía nuclear es necesaria; Los motores que obtienen su energía de una fuente nuclear se llaman cohetes eléctricos nucleares . [ cita necesaria ]
Con cualquier fuente actual de energía eléctrica, química, nuclear o solar, la cantidad máxima de energía que se puede generar limita la cantidad de empuje que se puede producir a un valor pequeño. [ cita necesaria ] La generación de energía agrega una masa significativa a la nave espacial y, en última instancia, el peso de la fuente de energía limita el rendimiento del vehículo. [ cita necesaria ]
Los generadores de energía nuclear actuales pesan aproximadamente la mitad que los paneles solares por vatio de energía suministrada, a distancias terrestres del Sol. [ cita necesaria ] Los generadores de energía química no se utilizan debido a la energía total disponible mucho menor. [ cita necesaria ] Se considera que la energía transmitida a la nave espacial tiene potencial. [¿ según quién? ] [ cita necesaria ]
Los métodos electromagnéticos incluyen: [ cita necesaria ]
Generalmente se considera que la ley de conservación del impulso implica que cualquier motor que no utilice masa de reacción no puede acelerar el centro de masa de una nave espacial (por otro lado, es posible cambiar de orientación). [ cita necesaria ] Pero el espacio no está vacío, especialmente el espacio dentro del Sistema Solar; existen campos gravitacionales, campos magnéticos , ondas electromagnéticas , viento solar y radiación solar. [ cita necesaria ] Se sabe que las ondas electromagnéticas en particular contienen impulso, a pesar de no tener masa; específicamente, la densidad de flujo de momento P de una onda EM es cuantitativamente 1/c 2 veces el vector de Poynting S , es decir, P = S /c 2 , donde c es la velocidad de la luz. [ cita necesaria ] Los métodos de propulsión de campo que no dependen de la masa de reacción deben intentar aprovechar este hecho acoplándose a un campo portador de impulso, como una onda EM que existe en las proximidades de la nave; sin embargo, debido a que muchos de estos fenómenos son de naturaleza difusa, las estructuras de propulsión correspondientes deben ser proporcionalmente grandes. [ cita necesaria ]
Hay varios motores espaciales diferentes que necesitan poca o ninguna masa de reacción para funcionar. Un sistema de propulsión tether emplea un cable largo con una alta resistencia a la tracción para cambiar la órbita de una nave espacial, por ejemplo mediante la interacción con el campo magnético de un planeta o mediante el intercambio de impulso con otro objeto. [35]
Un satélite u otro vehículo espacial está sujeto a la ley de conservación del momento angular , que impide que un cuerpo experimente un cambio neto en su velocidad angular . Así, para que un vehículo cambie su orientación relativa sin gastar masa de reacción, otra parte del vehículo puede girar en la dirección opuesta. Las fuerzas externas no conservadoras, principalmente gravitacionales y atmosféricas, pueden contribuir hasta varios grados por día al momento angular, [36] por lo que los sistemas secundarios están diseñados para "purgar" energías rotacionales no deseadas acumuladas con el tiempo. En consecuencia, muchas naves espaciales utilizan ruedas de reacción o giroscopios de control de momento para controlar la orientación en el espacio. [37]
El concepto de velas solares se basa en la presión de radiación de la energía electromagnética, pero requieren una gran superficie de recolección para funcionar de manera efectiva. [ cita necesaria ] Las velas eléctricas proponen utilizar cables muy delgados y livianos que contienen una carga eléctrica para desviar partículas, que pueden tener una direccionalidad más controlable. [ cita necesaria ]
Las velas magnéticas desvían las partículas cargadas del viento solar con un campo magnético, impartiendo así impulso a la nave espacial. [38] Por ejemplo, el llamado Magsail es un gran bucle superconductor propuesto para la aceleración/desaceleración en el viento solar y la desaceleración en el medio interestelar . [39] Una variante es el sistema de propulsión de plasma minimagnetosférico [40] y su sucesor, la vela de magnetoplasma , [41] que inyecta plasma a baja velocidad para mejorar el campo magnético y desviar más eficazmente las partículas cargadas en un viento de plasma.
