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Propulsión de naves espaciales

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Una cámara remota captura una vista de cerca de un RS-25 durante un disparo de prueba en el Centro Espacial John C. Stennis en el condado de Hancock, Mississippi. Motores de cohetes bipropelentes del sistema de control de reacción del módulo lunar Apollo (RCS)

La propulsión de naves espaciales es cualquier método utilizado para acelerar naves espaciales y satélites artificiales. La propulsión en el espacio se ocupa exclusivamente de los sistemas de propulsión utilizados en el vacío del espacio y no debe confundirse con el lanzamiento espacial o la entrada atmosférica.

Se han desarrollado varios métodos de propulsión pragmática de naves espaciales, cada uno con sus propios inconvenientes y ventajas. La mayoría de los satélites tienen propulsores químicos simples y confiables (a menudo cohetes monopropulsores ) o cohetes resistojet para mantener la posición orbital y algunos usan ruedas de impulso para el control de actitud. Los satélites del bloque soviético han usado propulsión eléctrica durante décadas, y las nuevas naves espaciales occidentales en órbita geográfica están comenzando a usarlos para el mantenimiento de la posición norte-sur y la elevación de la órbita. Los vehículos interplanetarios también utilizan principalmente cohetes químicos, aunque algunos han utilizado propulsores de iones y propulsores de efecto Hall (dos tipos diferentes de propulsión eléctrica ) con gran éxito.

Las tecnologías de propulsión en el espacio hipotéticas describen las tecnologías de propulsión que podrían satisfacer las necesidades futuras de exploración y ciencia espacial. Estas tecnologías de propulsión están destinadas a proporcionar una exploración eficaz de nuestro Sistema Solar y permitirán a los diseñadores de misiones planificar misiones para "volar en cualquier momento y en cualquier lugar, y completar una serie de objetivos científicos en los destinos" y con mayor fiabilidad y seguridad. Con una amplia gama de posibles misiones y tecnologías de propulsión candidatas, la cuestión de qué tecnologías son "mejores" para misiones futuras es difícil. Se debe desarrollar una cartera de tecnologías de propulsión para proporcionar soluciones óptimas para un conjunto diverso de misiones y destinos.

Contenido
  • 1 Objeto y función
    • 1.1 Definición de tecnologías
  • 2 dominios operativos
    • 2.1 Orbital
    • 2.2 Interplanetario
    • 2.3 interestelar
  • 3 Tecnología de propulsión
    • 3.1 Propulsión química
      • 3.1.1 Motores de reacción
      • 3.1.2 Motores de cohetes
    • 3.2 Propulsión no química
      • 3.2.1 Propulsión electromagnética
      • 3.2.2 Sin masa de reacción interna
    • 3.3 Tecnología de propulsión avanzada
    • 3.4 Tabla de métodos
    • 3.5 Prueba
  • 4 Propulsión planetaria y atmosférica
    • 4.1 Mecanismos de asistencia al lanzamiento
    • 4.2 Motores que respiran aire
    • 4.3 Llegada y aterrizaje planetario
  • 5 en la ficción
  • 6 Véase también
  • 7 referencias
  • 8 Enlaces externos

Objeto y función

La propulsión en el espacio comienza donde termina la etapa superior del vehículo de lanzamiento ; desempeñando las funciones de propulsión primaria, control de reacción, mantenimiento de posición, puntería de precisión y maniobras orbitales. Los principales motores utilizados en el espacio proporcionan la fuerza de propulsión principal de la órbita de transferencia, las trayectorias planetarias y extra de aterrizaje planetario y ascenso. Los sistemas de control de reacción y maniobras orbitales proporcionan la fuerza propulsora para el mantenimiento de la órbita, el control de posición, el mantenimiento de la posición y el control de actitud de la nave espacial.

Cuando está en el espacio, el propósito de un sistema de propulsión es cambiar la velocidad, ov, de una nave espacial. Debido a que esto es más difícil para las naves espaciales más masivas, los diseñadores generalmente discuten el rendimiento de las naves espaciales en la cantidad de cambio en el impulso por unidad de propulsor consumido, también llamado impulso específico. Cuanto mayor sea el impulso específico, mejor será la eficiencia. Los motores de propulsión de iones tienen un impulso específico alto (~ 3000 s) y un empuje bajo, mientras que los cohetes químicos como los motores de cohetes monopropulsores o bipropelentes tienen un impulso específico bajo (~ 300 s) pero un empuje alto.

Al lanzar una nave espacial desde la Tierra, un método de propulsión debe superar una atracción gravitacional más alta para proporcionar una aceleración neta positiva. En órbita, cualquier impulso adicional, incluso muy pequeño, resultará en un cambio en la trayectoria de la órbita.

1) Progrado / Retrógrado (es decir, aceleración en la dirección tangencial / opuesta en la dirección tangencial) - Aumenta / Disminuye la altitud de la órbita

2) Perpendicular al plano orbital - Cambia la inclinación orbital

La tasa de cambio de velocidad se llama aceleración y la tasa de cambio de momento se llama fuerza. Para alcanzar una velocidad dada, se puede aplicar una pequeña aceleración durante un largo período de tiempo, o se puede aplicar una gran aceleración durante un corto período de tiempo. De manera similar, se puede lograr un impulso dado con una gran fuerza en poco tiempo o con una pequeña fuerza durante mucho tiempo. Esto significa que para maniobrar en el espacio, un método de propulsión que produce pequeñas aceleraciones pero que funciona durante mucho tiempo puede producir el mismo impulso que un método de propulsión que produce grandes aceleraciones durante un corto período de tiempo. Cuando se lanza desde un planeta, las pequeñas aceleraciones no pueden superar la atracción gravitacional del planeta y, por lo tanto, no se pueden utilizar.

