Un sistema de lanzamiento reutilizable es un sistema de lanzamiento que permite la reutilización de algunas o todas las etapas de los componentes. Hasta la fecha, se han volado varios sistemas suborbitales totalmente reutilizables y sistemas orbitales parcialmente reutilizables .
El primer vehículo de lanzamiento reutilizable que alcanzó la órbita fue el Transbordador Espacial (en 1981), que no logró el objetivo previsto de reducir los costos de lanzamiento por debajo de los de los sistemas de lanzamiento desechables .
Durante el siglo XXI, el interés comercial en los sistemas de lanzamiento reutilizables ha crecido considerablemente, con varios lanzadores activos. El CEO de SpaceX , Elon Musk, ha dicho que si uno puede descubrir cómo reutilizar cohetes como aviones, el costo de acceso al espacio se reducirá hasta en un factor de cien. [1] El cohete Falcon 9 de SpaceX tiene una primera etapa y una cápsula reutilizables (para vuelos de Dragon ) y una segunda etapa desechable. Spaceship Company ha volado aviones espaciales suborbitales reutilizables , y el cohete suborbital Blue Origin New Shepard tiene primeras etapas recuperables y cápsulas de tripulación .
Configuraciones
Los sistemas de lanzamiento reutilizables pueden ser total o parcialmente reutilizables.
Sistemas de lanzamiento totalmente reutilizables
Los sistemas completamente reutilizables pueden ser de una sola etapa a órbita (SSTO), así como múltiples ( dos o tres ) etapas a sistemas en órbita. Los sistemas totalmente reutilizables aún no han demostrado ser viables; Los sistemas teóricos de una sola etapa y la segunda etapa de los diseños de múltiples etapas parcialmente reutilizables existentes aún no son reutilizables.
Se han cancelado los planes para que la segunda etapa del Falcon 9 sea reutilizable, creando un sistema completamente reutilizable. La nave espacial SpaceX se está diseñando como un sistema de lanzamiento totalmente reutilizable.
Sistemas de lanzamiento parcialmente reutilizables
Los sistemas de lanzamiento reutilizables parciales, en forma de sistemas de múltiples etapas para orbitar, han sido hasta ahora las únicas configuraciones reutilizables en uso.
Etapas de despegue
Los sistemas de lanzamiento reutilizables existentes utilizan un despegue vertical propulsado por cohetes .
Aparte de eso , se ha propuesto y explorado una gama de sistemas de despegue sin cohetes a lo largo del tiempo como sistemas reutilizables para despegue, desde globos [2] [ ¿relevante? ] a los ascensores espaciales . Los ejemplos existentes son los sistemas que emplean un despegue impulsado por un motor a reacción horizontal con alas. Dicha aeronave puede lanzar cohetes desechables al aire y, por lo tanto, puede considerarse como sistemas parcialmente reutilizables si se considera que la aeronave es la primera etapa del vehículo de lanzamiento. Un ejemplo de esta configuración es el Orbital Sciences Pegasus . Para el vuelo suborbital SpaceShipTwo utiliza para el despegue de un avión portador, su nodriza la Scaled Composites White Knight Two .
Etapas de inserción orbitaria
Hasta ahora, los sistemas de lanzamiento logran la inserción orbital con cohetes de múltiples etapas , particularmente con la segunda y tercera etapas. Solo el transbordador espacial ha logrado una reutilización parcial de la etapa de inserción orbital, utilizando los motores de su orbitador .
Orbitador reutilizable
Los sistemas de lanzamiento se pueden combinar con orbitadores reutilizables. El orbitador del transbordador espacial , SpaceShipTwo y el RLV-TD indio que se está probando son ejemplos de un vehículo espacial reutilizable (un avión espacial ), así como una parte de su sistema de lanzamiento.
De manera más contemporánea, el sistema de lanzamiento Falcon 9 ha llevado vehículos reutilizables como el Dragon 2 y el X-37 , transportando dos vehículos reutilizables al mismo tiempo.