Japón lanzó una nave espacial propulsada por velas solares, IKAROS , en mayo de 2010, que demostró con éxito propulsión y guía (y todavía está activa a la fecha). [ ¿ cuando? ] [ cita necesaria ] Como prueba adicional del concepto de vela solar , NanoSail-D se convirtió en el primer satélite propulsado por este tipo de energía en orbitar la Tierra . [42] En agosto de 2017, la NASA confirmó que el proyecto de vela solar Sunjammer concluyó en 2014 con lecciones aprendidas para futuros proyectos de vela espacial. [43] El programa Cubesail del Reino Unido será la primera misión que demostrará la navegación solar en órbita terrestre baja, y la primera misión que demostrará el control total de la actitud de tres ejes de una vela solar. [44]
El concepto de tirachinas gravitacional es una forma de propulsión para llevar una sonda espacial a otros destinos sin el gasto de masa de reacción; Aprovechar la energía gravitacional de otros objetos celestes permite que la nave espacial pueda captar energía cinética. [45] Sin embargo, se puede obtener aún más energía de la asistencia por gravedad si se utilizan cohetes. [ cita necesaria ]
La propulsión impulsada por haces es otro método de propulsión sin masa de reacción e incluye velas impulsadas por rayos láser , microondas o partículas. [ cita necesaria ]
Las tecnologías de propulsión avanzadas, y en algunos casos teóricas, pueden utilizar física química o no química para producir empuje, pero generalmente se consideran de menor madurez técnica y con desafíos que no se han superado. [46] Tanto para la exploración humana como para la robótica, atravesar el sistema solar es una lucha contra el tiempo y la distancia. Los planetas más distantes están a entre 4.500 y 6.000 millones de kilómetros del Sol y para llegar a ellos en un tiempo razonable se necesitan sistemas de propulsión mucho más capaces que los cohetes químicos convencionales. Las misiones rápidas al interior del sistema solar con fechas de lanzamiento flexibles son difíciles y requieren sistemas de propulsión que van más allá de los avances tecnológicos actuales. La logística, y por lo tanto la masa total del sistema necesaria para respaldar la exploración humana sostenida más allá de la Tierra hacia destinos como la Luna, Marte u objetos cercanos a la Tierra, son enormes a menos que se desarrollen y utilicen tecnologías de propulsión espacial más eficientes. [47] [48]
Se han considerado una variedad de técnicas de propulsión hipotéticas que requieren una comprensión más profunda de las propiedades del espacio, particularmente los marcos inerciales y el estado de vacío . Hasta la fecha, dichos métodos son altamente especulativos e incluyen: [ cita necesaria ]
Una evaluación de la NASA de su innovador programa de física de propulsión divide dichas propuestas en aquellas que no son viables para fines de propulsión, aquellas que tienen un potencial incierto y aquellas que no son imposibles según las teorías actuales. [49]
A continuación se muestra un resumen de algunas de las tecnologías probadas más populares, seguidas de métodos cada vez más especulativos. Se muestran cuatro números. La primera es la velocidad efectiva de escape : la velocidad equivalente a la que el propulsor sale del vehículo. Ésta no es necesariamente la característica más importante del método de propulsión; El empuje y el consumo de energía y otros factores pueden ser. Sin embargo,
El segundo y el tercero son las cantidades típicas de empuje y los tiempos de combustión típicos del método; fuera de un potencial gravitacional, pequeñas cantidades de empuje aplicadas durante un período prolongado darán el mismo efecto que grandes cantidades de empuje durante un período corto, si el objeto no está influenciado significativamente por la gravedad. [ cita necesaria ] El cuarto es el delta-v máximo que la técnica puede proporcionar sin estadificación. Para los sistemas de propulsión tipo cohete, esto es función de la fracción de masa y la velocidad de escape; La fracción de masa para sistemas similares a cohetes suele estar limitada por el peso del sistema de propulsión y el peso del tanque. [ cita necesaria ] Para que un sistema alcance este límite, es posible que la carga útil deba ser un porcentaje insignificante del vehículo y, por lo tanto, el límite práctico en algunos sistemas puede ser mucho menor. [ cita necesaria ]
