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 . [1] Aunque todos los lanzamientos espaciales hasta la fecha han sido cohetes, se han propuesto varias alternativas a los cohetes. [2] 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 [3] y la terraformación de Marte . [4]
En este uso, el término "estático" pretende transmitir el entendimiento de que la parte estructural del sistema no tiene partes móviles internas.
Una torre espacial es una torre que llegaría al espacio exterior . Para evitar la necesidad inmediata de que un vehículo lanzado a velocidad orbital eleve su perigeo , una torre tendría que extenderse por encima del borde del espacio (por encima de la línea de Kármán de 100 km ), [25] pero una altura de torre mucho más baja podría reducir la resistencia atmosférica. Pérdidas durante el ascenso. Si la torre llegara hasta la órbita geosincrónica a aproximadamente 35.999 kilómetros (22.369 millas), los objetos lanzados a esa altura podrían alejarse con una potencia mínima y estarían en una órbita circular. El concepto de una estructura que alcanza la órbita geosincrónica fue concebido por primera vez por Konstantin Tsiolkovsky . [26] El concepto original imaginado por Tsiolkovsky era una estructura de compresión. Construir una estructura de compresión desde cero resultó ser una tarea poco realista ya que no existía ningún material con suficiente resistencia a la compresión para soportar su propio peso en tales condiciones. [27] Otras ideas utilizan torres de compresión muy altas para reducir las demandas de los vehículos de lanzamiento. El vehículo se "eleva" hasta la torre, que puede sobresalir de la atmósfera y se lanza desde lo alto. Varios investigadores han propuesto una torre tan alta para acceder a altitudes cercanas al espacio de 20 km (12 millas). [28] [29]
Las estructuras tensadas para lanzamientos espaciales sin cohetes son propuestas para utilizar cables largos y muy fuertes (conocidos como correas ) para elevar una carga útil al espacio. Las correas también se pueden utilizar para cambiar de órbita una vez en el espacio.
Las ataduras orbitales pueden bloquearse por marea ( skyhook ) o girar (rotovadores). Pueden diseñarse (en teoría) para recoger la carga útil cuando la carga útil está estacionaria o cuando la carga útil es hipersónica (tiene una velocidad alta pero no orbital). [ cita necesaria ]
Las ataduras endoatmosféricas se pueden utilizar para transferir cinética (energía y momento) entre grandes aviones convencionales (subsónicos o supersónicos bajos) u otra fuerza motriz y vehículos aerodinámicos más pequeños, impulsándolos a velocidades hipersónicas sin sistemas de propulsión exóticos. [ cita necesaria ]
Un skyhook es una clase teórica de propulsión por correa en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. [30] [31] Las propuestas para ganchos aéreos incluyen diseños que emplean correas que giran a velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aviones de gran altitud y colocarlos en órbita. [32]
Un ascensor espacial es un tipo propuesto de sistema de transporte espacial. [33] Su componente principal es un cable en forma de cinta (también llamado correa ) anclado a la superficie y que se extiende hacia el espacio por encima del nivel de la órbita geosincrónica. A medida que el planeta gira, la fuerza centrífuga en el extremo superior de la correa contrarresta la gravedad y mantiene el cable tenso. Luego, los vehículos pueden subir a la correa y alcanzar la órbita sin el uso de propulsión de cohetes.