Los vehículos orbitales reutilizables contemporáneos incluyen el X-37, el Dream Chaser , el Dragon 2, el Indian RLV-TD y el próximo European Space Rider (sucesor del IXV ).
Al igual que con los vehículos de lanzamiento, todas las naves espaciales puras durante las primeras décadas de capacidad humana para realizar vuelos espaciales fueron diseñadas para ser artículos de un solo uso. Esto fue cierto tanto para los satélites como para las sondas espaciales destinadas a dejarse en el espacio durante mucho tiempo, así como para cualquier objeto diseñado para regresar a la Tierra, como las cápsulas espaciales transportadas por humanos o los recipientes de retorno de muestras de misiones de recolección de materia espacial como Stardust ( 1999-2006) [3] o Hayabusa (2005-2010). [4] [5] Las excepciones a la regla general para los vehículos espaciales fueron el Gemini SC-2 de EE. UU. , La nave espacial de la Unión Soviética Vozvraschaemyi Apparat (VA) , el orbitador del transbordador espacial de EE. UU. (Mediados de la década de 1970 y 2011, con 135 vuelos entre 1981 y 2011) y el Buran soviético (1980-1988, con solo un vuelo de prueba sin tripulación en 1988). Ambas naves espaciales también eran una parte integral del sistema de lanzamiento (proporcionando aceleración de lanzamiento) y operaban como naves espaciales de duración media en el espacio . Esto comenzó a cambiar a mediados de la década de 2010.
En la década de 2010, la cápsula de carga de transporte espacial de uno de los proveedores que reabastecía la Estación Espacial Internacional se diseñó para su reutilización, y después de 2017, [6] la NASA comenzó a permitir la reutilización de la nave espacial de carga SpaceX Dragon en estas rutas de transporte contratadas por la NASA. . Este fue el comienzo del diseño y operación de un vehículo espacial reutilizable .
Desde entonces también las cápsulas de Boeing Starliner reducen su velocidad de caída con paracaídas y despliegan un airbag poco antes de aterrizar en el suelo, con el fin de recuperar y reutilizar el vehículo.
A partir de 2020[actualizar], SpaceX está construyendo y probando actualmente la nave espacial Starship para que sea capaz de sobrevivir a múltiples reentradas hipersónicas a través de la atmósfera para que se conviertan en naves espaciales de larga duración verdaderamente reutilizables; aún no se han realizado vuelos de reutilización de Starship.
Sistemas de entrada
Escudo térmico
Con posibles escudos térmicos inflables , desarrollados por los EE. UU. (Desacelerador inflable de prueba de vuelo en órbita terrestre baja - LOFTID) [7] y China, [8] se considera que los cohetes de un solo uso como el Sistema de lanzamiento espacial están equipados con tales escudos térmicos para salvar los costosos motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos. [9]
Empuje retrógrado
Los sistemas de lanzamiento como el Falcon 9 emplean para sus etapas reutilizables no solo para aterrizar quemaduras retrógradas, sino también para el reingreso e incluso para quemaduras de retroceso en lugar de solo apuntar a aterrizar hacia abajo .
Sistemas de aterrizaje
Los sistemas reutilizables pueden venir en una o varias etapas ( dos o tres ) para configuraciones de órbita. Para algunas o todas las etapas se pueden emplear los siguientes tipos de sistemas de aterrizaje.
Tipos
Frenado
Estos son sistemas de aterrizaje con paracaídas que emplean y aterrizajes duros reforzados, como en un amerizaje en el mar o en tierra un touchdown.
Aunque tales sistemas han estado en uso desde el comienzo de la astronáutica para recuperar vehículos espaciales, particularmente cápsulas espaciales tripuladas , solo más tarde se han reutilizado los vehículos.
P.ej:
- Impulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial
- Impulsores líquidos recuperables del estudio de crecimiento del transbordador espacial
Horizontal (alado)
Los escenarios únicos o principales, así como los propulsores de retroceso pueden emplear un sistema de aterrizaje horizontal.