La superficie de la Tierra está situada a bastante profundidad en un pozo de gravedad. La velocidad de escape necesaria para salir es de 11,2 kilómetros / segundo. Como los seres humanos evolucionaron en un campo gravitacional de 1 g (9,8 m / s²), un sistema de propulsión ideal para vuelos espaciales humanos sería uno que proporcione una aceleración continua de 1 g (aunque los cuerpos humanos pueden tolerar aceleraciones mucho mayores en períodos cortos). Los ocupantes de un cohete o nave espacial que tenga dicho sistema de propulsión estarían libres de todos los efectos nocivos de la caída libre, como náuseas, debilidad muscular, disminución del sentido del gusto o filtración de calcio de sus huesos.

La ley de conservación del impulso significa que para que un método de propulsión cambie el impulso de una nave espacial también debe cambiar el impulso de otra cosa. Algunos diseños aprovechan cosas como campos magnéticos o presión ligera para cambiar el impulso de la nave espacial, pero en el espacio libre, el cohete debe traer algo de masa para acelerar y empujarse hacia adelante. Esta masa se llama masa de reacción.

Para que un cohete funcione, necesita dos cosas: masa de reacción y energía. El impulso proporcionado por el lanzamiento de una partícula de masa de reacción que tiene masa m a una velocidad v es mv. Pero esta partícula tiene energía cinética mv ² / 2, que debe provenir de algún lugar. En un cohete convencional sólido, líquido o híbrido, el combustible se quema, proporcionando la energía, y los productos de reacción se dejan fluir hacia atrás, proporcionando la masa de reacción. En un propulsor de iones, la electricidad se utiliza para acelerar los iones hacia atrás. Aquí alguna otra fuente debe proporcionar la energía eléctrica (tal vez un panel solar o un reactor nuclear ), mientras que los iones proporcionan la masa de reacción.

Cuando se habla de la eficiencia de un sistema de propulsión, los diseñadores suelen centrarse en utilizar eficazmente la masa de reacción. La masa de reacción debe llevarse junto con el cohete y se consume irremediablemente cuando se usa. Una forma de medir la cantidad de impulso que se puede obtener de una cantidad fija de masa de reacción es el impulso específico, el impulso por unidad de peso en la Tierra (generalmente designado por). La unidad de este valor es segundos. Debido a que el peso en la Tierra de la masa de reacción a menudo no es importante cuando se habla de vehículos en el espacio, el impulso específico también se puede discutir en términos de impulso por unidad de masa. Esta forma alternativa de impulso específico utiliza las mismas unidades que la velocidad (por ejemplo, m / s) y, de hecho, es igual a la velocidad de escape efectiva del motor (normalmente designado). De manera confusa, ambos valores a veces se denominan impulso específico. Los dos valores se diferencian por un factor de g n, la aceleración estándar debida a la gravedad 9.80665 m / s² ().

I sp
{\ Displaystyle I _ {\ text {sp}}} v mi
{\ Displaystyle v_ {e}} I sp gramo norte= v mi
{\ Displaystyle I _ {\ text {sp}} g _ {\ mathrm {n}} = v_ {e}}

Un cohete con una alta velocidad de escape puede lograr el mismo impulso con menos masa de reacción. Sin embargo, la energía requerida para ese impulso es proporcional a la velocidad de escape, por lo que los motores más eficientes en masa requieren mucha más energía y, por lo general, son menos eficientes energéticamente. Esto es un problema si el motor debe proporcionar una gran cantidad de empuje. Para generar una gran cantidad de impulso por segundo, debe utilizar una gran cantidad de energía por segundo. Por lo tanto, los motores de alta eficiencia de masa requieren enormes cantidades de energía por segundo para producir grandes empujes. Como resultado, la mayoría de los diseños de motores de alta eficiencia de masa también proporcionan un empuje menor debido a la falta de disponibilidad de grandes cantidades de energía.

La propulsión en el espacio representa tecnologías que pueden mejorar significativamente varios aspectos críticos de la misión. La exploración espacial se trata de llegar a un lugar seguro (habilitación de la misión), llegar rápidamente (tiempos de tránsito reducidos), obtener mucha masa allí (mayor masa de carga útil ) y llegar a un lugar económico (menor costo). El simple acto de "llegar" allí requiere el empleo de un sistema de propulsión en el espacio, y las otras métricas son modificadores de esta acción fundamental.

