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El lanzamiento espacial es la primera parte de un vuelo que llega al espacio . El lanzamiento espacial implica el despegue , cuando un cohete u otro vehículo de lanzamiento espacial abandona el suelo, un barco flotante o un avión en el aire al inicio de un vuelo. El despegue es de dos tipos principales: lanzamiento de cohetes (el método convencional actual) y lanzamiento espacial sin cohetes (donde se emplean otras formas de propulsión, incluidos motores a reacción que respiran aire).
No existe un límite claro entre la atmósfera terrestre y el espacio, ya que la densidad de la atmósfera disminuye gradualmente a medida que aumenta la altitud. Hay varias designaciones de límites estándar, a saber:
En 2009, los científicos informaron mediciones detalladas con un generador de imágenes de iones supratérmico (un instrumento que mide la dirección y velocidad de los iones), lo que les permitió establecer un límite a 118 km (73,3 millas) sobre la Tierra. El límite representa el punto medio de una transición gradual a lo largo de decenas de kilómetros desde los vientos relativamente suaves de la atmósfera terrestre hasta los flujos más violentos de partículas cargadas en el espacio, que pueden alcanzar velocidades muy superiores a 268 m/s (880 pies/s). [7] [8]
Por lo tanto, por definición, para que se produzcan vuelos espaciales, es necesaria una altitud suficiente. Esto implica que es necesario superar una energía potencial gravitacional mínima: para la línea de Kármán esto es aproximadamente 1 MJ/kg. W=mgh, m=1 kg, g=9,82 m/s 2 , h=10 5 m. W=1*9.82*10 5 ≈10 6 J/kg=1MJ/kg
En la práctica, se necesita gastar una energía mayor que esta debido a pérdidas como la resistencia al aire, la eficiencia de propulsión, la eficiencia del ciclo de los motores que se emplean y la resistencia a la gravedad .
En los últimos cincuenta años, los vuelos espaciales normalmente han significado permanecer en el espacio durante un período de tiempo, en lugar de ascender y volver inmediatamente a la Tierra. Esto implica órbita, que es principalmente una cuestión de velocidad, no de altitud, aunque eso no significa fricción del aire y no es necesario tener en cuenta las altitudes relevantes en relación con eso y la órbita. A altitudes mucho, mucho más altas que muchas orbitales mantenidas por satélites, la altitud comienza a convertirse en un factor cada vez mayor y la velocidad en uno menor. En altitudes más bajas, debido a la alta velocidad necesaria para permanecer en órbita, la fricción del aire es una consideración muy importante que afecta a los satélites, mucho más que en la imagen popular del espacio. A altitudes aún más bajas, los globos, sin velocidad de avance, pueden desempeñar muchas de las funciones que desempeñan los satélites.
Muchas cargas, particularmente los humanos, tienen una fuerza G que les limita la supervivencia. Para los humanos esto es alrededor de 3-6 g. Algunos lanzadores, como los lanzadores de armas, darían aceleraciones de cientos o miles de g y, por lo tanto, son completamente inadecuados.
Los lanzadores varían con respecto a su confiabilidad para lograr la misión.
La seguridad es la probabilidad de causar lesiones o la pérdida de vidas. Los lanzadores no confiables no son necesariamente inseguros, mientras que los lanzadores confiables suelen ser, aunque no siempre, seguros.
Aparte del fallo catastrófico del propio vehículo de lanzamiento, otros riesgos para la seguridad incluyen la despresurización y los cinturones de radiación de Van Allen , que impiden órbitas que pasan largos períodos dentro de ellos.
La optimización de trayectoria es el proceso de diseñar una trayectoria que minimice (o maximice) alguna medida de desempeño mientras satisface un conjunto de restricciones. En términos generales, la optimización de trayectoria es una técnica para calcular una solución en bucle abierto a un problema de control óptimo . A menudo se utiliza para sistemas en los que no es necesario calcular la solución de circuito cerrado completo, o es poco práctico o imposible. Si un problema de optimización de trayectoria se puede resolver a una velocidad dada por la inversa de la constante de Lipschitz , entonces se puede utilizar de forma iterativa para generar una solución de bucle cerrado en el sentido de Caratheodory . Si solo se ejecuta el primer paso de la trayectoria para un problema de horizonte infinito, esto se conoce como Control Predictivo del Modelo (MPC) .