Algunos ejemplos son:
- Orbitador del transbordador espacial - como parte del escenario principal
- El propulsor de retorno estudiado del transbordador espacial
- Energia II ("Uragan") : un concepto alternativo de sistema de lanzamiento de Buran
- Liquid Fly-back Booster : un concepto alemán
- Baikal - un antiguo proyecto ruso
- Sistema de refuerzo reutilizable : un proyecto de investigación de EE. UU.
- XS-1 : otro proyecto de investigación de EE. UU.
- RLV-TD : un proyecto indio en curso
- Motores de reacción Skylon SSTO
Una variante es un sistema de remolque de captura en el aire, defendido por una empresa llamada EMBENTION con su proyecto FALCon. [10]
Los vehículos que aterrizan horizontalmente en una pista requieren alas y tren de aterrizaje. Estos suelen consumir alrededor del 9-12% de la masa del vehículo de aterrizaje, [ cita requerida ] lo que reduce la carga útil o aumenta el tamaño del vehículo. Conceptos como los cuerpos de elevación ofrecen cierta reducción en la masa del ala, [ cita requerida ] al igual que la forma del ala delta del transbordador espacial .
Vertical (retrógrado)
Sistemas como el McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) y los de SpaceX son ejemplos de un sistema retrógrado. Los propulsores de Falcon 9 y Falcon Heavy aterrizan usando uno de sus nueve motores. El cohete Falcon 9 es el primer cohete orbital en aterrizar verticalmente su primera etapa en el suelo. Ambas etapas de Starship están planeadas para aterrizar verticalmente.
El aterrizaje retrógrado generalmente requiere alrededor del 10% del propulsor total de la primera etapa, lo que reduce la carga útil que se puede transportar debido a la ecuación del cohete . [11]
Restricciones
Peso extra
Las etapas reutilizables pesan más que las etapas desechables equivalentes . Esto es inevitable debido a los sistemas suplementarios, el tren de aterrizaje y / o el excedente de propulsor necesarios para aterrizar un escenario. La penalización de masa real depende del vehículo y del modo de retorno elegido. [12]
Reacondicionamiento
Después de que aterrice el lanzador, es posible que deba ser restaurado para prepararlo para su próximo vuelo. Este proceso puede ser largo y costoso. Y es posible que el lanzador no pueda volver a certificarse como calificado para humanos después de la renovación. Eventualmente, existe un límite en la cantidad de veces que se puede restaurar un lanzador antes de tener que retirarlo, pero la frecuencia con la que se puede reutilizar una nave espacial difiere significativamente entre los distintos diseños de sistemas de lanzamiento.
Historia
Con el desarrollo de la propulsión de cohetes en la primera mitad del siglo XX, los viajes espaciales se convirtieron en una posibilidad técnica.
Las primeras ideas de un avión espacial reutilizable de una sola etapa resultaron poco realistas y, aunque incluso los primeros vehículos cohete prácticos ( V-2 ) podían llegar a los límites del espacio, la tecnología reutilizable era demasiado pesada. Además, muchos de los primeros cohetes se desarrollaron para transportar armas, lo que hizo imposible su reutilización por diseño. El problema de la eficiencia masiva se superó mediante el uso de múltiples etapas prescindibles en un cohete de múltiples etapas de lanzamiento vertical . La USAF y la NACA habían estado estudiando aviones espaciales reutilizables orbitales desde 1958, por ejemplo, Dyna-Soar , pero las primeras etapas reutilizables no volaron hasta la llegada del transbordador espacial estadounidense en 1981.
siglo 20
Quizás los primeros vehículos de lanzamiento reutilizables fueron los conceptualizados y estudiados por Wernher von Braun desde 1948 hasta 1956. El Von Braun Ferry Rocket sufrió dos revisiones: una en 1952 y otra en 1956. Habrían aterrizado con paracaídas. [13] [14]
El General Dynamics Nexus se propuso en la década de 1960 como un sucesor totalmente reutilizable del cohete Saturno V, con la capacidad de transportar hasta 450-910 t (990.000-2.000.000 lb) a la órbita. [15] [16] Véase también Sea Dragon y Douglas SASSTO .