El desarrollo de tecnologías dará como resultado soluciones técnicas que mejoran los niveles de empuje, Isp, potencia, masa específica (o potencia específica ), volumen, masa del sistema, complejidad del sistema, complejidad operativa, similitud con otros sistemas de naves espaciales, capacidad de fabricación, durabilidad y costo. Este tipo de mejoras producirán menores tiempos de tránsito, mayor masa de carga útil, naves espaciales más seguras y menores costos. En algunos casos, el desarrollo de tecnologías dentro de esta área tecnológica (TA) dará como resultado avances que permitirán la misión y que revolucionarán la exploración espacial. No existe una tecnología de propulsión única que beneficie a todas las misiones o tipos de misiones. Los requisitos para la propulsión en el espacio varían ampliamente debido a su aplicación prevista. Las tecnologías descritas deberían admitir todo, desde pequeños satélites y exploración robótica del espacio profundo hasta estaciones espaciales y misiones humanas hasta aplicaciones en Marte.

Definición de tecnologías

Además, el término "atracción de misión" define una tecnología o una característica de rendimiento necesaria para cumplir con los requisitos de una misión planificada de la NASA. Cualquier otra relación entre una tecnología y una misión (un sistema de propulsión alternativo, por ejemplo) se clasifica como "impulso tecnológico". Además, una demostración espacial se refiere al vuelo espacial de una versión a escala de una tecnología en particular o de un subsistema de tecnología crítica. Por otro lado, una validación espacial serviría como vuelo de calificación para la implementación futura de la misión. Un vuelo de validación exitoso no requeriría ninguna prueba espacial adicional de una tecnología en particular antes de que pueda ser adoptada para una misión científica o de exploración.

Dominios operativos

Las naves espaciales operan en muchas áreas del espacio. Estos incluyen maniobras orbitales, viajes interplanetarios y viajes interestelares.

Orbital

Artículo principal: Mecánica orbital

Los satélites artificiales se lanzan primero a la altitud deseada mediante cohetes convencionales de propulsión líquida / sólida, después de lo cual el satélite puede utilizar sistemas de propulsión a bordo para el mantenimiento de la estación orbital. Una vez en la órbita deseada, a menudo necesitan algún tipo de control de actitud para que apunten correctamente con respecto a la Tierra, el Sol y posiblemente algún objeto astronómico de interés. También están sujetos al arrastre de la fina atmósfera, por lo que para permanecer en órbita durante un largo período de tiempo, ocasionalmente es necesario algún tipo de propulsión para hacer pequeñas correcciones ( mantenimiento de la posición orbital ). Muchos satélites deben moverse de una órbita a otra de vez en cuando, y esto también requiere propulsión. La vida útil de un satélite suele terminar una vez que ha agotado su capacidad para ajustar su órbita.

Interplanetario

Artículo principal: Vuelo espacial interplanetario

Para viajes interplanetarios, una nave espacial puede usar sus motores para salir de la órbita de la Tierra. No es explícitamente necesario ya que el impulso inicial dado por el cohete, el tirachinas de gravedad, el sistema de propulsión de control de actitud monopropelente / bipropelente son suficientes para la exploración del sistema solar (ver Nuevos Horizontes ). Una vez que lo haya hecho, de alguna manera debe llegar a su destino. Las naves espaciales interplanetarias actuales hacen esto con una serie de ajustes de trayectoria a corto plazo. Entre estos ajustes, la nave espacial simplemente se mueve a lo largo de su trayectoria sin acelerar. El medio más eficiente en combustible para pasar de una órbita circular a otra es con una órbita de transferencia de Hohmann : la nave espacial comienza en una órbita aproximadamente circular alrededor del Sol. Un breve período de empuje en la dirección del movimiento acelera o desacelera la nave espacial en una órbita elíptica alrededor del Sol que es tangencial a su órbita anterior y también a la órbita de su destino. La nave cae libremente a lo largo de esta órbita elíptica hasta llegar a su destino, donde otro breve período de empuje la acelera o desacelera para igualar la órbita de su destino. A veces se utilizan métodos especiales como el aerofrenado o la aerocaptura para este ajuste orbital final.

Concepto artístico de una vela solar

Algunos métodos de propulsión de naves espaciales, como las velas solares, proporcionan un empuje muy bajo pero inagotable; un vehículo interplanetario que utilice uno de estos métodos seguiría una trayectoria bastante diferente, ya sea empujando constantemente en contra de su dirección de movimiento para disminuir su distancia del Sol o empujando constantemente a lo largo de su dirección de movimiento para aumentar su distancia del Sol. El concepto ha sido probado con éxito por la nave espacial japonesa de vela solar IKAROS.

Interestelar

Artículo principal: viaje interestelar

Aún no se ha construido ninguna nave espacial capaz de realizar viajes interestelares de corta duración (en comparación con la vida humana), pero se han discutido muchos diseños hipotéticos. Debido a que las distancias interestelares son muy grandes, se necesita una velocidad tremenda para llevar una nave espacial a su destino en un período de tiempo razonable. Adquirir tal velocidad en el lanzamiento y deshacerse de ella al llegar sigue siendo un desafío formidable para los diseñadores de naves espaciales.

Tecnología de propulsión

Las áreas de tecnología se dividen en cuatro grupos básicos: (1) propulsión química, (2) propulsión no química, (3) tecnologías de propulsión avanzadas y (4) tecnologías de apoyo; basado en la física del sistema de propulsión y cómo deriva el empuje, así como su madurez técnica. Además, puede haber conceptos meritorios creíbles de propulsión en el espacio no previstos o revisados ​​en el momento de la publicación, y que pueden resultar beneficiosos para futuras aplicaciones de misiones.