Un cable de este tipo podría estar hecho de cualquier material capaz de sostenerse bajo tensión reduciendo el diámetro del cable con la suficiente rapidez a medida que se acerca a la superficie de la Tierra. En la Tierra , con su gravedad relativamente fuerte, los materiales actuales no son lo suficientemente fuertes y ligeros . Con materiales convencionales, la relación de conicidad tendría que ser muy grande, aumentando la masa total de lanzamiento a un grado fiscalmente inviable. Sin embargo, se han propuesto materiales basados en nanotubos de carbono o nanotubos de nitruro de boro como elemento de tracción en el diseño de la correa. Sus resistencias medidas son altas en comparación con sus densidades lineales. Son prometedores como materiales para hacer posible un ascensor espacial con base en la Tierra. [34]
Landis y Cafarelli sugirieron que una estructura de tensión ("ascensor espacial") que se extiende hacia abajo desde la órbita geosincrónica podría combinarse con la estructura de compresión ("torre Tsiolkovski") que se extiende hacia arriba desde la superficie, formando la estructura combinada que alcanza la órbita geosincrónica desde la superficie, y teniendo ventajas estructurales sobre cualquiera de ellos individualmente. [27]
El concepto de ascensor espacial también es aplicable a otros planetas y cuerpos celestes . Para lugares del Sistema Solar con una gravedad más débil que la de la Tierra (como la Luna o Marte ), los requisitos de relación resistencia-densidad no son tan grandes para los materiales de sujeción. Los materiales disponibles actualmente (como el Kevlar ) podrían servir como material de sujeción para los ascensores allí.
Una atadura endoatmosférica utiliza el cable largo dentro de la atmósfera para proporcionar parte o toda la velocidad necesaria para alcanzar la órbita. La atadura se utiliza para transferir cinética (energía e impulso) desde un extremo masivo y lento (generalmente un gran avión subsónico o supersónico bajo) a un extremo hipersónico mediante aerodinámica o acción centrípeta. El lanzador Kinetics Interchange TEther (KITE) es una atadura endoatmosférica propuesta. [13]
A space fountain is a proposed form of space elevator that does not require the structure to be in geosynchronous orbit, and does not rely on tensile strength for support. In contrast to the original space elevator design (a tethered satellite), a space fountain is a tremendously tall tower extending up from the ground. Since such a tall tower could not support its own weight using traditional materials, massive pellets are projected upward from the bottom of the tower and redirected back down once they reach the top, so that the force of redirection holds the top of the tower aloft.[35]
An orbital ring is a concept for a giant artificially constructed ring hanging at low Earth orbit that would rotate at slightly above orbital speed that would have fixed tethers hanging down to the ground.[36]
In a series of 1982 articles published in the Journal of the British Interplanetary Society,[12] Paul Birch presented the concept of orbital ring systems. He proposed a rotating cable placed in a low Earth orbit, rotating at slightly faster than orbital speed. Not in orbit, but riding on this ring, supported electromagnetically on superconducting magnets, are ring stations that stay in one place above some designated point on Earth. Hanging down from these ring stations are short space elevators made from cables with high tensile-strength-to-mass ratio. Birch claimed that the ring stations, in addition to holding the tether, could accelerate the orbital ring eastwards, causing it to precess around Earth.
In 1982 the Belarusian inventor Anatoly Yunitskiy also proposed an electromagnetic track encircling the Earth, which he called the "String Transportation System." When the velocity of the string exceeds 10 km/sec, centrifugal forces would detach the string from the Earth's surface and lift the ring into space.[37]
A launch loop or Lofstrom loop is a design for a belt-based maglev orbital launch system that would be around 2000 km long and maintained at an altitude of up to 80 kilometres (50 mi). Vehicles weighing 5 metric tons would be electromagnetically accelerated on top of the cable which forms an acceleration track, from which they would be projected into Earth orbit or even beyond. The structure would constantly need around 200 MW of power to keep it in place.[citation needed]
El sistema está diseñado para ser adecuado para lanzar humanos para turismo espacial , exploración espacial y colonización espacial con una aceleración máxima de 3 g. [38]
Un diseño propuesto es una torre independiente compuesta de columnas tubulares de material de alta resistencia (por ejemplo, kevlar ), infladas con una mezcla de gases de baja densidad y con sistemas de estabilización dinámica que incluyen giroscopios y "equilibrio de presión". [39] Los beneficios sugeridos en contraste con otros diseños de ascensores espaciales incluyen evitar trabajar con las grandes longitudes de estructura involucradas en algunos otros diseños, la construcción desde el suelo en lugar de la órbita y el acceso funcional a todo el rango de altitudes dentro del alcance práctico del diseño. El diseño presentado está "a 5 km de altitud y se extiende hasta 20 km sobre el nivel del mar", y los autores sugieren que "el enfoque puede ampliarse aún más para proporcionar acceso directo a altitudes superiores a 200 km".
