En astrodinámica y cohetería , la pérdida de gravedad es una medida de la pérdida en el rendimiento neto de un cohete mientras empuja en un campo gravitacional . En otras palabras, es el coste de tener que sostener el cohete en un campo de gravedad.
Las pérdidas por gravedad dependen del tiempo durante el cual se aplica el empuje, así como de la dirección en la que se aplica. Las pérdidas por gravedad como proporción de delta-v se minimizan si se aplica el empuje máximo durante un período breve y evitando empujar directamente lejos del campo gravitacional local. Sin embargo, durante la fase de lanzamiento y ascenso, el empuje debe aplicarse durante un largo período con un componente importante de empuje en la dirección opuesta a la gravedad, por lo que las pérdidas de gravedad se vuelven significativas. Por ejemplo, para alcanzar una velocidad de 7,8 km/s en la órbita terrestre baja se requiere un delta-v de entre 9 y 10 km/s. El delta-v adicional de 1,5 a 2 km/s se debe a pérdidas de gravedad, pérdidas de dirección y resistencia atmosférica . [ cita necesaria ]
Considere el caso simplificado de un vehículo con masa constante que acelera verticalmente con un empuje constante por unidad de masa a en un campo gravitacional de fuerza g . La aceleración real de la nave es a - g y utiliza delta-v a una velocidad de a por unidad de tiempo.
Durante un tiempo t, el cambio en la velocidad de la nave espacial es ( a - g ) t , mientras que el delta-v gastado es . La pérdida de gravedad es la diferencia entre estas cifras, que es gt . Como proporción de delta-v, la pérdida por gravedad es g / a .
Un empuje muy grande en un tiempo muy corto logrará el aumento de velocidad deseado con poca pérdida de gravedad. Por otro lado, si a es sólo ligeramente mayor que g , la pérdida por gravedad es una gran proporción de delta-v. La pérdida de gravedad se puede describir como el delta-v adicional necesario debido a que no se puede gastar todo el delta-v necesario instantáneamente.
Este efecto se puede explicar de dos formas equivalentes:
Estos efectos se aplican siempre que se asciende a una órbita con mayor energía orbital específica , como durante el lanzamiento a la órbita terrestre baja (LEO) o desde LEO a una órbita de escape . Este es el cálculo del peor de los casos : en la práctica, la pérdida de gravedad durante el lanzamiento y el ascenso es menor que el valor máximo de gt porque la trayectoria de lanzamiento no permanece vertical y la masa del vehículo no es constante, debido al consumo de propulsor y puesta en escena .
El empuje es una cantidad vectorial y la dirección del empuje tiene un gran impacto en el tamaño de las pérdidas por gravedad. Por ejemplo, la pérdida de gravedad en un cohete de masa m reduciría un empuje de 3 mg dirigido hacia arriba a una aceleración de 2 g . Sin embargo, el mismo empuje de 3 mg podría dirigirse en un ángulo tal que tuviera una componente ascendente de 1 mg , completamente anulada por la gravedad, y una componente horizontal de mg× = 2,8 mg (según el teorema de Pitágoras ), consiguiendo una horizontal de 2,8 g . aceleración.
A medida que se acercan las velocidades orbitales, el empuje vertical se puede reducir ya que la fuerza centrífuga (en el marco de referencia giratorio alrededor del centro de la Tierra) contrarresta una gran proporción de la fuerza gravitacional sobre el cohete, y se puede utilizar una mayor parte del empuje para acelerar. . Por lo tanto, las pérdidas por gravedad también pueden describirse como la integral de la gravedad (independientemente del vector del cohete) menos la fuerza centrífuga. Desde esta perspectiva, cuando una nave espacial alcanza la órbita, las pérdidas de gravedad continúan pero son perfectamente contrarrestadas por la fuerza centrífuga. Dado que un cohete tiene muy poca fuerza centrífuga en el lanzamiento, las pérdidas netas de gravedad por unidad de tiempo son grandes en el despegue.
Es importante señalar que minimizar las pérdidas por gravedad no es el único objetivo del lanzamiento de una nave espacial. Más bien, el objetivo es lograr la combinación posición/velocidad para la órbita deseada. Por ejemplo, la forma de maximizar la aceleración es empujar hacia abajo; sin embargo, empujar hacia abajo claramente no es un curso de acción viable para un cohete que pretende alcanzar la órbita.
