Un vuelo espacial suborbital es un vuelo espacial en el que la nave espacial llega al espacio exterior , pero su trayectoria cruza la superficie del cuerpo gravitante desde el que fue lanzada. Por tanto, no completará una revolución orbital , no se convertirá en un satélite artificial ni alcanzará la velocidad de escape .
Por ejemplo, la trayectoria de un objeto lanzado desde la Tierra que alcanza la línea de Kármán (aproximadamente 83 km [52 mi] – 100 km [62 mi] [2] sobre el nivel del mar ) y luego vuelve a caer a la Tierra, se considera una trayectoria sub. -vuelo espacial orbital. Se han realizado algunos vuelos suborbitales para probar naves espaciales y vehículos de lanzamiento destinados posteriormente a vuelos espaciales orbitales . Otros vehículos están diseñados específicamente únicamente para vuelos suborbitales; los ejemplos incluyen vehículos tripulados, como el X-15 y SpaceShipTwo , y vehículos no tripulados, como misiles balísticos intercontinentales y cohetes sonda .
Flights which attain sufficient velocity to go into low Earth orbit, and then de-orbit before completing their first full orbit, are not considered sub-orbital. Examples of this include the Starship Integrated Flight Test as it had been planned, and flights of the Fractional Orbital Bombardment System.
A flight that does not reach space is still sometimes called sub-orbital, but cannot officially be classified as a "sub-orbital spaceflight". Usually a rocket is used, but some experimental sub-orbital spaceflights have also been achieved via the use of space guns.[3]
By definition, a sub-orbital spaceflight reaches an altitude higher than 100 km (62 mi) above sea level. This altitude, known as the Kármán line, was chosen by the Fédération Aéronautique Internationale because it is roughly the point where a vehicle flying fast enough to support itself with aerodynamic lift from the Earth's atmosphere would be flying faster than orbital speed.[4] The US military and NASA award astronaut wings to those flying above 50 mi (80 km),[5] although the U.S. State Department does not show a distinct boundary between atmospheric flight and spaceflight.[6]
During freefall the trajectory is part of an elliptic orbit as given by the orbit equation. The perigee distance is less than the radius of the Earth R including atmosphere, hence the ellipse intersects the Earth, and hence the spacecraft will fail to complete an orbit. The major axis is vertical, the semi-major axis a is more than R/2. The specific orbital energy is given by:
where is the standard gravitational parameter.
Almost always a < R, corresponding to a lower than the minimum for a full orbit, which is
Thus the net extra specific energy needed compared to just raising the spacecraft into space is between 0 and .
Para minimizar el delta-v requerido (una medida astrodinámica que determina en gran medida el combustible requerido ), la parte del vuelo a gran altitud se realiza con los cohetes apagados (esto técnicamente se llama caída libre incluso para la parte ascendente de la trayectoria). . (Compárese con el efecto Oberth .) La velocidad máxima en un vuelo se alcanza en la altitud más baja de esta trayectoria de caída libre, tanto al inicio como al final de la misma.
Si el objetivo es simplemente "alcanzar el espacio", por ejemplo al competir por el Premio Ansari X , el movimiento horizontal no es necesario. En este caso, el delta-v más bajo requerido, para alcanzar los 100 km de altitud, es de aproximadamente 1,4 km/s . Moverse más lento, con menos caída libre, requeriría más delta-v.
Compárese esto con los vuelos espaciales orbitales: una órbita terrestre baja (LEO), con una altitud de unos 300 km, necesita una velocidad de alrededor de 7,7 km/s, lo que requiere un delta-v de unos 9,2 km/s. (Si no hubiera resistencia atmosférica, el delta-v mínimo teórico sería de 8,1 km/s para poner una nave en una órbita de 300 kilómetros de altura partiendo de un punto estacionario como el Polo Sur. El mínimo teórico puede ser de hasta 0,46 km/s. (Es menor si se lanza hacia el este desde cerca del ecuador).