Una dificultad importante de una torre de este tipo es el pandeo, ya que es una construcción larga y esbelta.
Con cualquiera de estos lanzadores de proyectiles, el lanzador proporciona una alta velocidad al nivel del suelo o cerca de él. Para alcanzar la órbita, al proyectil se le debe dar suficiente velocidad adicional para atravesar la atmósfera, a menos que incluya un sistema de propulsión adicional (como un cohete). Además, el proyectil necesita un medio interno o externo para realizar la inserción orbital . Los diseños a continuación se dividen en tres categorías: impulsados eléctricamente, impulsados químicamente y impulsados mecánicamente.
Los sistemas de lanzamiento eléctricos incluyen impulsores de masas, cañones de riel y cañones de bobina . Todos estos sistemas utilizan el concepto de una pista de lanzamiento estacionaria que utiliza algún tipo de motor eléctrico lineal para acelerar un proyectil.
En esencia, un impulsor de masas es una pista o túnel de lanzamiento muy largo y principalmente alineado horizontalmente para acelerar cargas útiles a velocidades orbitales o suborbitales. El concepto fue propuesto por Arthur C. Clarke en 1950, [40] y fue desarrollado con más detalle por Gerard K. O'Neill , en colaboración con el Instituto de Estudios Espaciales , centrándose en el uso de un impulsor de masas para lanzar material desde la Luna. .
Un conductor de masas utiliza algún tipo de repulsión para mantener una carga útil separada de la vía o las paredes. Luego utiliza un motor lineal (un motor de corriente alterna, como en un cañón de bobina, o un motor homopolar, como en un cañón de riel) para acelerar la carga útil a altas velocidades. Después de abandonar la pista de lanzamiento, la carga útil estaría a su velocidad de lanzamiento.
StarTram es una propuesta para lanzar vehículos directamente al espacio acelerándolos con un conductor de masas. Los vehículos flotarían por repulsión maglev entre los imanes superconductores del vehículo y las paredes de aluminio del túnel mientras eran acelerados por un accionamiento magnético de CA procedente de bobinas de aluminio. La energía necesaria probablemente sería proporcionada por unidades de almacenamiento de energía superconductoras distribuidas a lo largo del túnel. Los vehículos podrían alcanzar alturas orbitales bajas o incluso geosincrónicas; entonces se requeriría un pequeño encendido del motor del cohete para circular la órbita.
Los sistemas de Generación 1 exclusivamente de carga acelerarían entre 10 y 20 Gs y saldrían de la cima de una montaña. Si bien no son adecuados para pasajeros, podrían poner carga en órbita por 40 dólares el kilogramo, 100 veces más barato que los cohetes.
Los sistemas de Generación 2 con capacidad para pasajeros acelerarían una distancia mucho más larga a 2 Gs. Los vehículos entrarían en la atmósfera a una altitud de 20 km desde un túnel evacuado sujeto por correas de Kevlar y sostenido por repulsión magnética entre cables superconductores en el túnel y en el suelo. Para ambos sistemas Gen 1-2, la boca del tubo estaría abierta durante la aceleración del vehículo, y el aire se mantendría fuera mediante un bombeo magnetohidrodinámico . [14] [41] [42]
Un arma espacial es un método propuesto para lanzar un objeto al espacio exterior utilizando un arma o cañón grande . El escritor de ciencia ficción Julio Verne propuso tal método de lanzamiento en De la Tierra a la Luna , y en 1902 se adaptó una película, Un viaje a la Luna .
Sin embargo, incluso con un " cañón de pistola " a través de la corteza terrestre y la troposfera , las fuerzas g necesarias para generar la velocidad de escape seguirían siendo mayores de lo que un ser humano tolera. Por lo tanto, el arma espacial estaría restringida a satélites de carga y reforzados. Además, el proyectil necesita un medio interno o externo para estabilizarse en órbita.