Propulsión química

Una gran parte de los motores de cohetes que se utilizan en la actualidad son cohetes químicos ; es decir, obtienen la energía necesaria para generar empuje mediante reacciones químicas para crear un gas caliente que se expande para producir empuje. Una limitación significativa de la propulsión química es que tiene un impulso específico relativamente bajo (Isp), que es la relación entre el empuje producido y la masa de propelente necesaria a una cierta tasa de flujo.

El propulsor de iones NSTAR de 2,3 kW de la NASA para la nave espacial Deep Space 1 durante una prueba de fuego caliente en el Laboratorio de Propulsión a Chorro.

Se puede obtener una mejora significativa (superior al 30%) en el impulso específico utilizando propelentes criogénicos, como oxígeno líquido e hidrógeno líquido, por ejemplo. Históricamente, estos propulsores no se han aplicado más allá de las etapas superiores. Además, numerosos conceptos de tecnologías avanzadas de propulsión, como la propulsión eléctrica, se utilizan comúnmente para el mantenimiento de estaciones en satélites de comunicaciones comerciales y para la propulsión principal en algunas misiones espaciales científicas porque tienen valores significativamente más altos de impulso específico. Sin embargo, generalmente tienen valores de empuje muy pequeños y, por lo tanto, deben operarse durante períodos prolongados para proporcionar el impulso total requerido por una misión.

Varias de estas tecnologías ofrecen un rendimiento significativamente mejor que el que se puede lograr con la propulsión química.

El Centro de Investigación Glenn tiene como objetivo desarrollar tecnologías de propulsión primaria que podrían beneficiar a las misiones científicas a corto y medio plazo al reducir los costos, la masa y / o los tiempos de viaje. Las arquitecturas de propulsión de particular interés para el GRC son los sistemas de propulsión eléctrica, como los propulsores Ion y Hall. Un sistema combina velas solares, una forma de propulsión sin propulsor que se basa en la luz de las estrellas de origen natural para la energía de propulsión, y propulsores Hall. Otras tecnologías de propulsión que se están desarrollando incluyen la propulsión química avanzada y la aerocaptura.

Motores de reacción

Artículo principal: motor de reacción

Los motores de reacción producen empuje expulsando la masa de reacción, de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Newton. Esta ley del movimiento se parafrasea más comúnmente como: "Para cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual, pero opuesta".

Los ejemplos incluyen motores a reacción, motores de cohetes, bombas de chorro y variaciones más poco comunes, como propulsores de efecto Hall, motores de iones, motores de masa y propulsión de pulso nuclear.

Motores de cohetes

Artículo principal: motor de cohete SpaceX 's motor Kestrel se prueba

La mayoría de los motores de cohetes son motores térmicos de combustión interna (aunque existen formas no combustibles). Los motores de cohetes generalmente producen una masa de reacción a alta temperatura, como un gas caliente. Esto se logra mediante la combustión de un combustible sólido, líquido o gaseoso con un oxidante dentro de una cámara de combustión. A continuación, se deja escapar el gas extremadamente caliente a través de una boquilla de alta relación de expansión. Esta boquilla en forma de campana es lo que le da a un motor cohete su forma característica. El efecto de la boquilla es acelerar drásticamente la masa, convirtiendo la mayor parte de la energía térmica en energía cinética. Son comunes las velocidades de escape que alcanzan hasta 10 veces la velocidad del sonido al nivel del mar.

Los motores de cohete proporcionan esencialmente los poderes específicos más altos y los empujes específicos más altos de cualquier motor utilizado para la propulsión de naves espaciales.

Los cohetes de propulsión de iones pueden calentar un plasma o gas cargado dentro de una botella magnética y liberarlo a través de una boquilla magnética, de modo que ninguna materia sólida tenga que entrar en contacto con el plasma. Por supuesto, la maquinaria para hacer esto es compleja, pero la investigación sobre la fusión nuclear ha desarrollado métodos, algunos de los cuales se han propuesto para su uso en sistemas de propulsión, y otros se han probado en un laboratorio.

Consulte Motor de cohete para obtener una lista de varios tipos de motores de cohete que utilizan diferentes métodos de calentamiento, incluidos químicos, eléctricos, solares y nucleares.

Propulsión no química

Propulsión electromagnética

Este motor de prueba acelera los iones utilizando fuerzas electrostáticas. Artículo principal: propulsión de naves espaciales con propulsión eléctrica

En lugar de depender de la alta temperatura y la dinámica de fluidos para acelerar la masa de reacción a altas velocidades, existe una variedad de métodos que utilizan fuerzas electrostáticas o electromagnéticas para acelerar la masa de reacción directamente. Por lo general, la masa de reacción es una corriente de iones. Un motor de este tipo normalmente utiliza energía eléctrica, primero para ionizar átomos y luego para crear un gradiente de voltaje para acelerar los iones a altas velocidades de escape.

La idea de la propulsión eléctrica se remonta a 1906, cuando Robert Goddard consideró la posibilidad en su cuaderno personal. Konstantin Tsiolkovsky publicó la idea en 1911.

Para estas unidades, a las velocidades de escape más altas, la eficiencia energética y el empuje son todos inversamente proporcionales a la velocidad de escape. Su velocidad de escape muy alta significa que requieren grandes cantidades de energía y, por lo tanto, con fuentes de energía prácticas, proporcionan un empuje bajo, pero apenas usan combustible.