Notas de la tabla
Los sistemas de propulsión de las naves espaciales suelen probarse estáticamente primero en la superficie de la Tierra, dentro de la atmósfera, pero muchos sistemas requieren una cámara de vacío para probarse completamente. Los cohetes generalmente se prueban en instalaciones de prueba de motores de cohetes , alejadas de viviendas y otros edificios por razones de seguridad. Las unidades de iones son mucho menos peligrosas y requieren una seguridad mucho menos estricta; por lo general, solo se necesita una cámara de vacío de gran tamaño. Se pueden encontrar lugares famosos para pruebas estáticas en Rocket Ground Test Facilities . Algunos sistemas no pueden probarse adecuadamente en tierra y es posible que se realicen lanzamientos de prueba en un sitio de lanzamiento de cohetes .
Se han propuesto muchas ideas para mecanismos de asistencia al lanzamiento que tienen el potencial de reducir drásticamente el costo de ponerse en órbita. Los mecanismos de asistencia al lanzamiento propuestos para vehículos distintos del lanzamiento espacial de cohetes incluyen:
Los estudios generalmente muestran que los motores convencionales que respiran aire, como los estatorreactores o los turborreactores , son básicamente demasiado pesados (tienen una relación empuje/peso demasiado baja) para ofrecer una mejora significativa en el rendimiento cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. Sin embargo, los vehículos de lanzamiento pueden ser lanzados desde el aire desde vehículos elevadores separados (por ejemplo, B-29 , Pegasus Rocket y White Knight ) que sí utilizan dichos sistemas de propulsión. También se podrían utilizar motores a reacción montados sobre un carril de lanzamiento.
Por otro lado, se han propuesto motores muy ligeros o de muy alta velocidad que aprovechan el aire durante el ascenso:
Los vehículos de lanzamiento de cohetes normales vuelan casi verticalmente antes de girar a una altitud de unas decenas de kilómetros antes de quemarse de lado para entrar en órbita; Este ascenso vertical inicial desperdicia propulsor pero es óptimo ya que reduce en gran medida la resistencia al aire. Los motores de respiración de aire queman propulsor de manera mucho más eficiente y esto permitiría una trayectoria de lanzamiento mucho más plana; los vehículos normalmente volarían aproximadamente tangencialmente a la superficie de la Tierra hasta abandonar la atmósfera y luego realizarían una combustión de cohete para salvar el delta-v final a la velocidad orbital.
Para las naves espaciales que ya se encuentran en órbita muy baja, la propulsión eléctrica por respiración de aire utilizaría gases residuales de la atmósfera superior como propulsor. La propulsión eléctrica que respira aire podría hacer factible una nueva clase de misiones de larga duración y en órbitas bajas en la Tierra, Marte o Venus . [74] [75]
Cuando un vehículo va a entrar en órbita alrededor de su planeta de destino, o cuando va a aterrizar, debe ajustar su velocidad. Esto se puede hacer usando todos los métodos enumerados anteriormente (siempre que puedan generar un empuje suficientemente alto), pero existen algunos métodos que pueden aprovechar las atmósferas y/o superficies planetarias.
En la ciencia ficción, las naves espaciales utilizan diversos medios para viajar, algunos de ellos científicamente plausibles (como velas solares o estatorreactores), otros, en su mayor parte o enteramente ficticios (como la antigravedad , el motor warp , el giro giratorio o los viajes hiperespaciales ). [76] : 8, 69–77 [77] : 142