Para vuelos espaciales suborbitales que cubren una distancia horizontal, la velocidad máxima y el delta-v requerido se encuentran entre los de un vuelo vertical y un LEO. La velocidad máxima en los extremos inferiores de la trayectoria se compone ahora de una componente horizontal y otra vertical. Cuanto mayor sea la distancia horizontal recorrida, mayor será la velocidad horizontal. (La velocidad vertical aumentará con la distancia en distancias cortas, pero disminuirá con la distancia en distancias más largas). Para el cohete V-2 , que apenas llegó al espacio pero con un alcance de unos 330 km, la velocidad máxima fue de 1,6 km/s. Scaled Composites SpaceShipTwo , que está en desarrollo, tendrá una órbita de caída libre similar, pero la velocidad máxima anunciada es de 1,1 km/s (quizás debido al apagado del motor a mayor altitud).
Para distancias mayores, debido a la órbita elíptica, la altitud máxima puede ser mucho mayor que para un LEO. En un vuelo intercontinental de 10.000 kilómetros, como el de un misil balístico intercontinental o un posible futuro vuelo espacial comercial , la velocidad máxima es de unos 7 km/s y la altitud máxima puede ser de más de 1.300 km. Cualquier vuelo espacial que regrese a la superficie, incluidos los suborbitales, sufrirá una reentrada en la atmósfera . La velocidad al inicio de la reentrada es básicamente la velocidad máxima del vuelo. El calentamiento aerodinámico causado variará en consecuencia: es mucho menor para un vuelo con una velocidad máxima de sólo 1 km/s que para uno con una velocidad máxima de 7 u 8 km/s.
El delta-v mínimo y la altitud máxima correspondiente para un rango dado se pueden calcular, d , suponiendo una Tierra esférica de circunferencia40.000 km y sin tener en cuenta la rotación y la atmósfera de la Tierra. Sea θ la mitad del ángulo que el proyectil debe girar alrededor de la Tierra, por lo que en grados es 45°× d /10.000 kilómetros . La trayectoria delta-v mínimo corresponde a una elipse con un foco en el centro de la Tierra y el otro en el punto medio entre el punto de lanzamiento y el punto de destino (en algún lugar dentro de la Tierra). (Esta es la órbita que minimiza el semieje mayor, que es igual a la suma de las distancias desde un punto de la órbita a los dos focos. Minimizar el semieje mayor minimiza la energía orbital específica y, por lo tanto, el delta-v , que es la velocidad de lanzamiento.) Los argumentos geométricos conducen entonces a lo siguiente (siendo R el radio de la Tierra, aproximadamente 6370 km):
La altitud del apogeo se maximiza (aproximadamente 1320 km) para una trayectoria que recorre un cuarto de la vuelta a la Tierra (10.000 kilómetros ) . Los alcances más largos tendrán apogeos más bajos en la solución delta-v mínima.
(donde g es la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra). El Δ v aumenta con el alcance, estabilizándose en 7,9 km/s a medida que el alcance se acerca20.000 km ( al otro lado del mundo). La trayectoria delta-v mínimo para recorrer la mitad del mundo corresponde a una órbita circular justo por encima de la superficie (por supuesto, en realidad tendría que estar por encima de la atmósfera). Consulte más abajo para conocer la hora del vuelo.
Un misil balístico intercontinental se define como un misil que puede alcanzar un objetivo a una distancia mínima de 5.500 km y, según la fórmula anterior, requiere una velocidad inicial de 6,1 km/s. Aumentar la velocidad a 7,9 km/s para alcanzar cualquier punto de la Tierra requiere un misil considerablemente más grande porque la cantidad de combustible necesaria aumenta exponencialmente con delta-v (consulte la ecuación del cohete ).