Para algunas misiones, particularmente razonablemente cerca del Sol, la energía solar puede ser suficiente, y se ha utilizado con mucha frecuencia, pero para otras más alejadas o con mayor potencia, la energía nuclear es necesaria; Los motores que obtienen su energía de una fuente nuclear se denominan cohetes eléctricos nucleares.

Con cualquier fuente actual de energía eléctrica, química, nuclear o solar, la cantidad máxima de energía que se puede generar limita la cantidad de empuje que se puede producir a un valor pequeño. La generación de energía agrega una masa significativa a la nave espacial y, en última instancia, el peso de la fuente de energía limita el rendimiento del vehículo.

Los generadores de energía nuclear actuales pesan aproximadamente la mitad del peso de los paneles solares por vatio de energía suministrada, a distancias terrestres del Sol. Los generadores de energía química no se utilizan debido a que la energía total disponible es mucho menor. La energía transmitida a la nave espacial muestra cierto potencial.

Propulsor Hall de 6 kW en funcionamiento en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.

Algunos métodos electromagnéticos:

En los propulsores electrotérmicos y electromagnéticos, tanto los iones como los electrones se aceleran simultáneamente, no se requiere neutralizador.

Sin masa de reacción interna

Estudio de la NASA de una vela solar. La vela tendría medio kilómetro de ancho.

La ley de conservación de la cantidad de movimiento suele implicar que cualquier motor que no utilice masa de reacción no puede acelerar el centro de masa de una nave espacial (por otro lado, es posible cambiar de orientación). Pero el espacio no está vacío, especialmente el espacio dentro del Sistema Solar; hay campos de gravitación, campos magnéticos, ondas electromagnéticas, viento solar y radiación solar. Se sabe que las ondas electromagnéticas en particular contienen impulso, a pesar de no tener masa; específicamente, la densidad de flujo de cantidad de movimiento P de una onda EM es cuantitativamente 1 / c ^ 2 veces el vector de Poynting S, es decir, P = S / c ^ 2, donde c es la velocidad de la luz. Los métodos de propulsión de campo que no se basan en la masa de reacción deben intentar aprovechar este hecho acoplándose a un campo portador de impulso, como una onda EM, que existe en las proximidades de la nave. Sin embargo, debido a que muchos de estos fenómenos son de naturaleza difusa, las estructuras de propulsión correspondientes deben ser proporcionalmente grandes.

Hay varias unidades espaciales diferentes que necesitan poca o ninguna masa de reacción para funcionar. Un sistema de propulsión con correa emplea un cable largo con una alta resistencia a la tracción para cambiar la órbita de una nave espacial, por ejemplo, mediante la interacción con el campo magnético de un planeta o mediante el intercambio de impulso con otro objeto. Las velas solares dependen de la presión de radiación de la energía electromagnética, pero requieren una gran superficie de recolección para funcionar de manera efectiva. La vela magnética desvía las partículas cargadas del viento solar con un campo magnético, impartiendo impulso a la nave espacial. Una variante es el sistema de propulsión de plasma mini-magnetosférico, que utiliza una pequeña nube de plasma contenida en un campo magnético para desviar las partículas cargadas del Sol. Una vela E usaría cables muy delgados y livianos que sostienen una carga eléctrica para desviar estas partículas y puede tener una direccionalidad más controlable.

Como prueba de concepto, NanoSail-D se convirtió en el primer nanosatélite en orbitar la Tierra. En agosto de 2017, la NASA confirmó que el proyecto de velas solares Sunjammer se concluyó en 2014 con lecciones aprendidas para futuros proyectos de velas espaciales. Cubesail será la primera misión en demostrar la navegación solar en órbita terrestre baja, y la primera misión en demostrar el control total de la actitud de tres ejes de una vela solar.

Japón también lanzó su propia nave espacial IKAROS impulsada por velas solares en mayo de 2010. IKAROS demostró con éxito la propulsión y la guía y todavía está volando hoy.

Un satélite u otro vehículo espacial está sujeto a la ley de conservación del momento angular, que limita a un cuerpo a sufrir un cambio neto en la velocidad angular. Por tanto, para que un vehículo cambie su orientación relativa sin gastar masa de reacción, otra parte del vehículo puede girar en la dirección opuesta. Las fuerzas externas no conservadoras, principalmente gravitacionales y atmosféricas, pueden contribuir hasta varios grados por día al momento angular, por lo que los sistemas secundarios están diseñados para "purgar" las energías rotacionales no deseadas acumuladas con el tiempo. En consecuencia, muchas naves espaciales utilizan ruedas de reacción o giroscopios de momento de control para controlar la orientación en el espacio.

Una honda gravitacional puede llevar una sonda espacial hacia otros destinos sin el gasto de masa de reacción. Aprovechando la energía gravitacional de otros objetos celestes, la nave espacial puede captar energía cinética. Sin embargo, se puede obtener aún más energía de la asistencia por gravedad si se utilizan cohetes.

La propulsión por haz es otro método de propulsión sin masa de reacción. La propulsión con vigas incluye velas impulsadas por láser, microondas o rayos de partículas.