El BAC Mustard se estudió a partir de 1964. Hubiera comprendido tres aviones espaciales idénticos atados y dispuestos en dos etapas. Durante el ascenso, los dos aviones espaciales exteriores, que formaron la primera etapa, se desprenderían y se deslizarían de regreso individualmente a la tierra. Fue cancelado después del último estudio del diseño en 1967 debido a la falta de fondos para el desarrollo. [17]
La NASA inició el proceso de diseño del Transbordador Espacial en 1968, con la visión de crear un avión espacial completamente reutilizable utilizando un propulsor de retorno con tripulación . Este concepto resultó caro y complejo, por lo que el diseño se redujo a propulsores de cohetes sólidos reutilizables y un tanque externo prescindible . [18] [19] El Shuttle fue más costoso de operar durante sus 30 años de vida de lo que hubiera sido un sistema de lanzamiento prescindible. [ cita requerida ] El transbordador espacial Columbia se lanzó y aterrizó 27 veces y se perdió con toda la tripulación en el 28º intento de aterrizaje; El Challenger se lanzó y aterrizó 9 veces y se perdió con toda la tripulación en el décimo intento de lanzamiento; Discovery se lanzó y aterrizó 39 veces; Atlantis se lanzó y aterrizó 33 veces.
En 1986, el presidente Ronald Reagan pidió un avión aeroespacial nacional scramjet (NASP) / X-30 . El proyecto fracasó debido a problemas técnicos y fue cancelado en 1993. [20]
A finales de la década de 1980 se propuso una versión totalmente reutilizable del cohete Energia , el Energia II. Sus propulsores y núcleo habrían tenido la capacidad de aterrizar por separado en una pista. [21]
En la década de 1990, la propuesta McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO pasó a la fase de prueba. El prototipo DC-X demostró un tiempo de respuesta rápido y control automático por computadora.
A mediados de la década de 1990, la investigación británica desarrolló un diseño HOTOL anterior en el diseño Skylon mucho más prometedor , que sigue en desarrollo.
Desde finales de la década de 1990 hasta la de 2000, la Agencia Espacial Europea estudió la recuperación de los propulsores de cohetes sólidos Ariane 5 . [22] El último intento de recuperación tuvo lugar en 2009. [23]
Las empresas comerciales, Rocketplane Kistler y Rotary Rocket , intentaron construir cohetes reutilizables de desarrollo privado antes de quebrar. [ cita requerida ]
La NASA propuso conceptos reutilizables para reemplazar la tecnología Shuttle, que se demostrará en los programas X-33 y X-34 , que fueron cancelados a principios de la década de 2000 debido al aumento de costos y problemas técnicos.
Siglo 21
El concurso del Premio Ansari X tenía como objetivo desarrollar vehículos privados suborbitales reutilizables. Muchas empresas privadas compitieron, con el ganador, Scaled Composites , llegando a la línea Kármán dos veces en un período de dos semanas con su SpaceShipOne reutilizable .
En 2012, SpaceX inició un programa de pruebas de vuelo con vehículos experimentales . Posteriormente, esto condujo al desarrollo del lanzacohetes reutilizable Falcon 9 . [24]
El 23 de noviembre de 2015, el cohete New Shepard se convirtió en el primer cohete suborbital de despegue vertical y aterrizaje vertical (VTVL) en alcanzar el espacio pasando la línea Kármán (100 km o 62 millas), alcanzando 329,839 pies (100,535 m) antes de regresar. para un aterrizaje propulsor. [25] [26]
SpaceX logró el primer aterrizaje suave vertical de una etapa de cohete orbital reutilizable el 21 de diciembre de 2015, después de entregar 11 satélites comerciales Orbcomm OG-2 en órbita terrestre baja . [27]
La primera reutilización de una primera etapa de Falcon 9 ocurrió el 30 de marzo de 2017. [28] SpaceX ahora recupera y reutiliza rutinariamente sus primeras etapas, así como también reutiliza carenados . [29]
En 2019, Rocket Lab anunció planes para recuperar y reutilizar la primera etapa de su vehículo de lanzamiento Electron , con la intención de usar paracaídas y recuperación en el aire . [30] El 20 de noviembre de 2020, Rocket Lab devolvió con éxito una primera etapa de Electron desde un lanzamiento orbital, la etapa chapoteando suavemente en el Océano Pacífico. [31]
China está investigando la posibilidad de reutilizar el sistema del 8 de marzo largo . [32]
A partir de mayo de 2020[actualizar], los únicos sistemas operativos de lanzamiento de clase orbital reutilizables son el Falcon 9 y el Falcon Heavy , el último de los cuales se basa en el Falcon 9. SpaceX también está desarrollando el sistema de lanzamiento Starship totalmente reutilizable , [33] y Blue Origin está desarrollando su propio cohete orbital parcialmente reutilizable New Glenn , ya que tiene la intención de recuperar y reutilizar solo la primera etapa.
