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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 despega del suelo, una nave flotante o una aeronave en el aire al inicio de un vuelo. El despegue es de dos tipos principales: lanzamiento con cohete (el método convencional actual) y lanzamiento espacial sin cohete (donde se emplean otras formas de propulsión, incluidos los 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. Existen varias designaciones de límites estándar, a saber:
En 2009, los científicos informaron sobre mediciones detalladas realizadas con un generador de imágenes de iones supratérmicos (un instrumento que mide la dirección y la velocidad de los iones), lo que les permitió establecer un límite a 118 km (73,3 mi) 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 los 268 m/s (880 ft/s). [7] [8]
Por definición, para que se produzca un vuelo espacial, es necesaria una altitud suficiente. Esto implica que se debe superar una energía potencial gravitatoria mínima: para la línea de Kármán, esta es aproximadamente 1 MJ/kg. W=mgh, m=1 kg, g=9,82 m/ s2 , 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 a ésta debido a pérdidas como la resistencia aerodinámica, la eficiencia de propulsión, la eficiencia del ciclo de los motores que se emplean y la resistencia gravitacional .
En los últimos cincuenta años, los vuelos espaciales han implicado generalmente permanecer en el espacio durante un período de tiempo, en lugar de ascender y caer inmediatamente de nuevo a la Tierra. Esto implica órbita, que es principalmente una cuestión de velocidad, no de altitud, aunque eso no significa que no sea necesario tener en cuenta la fricción del aire y las altitudes relevantes en relación con ella, y la órbita. A altitudes mucho más altas que muchas órbitas mantenidas por satélites, la altitud comienza a convertirse en un factor más importante y la velocidad en uno menor. A altitudes más bajas, debido a la alta velocidad necesaria para permanecer en órbita, la fricción del aire es un factor 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, en particular los seres humanos, tienen una fuerza g límite a la que pueden resistir. En el caso de los seres humanos, esta es de aproximadamente 3 a 6 g. Algunos lanzadores, como los lanzacohetes, darían aceleraciones de cientos o miles de g y, por lo tanto, no serían adecuados.
Los lanzadores varían respecto a su confiabilidad para lograr la misión.
La seguridad es la probabilidad de causar lesiones o la muerte. Los lanzadores poco fiables no son necesariamente inseguros, mientras que los lanzadores fiables suelen ser seguros, aunque no siempre.
Además del fallo catastrófico del propio vehículo de lanzamiento, otros riesgos de seguridad incluyen la despresurización y los cinturones de radiación de Van Allen , que impiden las órbitas que pasan largos periodos dentro de ellos.
La optimización de trayectoria es el proceso de diseñar una trayectoria que minimice (o maximice) alguna medida de rendimiento mientras satisface un conjunto de restricciones. En términos generales, la optimización de trayectoria es una técnica para calcular una solución de bucle abierto para un problema de control óptimo . A menudo se utiliza para sistemas en los que no se requiere, no es práctico o es imposible calcular la solución de bucle cerrado completa. Si un problema de optimización de trayectoria se puede resolver a una tasa dada por la inversa de la constante de Lipschitz , entonces se puede usar 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 de modelos (MPC) .
Aunque la idea de la optimización de trayectorias existe desde hace cientos de años ( cálculo de variaciones , problema de la braquistócrona ), recién 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 dieron en la industria aeroespacial, para calcular trayectorias de lanzamiento de cohetes y misiles. Más recientemente, la optimización de trayectorias también se ha utilizado en una amplia variedad de aplicaciones de procesos industriales y robótica. [9]Muchos cohetes utilizan combustibles fósiles. Un cohete Falcon Heavy de SpaceX, 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. Como se espera que el número de lanzamientos de cohetes aumente considerablemente en los próximos años, se espera que el efecto que el lanzamiento a órbita tiene sobre la Tierra sea mucho peor. [ Se discute la neutralidad ] Algunos fabricantes de cohetes (es decir, Orbex , ArianeGroup ) están utilizando diferentes combustibles de lanzamiento (como biopropano; metano producido a partir de biomasa). [10]
Un 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 para llegar al espacio, y hasta 7 km/s para distancias más largas, como un vuelo espacial intercontinental. Un ejemplo de un vuelo suborbital sería un misil balístico, o un futuro vuelo turístico como Virgin Galactic , o un vuelo de transporte intercontinental como SpaceLiner . Cualquier lanzamiento espacial sin una corrección de optimización de 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 Cañón espacial n.º Cómo llegar a la órbita ).
Además, si se requiere órbita, se debe generar una cantidad mucho mayor de energía para dar 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 altitud. Sin embargo, después de tener en cuenta la energía potencial adicional de estar a mayores altitudes, en general se utiliza más energía para alcanzar órbitas más altas que para alcanzar órbitas más bajas.
La velocidad necesaria para mantener una órbita cercana a 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 de combustible para cohetes que se utilizan en la práctica .
Obtener la energía cinética es complicado, ya que la resistencia aerodinámica tiende a frenar la nave espacial, por lo que las naves espaciales propulsadas por cohetes generalmente vuelan en una trayectoria de compromiso que abandona la parte más densa de la atmósfera muy pronto y luego vuelan, por ejemplo, en una órbita de transferencia de Hohmann para alcanzar la órbita particular que se requiere. Esto minimiza la resistencia aerodinámica, así como el tiempo que el vehículo pasa manteniéndose en el aire. La resistencia aerodinámica es un problema importante en prácticamente todos los sistemas de lanzamiento propuestos y actuales, aunque generalmente es menos importante que la dificultad de obtener suficiente energía cinética para simplemente alcanzar la órbita.
Para 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 la gravedad. Una vez que esto ocurre, siempre que la energía no se pierda de ninguna manera no conservativa, el vehículo dejará la influencia de la Tierra. La profundidad del pozo de potencial depende de la posición del vehículo y la energía depende de la velocidad del mismo. Si la energía cinética supera a la energía potencial, se produce el 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 a la resistencia aerodinámica.
El lanzamiento espacial sin cohetes se refiere a conceptos teóricos para el lanzamiento al espacio donde gran parte de la velocidad y la altitud necesarias para alcanzar la órbita se proporcionan mediante 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, ya sea directa o indirectamente, mediante el uso de propulsión de cohetes.
Los costos actuales de lanzamiento son muy altos: de 2.500 a 25.000 dólares por kilogramo desde la Tierra a la órbita baja terrestre (LEO). Como resultado, los costos de lanzamiento representan un gran porcentaje del costo de todas las misiones espaciales. Si se puede abaratar el lanzamiento, se reducirá el costo total de las misiones espaciales. Debido a la naturaleza exponencial de la ecuación de los cohetes, proporcionar incluso una pequeña cantidad de la velocidad a la 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 de los proyectos espaciales propuestos a gran escala, como la colonización espacial , la energía solar basada en el espacio [14] y la terraformación de Marte . [15]