Tecnología de propulsión avanzada

Las tecnologías de propulsión avanzadas, y en algunos casos teóricas, pueden utilizar la física química o no química para producir empuje, pero generalmente se considera que tienen una madurez técnica más baja y desafíos que no se han superado. Tanto para la exploración humana como para la robótica, atravesar el sistema solar es una lucha contra el tiempo y la distancia. Los planetas más distantes están a 4.5-6 mil millones de kilómetros del Sol y para llegar a ellos en un tiempo razonable se requieren sistemas de propulsión mucho más capaces que los cohetes químicos convencionales. Las misiones rápidas del sistema solar interior con fechas de lanzamiento flexibles son difíciles y requieren sistemas de propulsión que están más allá del estado actual de la técnica actual. La logística y, por lo tanto, la masa total del sistema necesaria para respaldar la exploración humana sostenida más allá de la Tierra hacia destinos como la Luna, Marte u Objetos Cercanos a la Tierra, son abrumadoras a menos que se desarrollen y utilicen tecnologías de propulsión en el espacio más eficientes.

Concepción artística de un diseño de impulsión warp

Se ha considerado una variedad de técnicas de propulsión hipotéticas que requieren una comprensión más profunda de las propiedades del espacio, particularmente los marcos inerciales y el estado de vacío. Hasta la fecha, estos métodos son muy especulativos e incluyen:

Una evaluación de la NASA de su Breakthrough Propulsion Physics Program divide tales propuestas en aquellas que no son viables para propósitos de propulsión, aquellas que tienen un potencial incierto y aquellas que no son imposibles según las teorías actuales.

Tabla de métodos

A continuación se muestra un resumen de algunas de las tecnologías probadas más populares, seguidas de métodos cada vez más especulativos.

Se muestran cuatro números. La primera es la velocidad de escape efectiva : la velocidad equivalente a la que el propulsor abandona el vehículo. Ésta no es necesariamente la característica más importante del método de propulsión; El empuje y el consumo de energía y otros factores pueden serlo. Sin embargo:

  • si el delta-v es mucho mayor que la velocidad de escape, entonces son necesarias cantidades exorbitantes de combustible (consulte la sección de cálculos, más arriba)
  • si es mucho más que delta-v, entonces se necesita proporcionalmente más energía; si la potencia es limitada, como con la energía solar, esto significa que el viaje toma un tiempo proporcionalmente más largo

El segundo y el tercero son las cantidades típicas de empuje y los tiempos de combustión típicos del método. Fuera de un potencial gravitacional, pequeñas cantidades de empuje aplicadas durante un período prolongado producirán el mismo efecto que grandes cantidades de empuje durante un período corto. (Este resultado no se aplica cuando el objeto está significativamente influenciado por la gravedad).

El cuarto es el delta-v máximo que puede dar esta técnica (sin estadificación). Para los sistemas de propulsión tipo cohete, esto es una función de la fracción de masa y la velocidad de escape. La fracción de masa para sistemas similares a cohetes generalmente está limitada por el peso del sistema de propulsión y el peso del tanque. Para que un sistema logre este límite, normalmente la carga útil puede necesitar ser un porcentaje insignificante del vehículo, por lo que el límite práctico en algunos sistemas puede ser mucho menor.