Los conceptos de lanzamiento de armas no siempre utilizan la combustión. En los sistemas de lanzamiento neumáticos, un proyectil se acelera en un tubo largo mediante la presión del aire, producida por turbinas terrestres u otros medios. En una pistola de gas ligero , el presurizador es un gas de peso molecular ligero, para maximizar la velocidad del sonido en el gas.
John Hunter de Green Launch propone el uso de una 'pistola de hidrógeno' para lanzar cargas útiles no tripuladas a la órbita por menos de los costos de lanzamiento habituales.
Un acelerador de ariete también utiliza energía química como el arma espacial , pero es completamente diferente en que se basa en un ciclo de propulsión similar a un motor a reacción que utiliza procesos de combustión de estatorreactor y/o scramjet para acelerar el proyectil a velocidades extremadamente altas. Es un tubo largo lleno de una mezcla de gases combustibles con un diafragma frangible en cada extremo para contener los gases. El proyectil, que tiene forma de núcleo de chorro de ariete, se dispara mediante otro medio (por ejemplo, un arma espacial, comentado anteriormente) de forma supersónica a través del primer diafragma hasta el extremo del tubo. Luego quema los gases como combustible, acelerando hacia abajo por el tubo mediante propulsión a chorro. Otras físicas entran en juego a velocidades más altas.
Un acelerador de onda expansiva es similar a un arma espacial , pero se diferencia en que los anillos de explosivos a lo largo del cañón se detonan en secuencia para mantener altas las aceleraciones. Además, en lugar de depender únicamente de la presión detrás del proyectil, el acelerador de la onda expansiva cronometra específicamente las explosiones para apretar un cono de cola en el proyectil, como se podría disparar una semilla de calabaza apretando el extremo cónico.
En un slingatron, [22] [43] los proyectiles se aceleran a lo largo de un tubo o pista rígido que normalmente tiene giros circulares o en espiral, o combinaciones de estas geometrías en dos o tres dimensiones. Un proyectil se acelera en el tubo curvado impulsando todo el tubo en un movimiento circular de pequeña amplitud de frecuencia constante o creciente sin cambiar la orientación del tubo, es decir, todo el tubo gira pero no gira. Un ejemplo cotidiano de este movimiento es revolver una bebida sosteniendo el recipiente y moviéndolo en pequeños círculos horizontales, haciendo que el contenido gire, sin que el recipiente en sí gire.
Este giro desplaza continuamente el tubo con un componente a lo largo de la dirección de la fuerza centrípeta que actúa sobre el proyectil, de modo que se realiza trabajo continuamente sobre el proyectil a medida que avanza a través de la máquina. La fuerza centrípeta experimentada por el proyectil es la fuerza de aceleración y es proporcional a la masa del proyectil e inversamente proporcional al radio de curvatura de la pista.
Con los materiales disponibles actualmente (por ejemplo, Dyneema ), un slingatron sería teóricamente capaz de alcanzar velocidades más altas que un lanzador circular similar basado en una correa giratoria: la velocidad de la punta de una correa giratoria, independientemente de su escala absoluta, está limitada por la resistencia al peso. relación de sus materiales, ya que la correa debe soportar su propia masa bajo aceleración. En cambio, en el slingatron, la fuerza centrífuga reacciona formando una estructura no giratoria que puede ser tan masiva como sea necesario.
La compañía aeroespacial estadounidense SpinLaunch está desarrollando un sistema de lanzamiento de energía cinética que utiliza un principio similar al Slingatron, pero acelera la carga útil en el brazo de una centrífuga sellada al vacío antes de lanzarla al espacio a hasta 4.700 mph (7.500 km/h; 2,1 km/s). Luego, el cohete enciende sus motores a una altitud de aproximadamente 200.000 pies (60 km) para alcanzar una velocidad orbital de 17.150 mph (27.600 km/h; 7.666 km/s) con una carga útil de hasta 200 kg. SpinLaunch ha realizado varias pruebas de lanzamiento exitosas en un prototipo de escala de un tercio hasta 2023.