Aunque la idea de optimización de trayectoria existe desde hace cientos de años ( cálculo de variaciones , problema de braquistocrona ), sólo se volvió práctica para problemas del mundo real con la llegada de la computadora. Muchas de las aplicaciones originales de la optimización de trayectorias se produjeron en la industria aeroespacial, en la computación de trayectorias de lanzamiento de cohetes y misiles. Más recientemente, la optimización de trayectoria también se ha utilizado en una amplia variedad de aplicaciones de robótica y procesos industriales. [9]Muchos cohetes utilizan combustibles fósiles. Un cohete SpaceX Falcon Heavy, por ejemplo, quema 400 toneladas métricas de queroseno y emite más dióxido de carbono en unos pocos minutos que un automóvil promedio en más de dos siglos. Dado que se espera que el número de lanzamientos de cohetes aumente considerablemente en los próximos años, se espera que el efecto que el lanzamiento en órbita tiene en la Tierra empeore mucho. [ la neutralidad está en disputa ] Algunos fabricantes de cohetes (por ejemplo, Orbex , ArianeGroup ) utilizan diferentes combustibles de lanzamiento (como el biopropano; el metano producido a partir de biomasa). [10]
El vuelo espacial suborbital es cualquier lanzamiento espacial que llega al espacio sin realizar una órbita completa alrededor del planeta y requiere una velocidad máxima de alrededor de 1 km/s sólo para llegar al espacio, y hasta 7 km/s para distancias más largas, como un vuelo espacial intercontinental. Un ejemplo de vuelo suborbital sería un misil balístico, un futuro vuelo turístico como Virgin Galactic o un vuelo de transporte intercontinental como SpaceLiner . Cualquier lanzamiento espacial sin una corrección de optimización de la órbita para lograr una órbita estable dará como resultado un vuelo espacial suborbital, a menos que haya suficiente empuje para abandonar la órbita por completo. (Ver Arma espacial # Llegar a la órbita )
Además, si se requiere órbita, entonces se debe generar una cantidad mucho mayor de energía para darle a la nave cierta velocidad lateral. La velocidad que se debe alcanzar depende de la altitud de la órbita: se necesita menos velocidad a gran altura. Sin embargo, después de tener en cuenta la energía potencial adicional de estar a mayor altitud, en general se utiliza más energía para alcanzar órbitas más altas que las más bajas.
La velocidad necesaria para mantener una órbita cerca de la superficie de la Tierra corresponde a una velocidad lateral de aproximadamente 7,8 km/s (17.400 mph), una energía de aproximadamente 30 MJ/kg. Esto es varias veces la energía por kg de las mezclas prácticas de propulsores para cohetes .
Obtener energía cinética es complicado ya que la resistencia del aire tiende a desacelerar la nave espacial, por lo que las naves espaciales propulsadas por cohetes generalmente siguen una trayectoria de compromiso que abandona la parte más espesa de la atmósfera muy pronto y luego vuelan, por ejemplo, a una órbita de transferencia de Hohmann para alcanzar la órbita particular que se requiere. Esto minimiza la resistencia al aire y minimiza el tiempo que el vehículo pasa manteniéndose en pie. El arrastre aéreo es un problema importante con prácticamente todos los sistemas de lanzamiento actuales y propuestos, aunque generalmente menos que la dificultad de obtener suficiente energía cinética para simplemente alcanzar la órbita.
Si se quiere superar por completo la gravedad de la Tierra, una nave espacial debe obtener suficiente energía para superar la profundidad del pozo de energía potencial de gravedad. Una vez que esto haya ocurrido, siempre que la energía no se pierda de ninguna manera no conservadora, entonces el vehículo abandonará la influencia de la Tierra. La profundidad del pozo potencial depende de la posición del vehículo y la energía depende de la velocidad del vehículo. Si la energía cinética excede la energía potencial se produce un escape. En la superficie de la Tierra esto ocurre a una velocidad de 11,2 km/s (25.000 mph), pero en la práctica se necesita una velocidad mucho mayor debido al arrastre del aire.
El lanzamiento espacial sin cohete se refiere a conceptos teóricos para el lanzamiento al espacio donde gran parte de la velocidad y altitud necesarias para alcanzar la órbita es proporcionada por una técnica de propulsión que no está sujeta a los límites de la ecuación del cohete . [12] Aunque todos los lanzamientos espaciales hasta la fecha han sido cohetes, se han propuesto varias alternativas a los cohetes. [13] En algunos sistemas, como un sistema de lanzamiento combinado, skyhook , lanzamiento de trineo de cohetes , rockoon o lanzamiento aéreo , una parte del delta-v total puede proporcionarse, directa o indirectamente, mediante el uso de propulsión de cohete.
Los costos de lanzamiento actuales son muy altos: entre 2.500 y 25.000 dólares por kilogramo desde la Tierra hasta la órbita terrestre baja (LEO). Como resultado, los costos de lanzamiento representan un gran porcentaje del costo de todos los esfuerzos espaciales. Si se puede abaratar el lanzamiento, se reducirá el coste total de las misiones espaciales. Debido a la naturaleza exponencial de la ecuación del cohete, proporcionar incluso una pequeña cantidad de velocidad a LEO por otros medios tiene el potencial de reducir en gran medida el costo de llegar a la órbita.
Los costos de lanzamiento de cientos de dólares por kilogramo harían posibles muchos proyectos espaciales propuestos a gran escala, como la colonización espacial , la energía solar basada en el espacio [14] y la terraformación de Marte . [15]