Métodos de propulsión
Método Velocidad de escape efectiva (km / s) Empuje (N) Duración de la cocción Delta-v máximo (km / s) Nivel de preparación tecnológica
Cohete de combustible sólido lt;2,5 lt;10 7 Minutos 7 9: Vuelo probado
Cohete híbrido lt;4 Minutos gt; 3 9: Vuelo probado
Cohete monopropelente 1-3 0,1 - 400 Milisegundos - minutos 3 9: Vuelo probado
Cohete de combustible líquido lt;4,4 lt;10 7 Minutos 9 9: Vuelo probado
Propulsor de iones electrostáticos 15 - 210 Meses - años gt; 100 9: Vuelo probado
Propulsor de efecto Hall (HET) hasta 50 Meses - años gt; 100 9: Vuelo probado
Cohete Resistojet 2-6 10 -2 - 10 Minutos ? 8: Vuelo calificado
Cohete Arcjet 4 - 16 10 -2 - 10 Minutos ? 8: Vuelo calificado
Propulsión eléctrica por emisión de campo (FEEP) 100 - 130 10 -6 - 10 -3 Meses - años ? 8: Vuelo calificado
Propulsor de plasma pulsado (PPT) 20 0,1 80 - 400 días ? 7: Prototipo demostrado en el espacio
Cohete de propulsión de modo dual 1 - 4,7 0,1 - 10 7 Milisegundos - minutos 3-9 7: Prototipo demostrado en el espacio
Velas solares 299 792, ligero 9,08 / km 2 en 1  AU 908 / km 2 a 0,1 AU 10 -10 / km 2 a 4 ly Indefinido gt; 40
  • 9: Vuelo probado con control de actitud a presión ligera
  • 6: Modelo, 196 m 2 1,12 mN 400 m / s delta-v demostrado en el espacio interplanetario
Cohete tripropelente 2.5 - 5.3 0,1 - 10 7 Minutos 9 6: Prototipo demostrado en tierra
Propulsor magnetoplasmadynamic (MPD) 20 - 100 100 Semanas ? 6: Modelo, 1 kW demostrado en el espacio
Cohete nuclear-térmico 9 10 7 Minutos gt; 20 6: Prototipo demostrado en tierra
Propulsores conductores de masas 0 - 30 10 4 - 10 8 Meses ? 6: Modelo, 32 MJ demostrado en tierra
Propulsión de Tether N / A 1 - 10 12 Minutos 7 6: Modelo, 31,7 km demostrados en el espacio
Cohete de aire aumentado 5-6 0,1 - 10 7 Segundos - minutos gt; 7? 6: Prototipo demostrado en tierra
Motor de ciclo líquido-aire 4.5 10 3 - 10 7 Segundos - minutos ? 6: Prototipo demostrado en tierra
Propulsor inductivo pulsado (PIT) 10 - 80 20 Meses ? 5: Componente validado en vacío
Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR) 10 - 300 40 - 1200 Días - meses gt; 100 5: Componente, 200 kW validado en vacío
Propulsor amplificado oscilante de campo magnético 10 - 130 0,1 - 1 Días - meses gt; 100 5: Componente validado en vacío
Cohete solar-térmico 7 - 12 1 - 100 Semanas gt; 20 4: Componente validado en laboratorio
Cohete de radioisótopos / propulsor de vapor 7 - 8 1,3 - 1,5 Meses ? 4: Componente validado en laboratorio
Cohete nuclear-eléctrico Como método de propulsión eléctrica utilizado 4: Componente, 400 kW validado en laboratorio
Proyecto Orion ( propulsión de pulso nuclear a corto plazo) 20 - 100 10 9 - 10 12 Dias 30 - 60 3: prueba de concepto validada de 900 kg
Ascensor espacial N / A N / A Indefinido gt; 12 3: prueba de concepto validada
Motores de reacción SABRE 30 / 4.5 0,1 - 10 7 Minutos 9.4 3: prueba de concepto validada
Velas electricas 145 - 750, viento solar ? Indefinido gt; 40 3: prueba de concepto validada
Velas magnéticas 145 - 750, viento solar 2 / t Indefinido ? 3: prueba de concepto validada
Propulsión de plasma mini-magnetosférico 200 1 / kW Meses ? 3: prueba de concepto validada
Alimentado por haz / láser Como método de propulsión impulsado por haz 3: Prueba de concepto validada de 71 m
Bucle de lanzamiento / anillo orbital N / A 10 4 Minutos 11 - 30 2: Concepto de tecnología formulado
Propulsión nuclear de pulso ( Proyecto Daedalus unidad ') 20 - 1.000 10 9 - 10 12 Años 15.000 2: Concepto de tecnología formulado
Cohete reactor de núcleo de gas 10 - 20 10 3 - 10 6 ? ? 2: Concepto de tecnología formulado
Cohete nuclear de agua salada 100 10 3 - 10 7 Media hora ? 2: Concepto de tecnología formulado
Vela de fisión ? ? ? ? 2: Concepto de tecnología formulado
Cohete de fragmentos de fisión 15.000 ? ? ? 2: Concepto de tecnología formulado
Cohete fotónico-nuclear / Cohete de fotones 299,792 10 -5 - 1 Años - décadas ? 2: Concepto de tecnología formulado
Cohete de fusión 100 - 1000 ? ? ? 2: Concepto de tecnología formulado
Propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria 200 - 4.000 ? Días - semanas ? 2: Concepto de tecnología formulado
Cohete de antimateria 10,000 - 100,000 ? ? ? 2: Concepto de tecnología formulado
Estatorreactor Bussard 2,2 - 20 000 ? Indefinido 30.000 2: Concepto de tecnología formulado
Método Velocidad de escape efectiva (km / s) Empuje (N) Duración de la cocción Delta-v máximo (km / s) Nivel de preparación tecnológica

Pruebas

Los sistemas de propulsión de naves espaciales a menudo se prueban estáticamente primero en la superficie de la Tierra, dentro de la atmósfera, pero muchos sistemas requieren una cámara de vacío para probarlos por completo. Los cohetes generalmente se prueban en una instalación de prueba de motores de cohetes lejos de las viviendas y otros edificios por razones de seguridad. Los accionamientos de iones son mucho menos peligrosos y requieren una seguridad mucho menos estricta, por lo general solo se necesita una cámara de vacío de gran tamaño.

Se pueden encontrar ubicaciones de pruebas estáticas famosas en las instalaciones de pruebas en tierra de Rocket

Algunos sistemas no pueden probarse adecuadamente en tierra y los lanzamientos de prueba pueden emplearse en un sitio de lanzamiento de cohetes.

Propulsión planetaria y atmosférica

Una prueba exitosa de prueba de concepto de Lightcraft, un subconjunto de propulsión de haz.

Mecanismos de asistencia al lanzamiento

Artículo principal: Lanzamiento espacial

Se han propuesto muchas ideas para los mecanismos de asistencia al lanzamiento que tienen el potencial de reducir drásticamente el costo de entrar en órbita. Los mecanismos propuestos de asistencia para el lanzamiento espacial que no son de cohetes incluyen:

Motores que respiran aire

Artículos principales: Motor a reacción y propulsión eléctrica con respiración de aire.