En el lanzamiento aéreo, un avión de transporte lleva el vehículo espacial a gran altitud y velocidad antes del lanzamiento. Esta técnica se utilizó en los vehículos suborbitales X-15 y SpaceshipOne , y en el vehículo de lanzamiento orbital Pegasus .
Las principales desventajas son que el avión de transporte tiende a ser bastante grande y nunca se ha demostrado la separación dentro del flujo de aire a velocidades supersónicas, ya que el impulso dado es relativamente modesto.
Un avión espacial es un avión diseñado para atravesar el borde del espacio . Combina algunas características de un avión con algunas de una nave espacial . Por lo general, toma la forma de una nave espacial equipada con superficies aerodinámicas , uno o más motores de cohete y, a veces, también propulsión adicional por respiración de aire .
Los primeros aviones espaciales se utilizaron para explorar vuelos hipersónicos (por ejemplo, el X-15 ). [44]
Algunos diseños basados en motores que respiran aire (cf. X-30 ), como los aviones basados en scramjets o motores de detonación por impulsos , podrían alcanzar potencialmente la velocidad orbital o seguir alguna forma útil de hacerlo; sin embargo, estos diseños aún deben realizar una combustión final del cohete en su apogeo para circular su trayectoria y evitar regresar a la atmósfera. Otros diseños similares a turborreactores reutilizables, como el Skylon , que utiliza motores a reacción preenfriados de hasta Mach 5,5 antes de emplear cohetes para entrar en órbita, parecen tener un presupuesto masivo que permite una carga útil mayor que los cohetes puros y al mismo tiempo la logran en una sola etapa.
Los globos pueden elevar la altitud inicial de los cohetes. Sin embargo, los globos tienen una carga útil relativamente baja (aunque consulte el proyecto Sky Cat para ver un ejemplo de un globo de carga pesada destinado a su uso en la atmósfera inferior), y esta disminuye aún más al aumentar la altitud.
El gas de elevación podría ser helio o hidrógeno . El helio no sólo es caro en grandes cantidades sino que además es un recurso no renovable . Esto hace que los globos sean una técnica costosa de asistencia al lanzamiento. Se podría utilizar hidrógeno, ya que tiene la ventaja de ser más barato y ligero que el helio, pero también la desventaja de ser altamente inflamable. Se han demostrado los cohetes lanzados desde globos, conocidos como " rockoons ", pero, hasta la fecha, sólo para misiones suborbitales ("cohetes sondeo"). El tamaño del globo que se necesitaría para levantar un vehículo de lanzamiento orbital sería extremadamente grande.
JP Aerospace ha fabricado un prototipo de plataforma de lanzamiento de globos como "Proyecto Tandem", [45] aunque no se ha utilizado como vehículo de lanzamiento de cohetes. JP Aerospace propone además una etapa superior hipersónica, más ligera que el aire. Una empresa española, zero2infinity , está desarrollando oficialmente un sistema de lanzamiento llamado bloostar basado en el concepto rockoon , que se espera que esté operativo en 2018. [46] [ necesita actualización ]
Gerard K. O'Neill propuso que utilizando globos muy grandes sería posible construir un puerto espacial en la estratosfera . Desde allí se podrían lanzar cohetes o un impulsor de masas podría acelerar las cargas útiles hasta ponerlas en órbita. [47] Esto tiene la ventaja de que la mayor parte (alrededor del 90%) de la atmósfera está debajo del puerto espacial. Un SpaceShaft es una versión propuesta de una estructura atmosféricamente flotante que serviría como sistema para elevar carga a altitudes cercanas al espacio , con plataformas distribuidas en varias elevaciones que proporcionarían instalaciones habitacionales para operaciones humanas a largo plazo en toda la atmósfera media y cercana. altitudes espaciales. [48] [49] [50] Para el lanzamiento espacial, serviría como una primera etapa sin cohete para cohetes lanzados desde la parte superior. [49]
Se pueden combinar tecnologías separadas. En 2010, la NASA sugirió que un futuro avión scramjet podría acelerarse a 300 m/s (una solución al problema de los motores ramjet que no pueden arrancar a una velocidad de flujo de aire cero) mediante asistencia de lanzamiento electromagnética u otro tipo trineo , lanzando a su vez desde el aire un segundo -Cohete de etapa que pone un satélite en órbita. [51]