La dirección inicial de una trayectoria delta-v mínima apunta a medio camino entre recto hacia arriba y recto hacia el punto de destino (que está debajo del horizonte). Nuevamente, este es el caso si se ignora la rotación de la Tierra. No es exactamente cierto para un planeta en rotación a menos que el lanzamiento tenga lugar en un polo. [7]
En un vuelo vertical a altitudes no demasiado elevadas, el tiempo de caída libre es, tanto para la parte ascendente como para la descendente, la velocidad máxima dividida por la aceleración de la gravedad , por lo que con una velocidad máxima de 1 km/s suman 3 minutos. y 20 segundos. La duración de las fases de vuelo antes y después de la caída libre puede variar.
Para un vuelo intercontinental, la fase de impulso dura de 3 a 5 minutos, la caída libre (fase de mitad de camino) unos 25 minutos. Para un misil balístico intercontinental, la fase de reentrada en la atmósfera dura unos 2 minutos; esto será más largo para cualquier aterrizaje suave, como por ejemplo para un posible vuelo comercial futuro.
Los vuelos suborbitales pueden durar desde unos segundos hasta días. Pioneer 1 fue la primera sonda espacial de la NASA , destinada a llegar a la Luna . Un fallo parcial hizo que, en cambio, siguiera una trayectoria suborbital y volviera a entrar en la atmósfera terrestre 43 horas después del lanzamiento.
Para calcular el tiempo de vuelo para una trayectoria delta-v mínima, según la tercera ley de Kepler , el periodo de toda la órbita (si no pasara por la Tierra) sería:
Usando la segunda ley de Kepler , multiplicamos esto por la porción del área de la elipse barrida por la línea que va del centro de la Tierra al proyectil:
Esto da unos 32 minutos para dar una cuarta parte de la vuelta a la Tierra y 42 minutos para dar la mitad de la vuelta. Para distancias cortas, esta expresión es asintótica para .
De la forma que involucra arcocoseno, la derivada del tiempo de vuelo con respecto a d (o θ) tiende a cero cuando d se aproxima20.000 km ( al otro lado del mundo). La derivada de Δ v también aquí tiende a cero. Entonces si d =19 000 km , la longitud de la trayectoria delta-v mínima será de aproximadamente19 500 km , pero tardará sólo unos segundos menos que la trayectoria para d =20 000 km (cuya trayectoria es20.000 kilómetros de longitud).
Si bien hay muchos perfiles de vuelo suborbitales posibles, se espera que algunos sean más comunes que otros.
Los primeros vehículos suborbitales que llegaron al espacio fueron los misiles balísticos . El primer misil balístico que llegó al espacio fue el alemán V-2 , obra de los científicos en Peenemünde , el 3 de octubre de 1942, que alcanzó una altitud de 53 millas (85 km). [8] Luego, a finales de la década de 1940, EE. UU. y la URSS desarrollaron simultáneamente misiles, todos ellos basados en el cohete V-2, y luego misiles balísticos intercontinentales (ICBM) de mucho mayor alcance. En la actualidad hay muchos países que poseen misiles balísticos intercontinentales y aún más países que poseen misiles balísticos de alcance intermedio (IRBM) de menor alcance.
Los vuelos turísticos suborbitales se centrarán inicialmente en alcanzar la altitud necesaria para calificar como viaje al espacio. La trayectoria de vuelo será vertical o muy empinada y la nave espacial aterrizará de nuevo en su lugar de despegue.
La nave espacial apagará sus motores mucho antes de alcanzar la altitud máxima y luego ascenderá hasta su punto más alto. Durante unos minutos, desde que se apagan los motores hasta que la atmósfera comienza a frenar la aceleración descendente, los pasajeros experimentarán ingravidez .
Megaroc había sido planeado para vuelos espaciales suborbitales por la Sociedad Interplanetaria Británica en la década de 1940. [9] [10]
En el otoño de 1945, el grupo M. Tikhonravov K. y NG Chernysheva de la Academia de Ciencias de Artillería de Cohetes NII-4, por iniciativa propia, desarrollaron el primer proyecto de cohete estratosférico, el VR-190, para vuelo vertical con dos pilotos a una altitud de 200 km basados en el cohete balístico alemán V-2 capturado . [11]
En 2004, varias empresas trabajaron en vehículos de esta clase como participantes en el concurso Ansari X Prize. Rick Searfoss declaró oficialmente que Scaled Composites SpaceShipOne había ganado la competencia el 4 de octubre de 2004, después de completar dos vuelos en un período de dos semanas.