Los estudios generalmente muestran que los motores de respiración de aire convencionales, como los estatorreactores o los turborreactores, son básicamente demasiado pesados ​​(tienen una relación empuje / peso demasiado baja) para proporcionar una mejora significativa en el rendimiento cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. Sin embargo, los vehículos de lanzamiento pueden lanzarse por aire desde vehículos elevadores separados (por ejemplo, B-29, Pegasus Rocket y White Knight ) que sí usan tales sistemas de propulsión. También se podrían utilizar motores a reacción montados en un riel de lanzamiento.

Por otro lado, se han propuesto motores muy ligeros o de muy alta velocidad que aprovechan el aire durante el ascenso:

  • SABRE : un turborreactor ligero de hidrógeno con preenfriador
  • ATREX : un turborreactor ligero de hidrógeno con preenfriador
  • Motor de ciclo de aire líquido : un motor a reacción de hidrógeno que licua el aire antes de quemarlo en un motor de cohete.
  • Scramjet : motores a reacción que utilizan combustión supersónica
  • Shcramjet : similar a un motor scramjet, sin embargo, aprovecha las ondas de choque producidas por la aeronave en la cámara de combustión para ayudar a aumentar la eficiencia general.

Los vehículos de lanzamiento de cohetes normales vuelan casi verticalmente antes de volcar a una altitud de algunas decenas de kilómetros antes de arder lateralmente para entrar en órbita; este ascenso vertical inicial desperdicia propulsor, pero es óptimo ya que reduce en gran medida el arrastre de aire. Los motores que respiran aire queman el propulsor de manera mucho más eficiente y esto permitiría una trayectoria de lanzamiento mucho más plana, los vehículos normalmente volarían aproximadamente tangencialmente a la superficie de la Tierra hasta dejar la atmósfera y luego realizar una combustión del cohete para unir el delta-v final a la velocidad orbital.

Para las naves espaciales que ya se encuentran en órbita muy baja, la propulsión eléctrica que respira aire usaría gases residuales en la atmósfera superior como propulsor. La propulsión eléctrica que respira aire podría hacer factible una nueva clase de misiones de larga duración y de baja órbita en la Tierra, Marte o Venus.

Llegada y aterrizaje planetario

Artículo principal: Entrada atmosférica Una versión de prueba del sistema de airbag Mars Pathfinder

Cuando un vehículo va a entrar en órbita alrededor de su planeta de destino, o cuando va a aterrizar, debe ajustar su velocidad. Esto se puede hacer usando todos los métodos enumerados anteriormente (siempre que puedan generar un empuje lo suficientemente alto), pero hay algunos métodos que pueden aprovechar las atmósferas y / o superficies planetarias.

  • El aerofrenado permite que una nave espacial reduzca el punto alto de una órbita elíptica mediante repetidos roces con la atmósfera en el punto bajo de la órbita. Esto puede ahorrar una cantidad considerable de combustible porque se necesita mucho menos delta-V para entrar en una órbita elíptica en comparación con una órbita circular baja. Debido a que el frenado se realiza en el transcurso de muchas órbitas, el calentamiento es comparativamente menor y no se requiere un escudo térmico. Esto se ha hecho en varias misiones a Marte, como Mars Global Surveyor, 2001 Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter, y al menos una misión de Venus, Magellan.
  • Aerocapture es una maniobra mucho más agresiva, que convierte una órbita hiperbólica entrante en una órbita elíptica en una sola pasada. Esto requiere un escudo térmico y una navegación mucho más complicada, porque debe completarse en una pasada a través de la atmósfera y, a diferencia del aerofrenado, no es posible obtener una vista previa de la atmósfera. Si la intención es permanecer en órbita, entonces se requiere al menos una maniobra propulsora más después de la aerocaptura; de lo contrario, el punto bajo de la órbita resultante permanecerá en la atmósfera, lo que resultará en un eventual reingreso. La aerocaptura aún no se ha probado en una misión planetaria, pero el salto de reingreso de Zond 6 y Zond 7 al regreso lunar fueron maniobras de aerocaptura, porque convirtieron una órbita hiperbólica en una órbita elíptica. En estas misiones, debido a que no hubo ningún intento de elevar el perigeo después de la aerocaptura, la órbita resultante aún se cruzó con la atmósfera y se produjo el reingreso en el siguiente perigeo.
  • Un ballute es un dispositivo de arrastre inflable.
  • Los paracaídas pueden aterrizar una sonda en un planeta o luna con atmósfera, generalmente después de que la atmósfera haya eliminado la mayor parte de la velocidad, utilizando un escudo térmico.
  • Los airbags pueden suavizar el aterrizaje final.
  • El frenado litoral, o detenerse al impactar la superficie, generalmente se realiza por accidente. Sin embargo, se puede hacer deliberadamente con la sonda que se espera que sobreviva (ver, por ejemplo, Deep Impact (nave espacial) ), en cuyo caso se requieren sondas muy resistentes.

En ficción

Artículo principal: Los viajes espaciales en la ciencia ficción § Métodos de viaje

En la ciencia ficción, las naves espaciales utilizan varios medios para viajar, algunos de ellos científicamente plausibles (como velas solares o ramjets), otros, en su mayoría o totalmente ficticios (como antigravedad, warp drive, spindizzy o viajes hiperespaciales ).

Ver también

Referencias

enlaces externos

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