Todas las formas de lanzadores de proyectiles son sistemas al menos parcialmente híbridos si se lanzan a una órbita terrestre baja , debido al requisito de circularización de la órbita , que como mínimo implica aproximadamente el 1,5 por ciento del delta-v total para elevar el perigeo (por ejemplo, un pequeño cohete). o en algunos conceptos mucho más que un propulsor de cohete para facilitar el desarrollo de un acelerador terrestre. [14]
Algunas tecnologías pueden tener una escala exponencial si se usan de forma aislada, lo que hace que el efecto de las combinaciones sea de una magnitud contraintuitiva. Por ejemplo, 270 m/s es menos del 4% de la velocidad de la órbita terrestre baja , pero un estudio de la NASA estimó que el lanzamiento del trineo Maglifter a esa velocidad podría aumentar la carga útil de un cohete ELV convencional en un 80% si también se eleva la pista. una montaña de 3000 metros. [52]
Las formas de lanzamiento terrestre limitadas a una aceleración máxima determinada (como las debidas a las tolerancias de la fuerza g humana si están destinadas a transportar pasajeros) tienen la correspondiente escala de longitud mínima del lanzador no linealmente sino con la velocidad al cuadrado. [53] Los Tethers pueden tener una escala exponencial aún más no lineal. La relación de masa entre la correa y la carga útil de una correa espacial sería de alrededor de 1:1 a una velocidad en la punta del 60% de su velocidad característica , pero llega a ser superior a 1000:1 a una velocidad en la punta del 240% de su velocidad característica . Por ejemplo, por motivos prácticos previstos y una relación de masa moderada con los materiales actuales, el concepto HASTOL haría que la primera mitad (4 km/s) de la velocidad en órbita se proporcionara por otros medios además de la propia correa. [10]
Mashall Savage propuso en el libro The Millennial Project como una de las tesis centrales del libro una propuesta para utilizar un sistema híbrido que combina un impulsor de masa para el levantamiento inicial seguido de un empuje aditivo mediante una serie de láseres terrestres secuenciados según la longitud de onda. , pero la idea no se ha llevado a cabo en ningún grado notable. Las propuestas específicas de Savage demostraron ser inviables tanto desde el punto de vista de la ingeniería como desde el punto de vista político, y aunque las dificultades pudieron superarse, el grupo que fundó Savage, ahora llamado Living Universe Foundation , no ha podido recaudar fondos significativos para la investigación.
La combinación de múltiples tecnologías sería en sí misma un aumento de la complejidad y los desafíos de desarrollo, pero reducir los requisitos de rendimiento de un subsistema determinado puede permitir una reducción de su complejidad o costo individual. Por ejemplo, el número de piezas de un motor de cohete de combustible líquido puede ser dos órdenes de magnitud menor si se alimenta por presión en lugar de por bomba, si sus requisitos delta-v son lo suficientemente limitados como para que la penalización de peso sea una opción práctica. , o un lanzador terrestre de alta velocidad puede utilizar un rendimiento relativamente moderado y un motor pequeño híbrido o de combustible sólido económico en su proyectil. [54] La asistencia mediante métodos distintos de los cohetes puede compensar la penalización de peso que supone hacer que un cohete orbital sea reutilizable . Aunque era suborbital , la primera nave espacial privada con tripulación, SpaceShipOne había reducido los requisitos de rendimiento del cohete debido a que era un sistema combinado con su lanzamiento aéreo . [55]
El concepto fue descrito por primera vez en 1895 por el autor ruso KE Tsiolkovsky en sus "Especulaciones sobre la Tierra, el cielo y Vesta".
El concepto fue descrito por primera vez en 1895 por el autor ruso K. E. Tsiolkovsky en sus "Especulaciones sobre la Tierra, el cielo y Vesta".
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