En 2005, Sir Richard Branson del Virgin Group anunció la creación de Virgin Galactic y sus planes para una SpaceShipTwo con capacidad para 9 asientos llamada VSS Enterprise . Desde entonces se ha completado con ocho asientos (un piloto, un copiloto y seis pasajeros) y ha participado en pruebas de transporte en cautiverio y con el primer barco nodriza WhiteKnightTwo , o VMS Eve . También ha completado deslizamientos solitarios, con las secciones de cola móviles en configuraciones fijas y "emplumadas". El motor del cohete híbrido se ha disparado varias veces en bancos de pruebas terrestres y se disparó en un vuelo propulsado por segunda vez el 5 de septiembre de 2013. [12] Se han encargado cuatro SpaceShipTwos adicionales que operarán desde el nuevo Spaceport America . Se esperaban vuelos comerciales con pasajeros en 2014, pero fueron cancelados debido al desastre ocurrido durante el vuelo SS2 PF04 . Branson afirmó: "Aprenderemos de lo que salió mal, descubriremos cómo podemos mejorar la seguridad y el rendimiento y luego avanzaremos juntos". [13]
Un uso importante de los vehículos suborbitales en la actualidad es como cohetes de sondeo científico . Los vuelos científicos suborbitales comenzaron en la década de 1920, cuando Robert H. Goddard lanzó los primeros cohetes de combustible líquido , pero no alcanzaron la altitud espacial . A finales de la década de 1940, los misiles balísticos V-2 alemanes capturados se convirtieron en cohetes de sondeo V-2 , lo que ayudó a sentar las bases de los cohetes de sondeo modernos. [14] Hoy en día hay docenas de cohetes de sondeo diferentes en el mercado, de una variedad de proveedores en varios países. Normalmente, los investigadores desean realizar experimentos en microgravedad o por encima de la atmósfera.
Investigaciones como la realizada para el proyecto X-20 Dyna-Soar sugieren que un vuelo suborbital semibalístico podría viajar de Europa a América del Norte en menos de una hora.
Sin embargo, el tamaño del cohete, en relación con la carga útil, necesaria para lograrlo, es similar al de un misil balístico intercontinental. Los misiles balísticos intercontinentales tienen delta-v algo menos que orbitales; y por tanto sería algo más económico que los costes de alcanzar la órbita, pero la diferencia no es grande. [15]
Debido al alto costo de los vuelos espaciales, es probable que los vuelos suborbitales se limiten inicialmente a entregas de carga de alto valor y muy urgente, como vuelos de mensajería , operaciones militares de respuesta rápida o turismo espacial . [ opinión ]
El SpaceLiner es un concepto de avión espacial suborbital hipersónico que podría transportar 50 pasajeros de Australia a Europa en 90 minutos o 100 pasajeros de Europa a California en 60 minutos. [16] El principal desafío radica en aumentar la confiabilidad de los diferentes componentes, particularmente los motores, para hacer posible su uso diario en el transporte de pasajeros.
SpaceX está considerando potencialmente utilizar su Starship como un sistema de transporte suborbital de punto a punto. [17]
Por encima de los 100 km (62,14 millas) de altitud.
Empresas privadas como Virgin Galactic , Armadillo Aerospace (reinventada como Exos Aerospace), Airbus , [20] Blue Origin y Masten Space Systems están interesándose en los vuelos espaciales suborbitales, debido en parte a empresas como el Premio Ansari X. La NASA y otros están experimentando con aviones hipersónicos basados en scramjet que bien podrían usarse con perfiles de vuelo que califican como vuelos espaciales suborbitales. Entidades sin fines de lucro como ARCASPACE y Copenhagen Suborbitals también intentan realizar lanzamientos de cohetes .