El 5 de octubre de 2020, Roscosmos firmó un contrato de desarrollo para Amur, un nuevo lanzador con una primera etapa reutilizable. [34]
En diciembre de 2020, la ESA firmó contratos para comenzar a desarrollar THEMIS, un prototipo de lanzador de primera etapa reutilizable. [35]
Lista de sistemas de lanzamiento reutilizables
Empresa | Vehículo | País | Tipo | Estado | Notas |
---|---|---|---|---|---|
SpaceX | Halcón 9 | nosotros | Orbital | Operacional | Primera etapa y carenado reutilizables. |
SpaceX | Halcón pesado | nosotros | Orbital | Operacional | Núcleo, refuerzos laterales y carenado reutilizables. |
SpaceX | Nave estelar | nosotros | Orbital | Prototipo | Totalmente reutilizable. |
Laboratorio de cohetes | Electrón | Nueva Zelanda | Orbital | Operacional | Primera etapa recuperada pero aún no reutilizada. |
Laboratorio de cohetes | Neutrón | Nueva Zelanda | Orbital | En desarrollo | Primera etapa reutilizable |
Origen azul | New Shepard | nosotros | Suborbital | En desarrollo | Totalmente reutilizable |
Origen azul | New Glenn | nosotros | Orbital | En desarrollo | Primera etapa reutilizable |
Alianza de lanzamiento unida | Centauro vulcano | nosotros | Orbital | En desarrollo | Módulo de motor de primera etapa reutilizable en un desarrollo posterior. |
galáctica Virgen | Nave espacialDos | nosotros | Suborbital | Prototipo | Diseñado para el turismo espacial. Totalmente reutilizable |
NASA | Transbordador espacial | nosotros | Orbital | Retirado | Orbitador y impulsores laterales reutilizables a un gran costo |
NPO-Energia | Energia-Buran | URSS | Orbital | Retirado | Solo la carga útil del orbitador Buran reutilizable; Lanzador de Energia completamente agotado. |
ISRO | RLV TSTO | India | Orbital | En desarrollo | Two Stage to Orbit con reutilización inicial de la etapa superior y eventual reutilización completa |
Yo-espacio | Hipérbola-2 | porcelana | Orbital | En desarrollo. | Prototipo |
Roscosmos | Amur | Rusia | Orbital | En desarrollo | Prototipo |
ESA | Themis | UE | Orbital | En desarrollo | Prototipo, destinado a la reutilización de la primera etapa |
Ver también
- Nave espacial reutilizable
- Programa de desarrollo del sistema de lanzamiento reutilizable SpaceX
- Avión espacial
- Lista de empresas privadas de vuelos espaciales
- Despegue y aterrizaje
- Vehículo de descenso a Marte
- Vehículo de ascenso a Marte
- Lander lunar
Referencias
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Bibliografía
- Heribert Kuczera, et al .: Sistemas de transporte espacial reutilizables. Springer, Berlín 2011, ISBN 978-3-540-89180-2 .
enlaces externos
- Ilustración de un transbordador espacial en el despegue y Orbiter (Diccionario visual - QAInternational)
- Módulo de aterrizaje lunar