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Un vuelo suborbital es un vuelo espacial en el que la nave espacial alcanza el espacio exterior , pero sus trayectoria corta a la atmósfera o la superficie del cuerpo gravitante de la que se puso en marcha, de manera que no completa un orbital revolución (no se convierta en un artificial satélite ) o alcanzar la velocidad de escape .

Por ejemplo, la trayectoria de un objeto lanzado desde la Tierra que alcanza la línea Kármán (a 100 km (62 millas) sobre el nivel del mar ) y luego vuelve a caer a la Tierra, se considera un vuelo espacial suborbital. Se han realizado algunos vuelos suborbitales para probar naves espaciales y lanzar vehículos destinados posteriormente a vuelos espaciales orbitales . Otros vehículos están diseñados específicamente solo para vuelos suborbitales; los ejemplos incluyen vehículos tripulados, como el X-15 y SpaceShipOne , y los no tripulados, como los misiles balísticos intercontinentales y los cohetes sonoros .

Los vuelos que alcanzan la velocidad suficiente para entrar en órbita terrestre baja y luego desorbitar antes de completar su primera órbita completa, no se consideran suborbitales. Ejemplos de esto incluyen el Vostok 1 de Yuri Gagarin y los vuelos del Sistema de Bombardeo Orbital Fraccional .

Un vuelo que no llega al espacio todavía se llama a veces suborbital , pero no es un "vuelo espacial suborbital". Por lo general, se usa un cohete, pero también se ha logrado un vuelo espacial suborbital experimental con un cañón espacial . [1]

Requisito de altitud [ editar ]

La bala de cañón de Isaac Newton . Los caminos A y B representan una trayectoria suborbital.

Según una definición, un vuelo espacial suborbital alcanza una altitud superior a 100 km (62 millas) sobre el nivel del mar . Esta altitud, conocida como la línea de Kármán, fue elegida por la Fédération Aéronautique Internationale porque es aproximadamente el punto donde un vehículo que vuela lo suficientemente rápido como para sostenerse con sustentación aerodinámica de la atmósfera terrestre volaría más rápido que la velocidad orbital . [2] El ejército de EE. UU. Y la NASA otorgan alas de astronauta a aquellos que vuelan a más de 50 millas (80 km), [3] aunque el Departamento de Estado de EE. UU.parece no apoyar un límite claro entre el vuelo atmosférico y el vuelo espacial . [4]

Órbita [ editar ]

Durante la caída libre, la trayectoria es parte de una órbita elíptica dada por la ecuación de la órbita . La distancia del perigeo es menor que el radio de la Tierra R, incluida la atmósfera, por lo tanto, la elipse se cruza con la Tierra y, por lo tanto, la nave espacial no podrá completar una órbita. El eje mayor es vertical, el semieje mayor a es mayor que R / 2. La energía orbital específica viene dada por:

donde es el parámetro gravitacional estándar .

Casi siempre a < R , correspondiente a un menor que el mínimo para una órbita completa, que es

Por lo tanto, la energía neta extra específica necesaria en comparación con simplemente elevar la nave espacial al espacio está entre 0 y .

Velocidad, alcance y altitud [ editar ]

Para minimizar el delta-v requerido (una medida astrodinámica que determina fuertemente el combustible requerido ), la parte del vuelo a gran altitud se realiza con los cohetes apagados (esto se denomina técnicamente caída libre incluso para la parte ascendente de la trayectoria) . (Compárese con el efecto Oberth .) La velocidad máxima en un vuelo se alcanza a la altitud más baja de esta trayectoria de caída libre, tanto al inicio como al final de la misma.

Si el objetivo de uno 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.

Compare esto con los vuelos espaciales orbitales: una órbita terrestre baja (LEO), con una altitud de unos 300 km, necesita una velocidad de unos 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 km de altura a partir de un punto estacionario como el Polo Sur. El mínimo teórico puede ser de hasta 0,46 km / s menos si se lanza hacia el este desde cerca del ecuador.)

Para vuelos espaciales suborbitales que cubren una distancia horizontal, la velocidad máxima y la delta-v requerida se encuentran entre las de un vuelo vertical y un LEO. La velocidad máxima en los extremos inferiores de la trayectoria ahora se componen de un componente horizontal y uno 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 acaba de llegar al espacio pero con un alcance de unos 330 km, la velocidad máxima fue de 1,6 km / s. Composites a escala 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 rangos más grandes, debido a la órbita elíptica, la altitud máxima puede ser mucho mayor que para un LEO. En un vuelo intercontinental de 10.000 km, como el de un misil balístico intercontinental o un posible vuelo espacial comercial futuro , la velocidad máxima es de unos 7 km / s, y la altitud máxima puede ser de más de 1300 km. Cualquier vuelo espacial que regrese a la superficie, incluidos los suborbitales, sufrirá una reentrada atmosférica . 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 solo 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 , asumiendo una Tierra esférica de circunferencia40 000  km y descuidando la rotación y la atmósfera de la Tierra. Sea θ la mitad del ángulo en el que el proyectil debe girar alrededor de la tierra, por lo que en grados es 45 ° × d /10 000  km . La trayectoria mínima delta-v corresponde a una elipse con un foco en el centro de la Tierra y el otro en el punto a medio camino 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):

Tenga en cuenta que la altitud de apogeo se maximiza (a unos 1320 km) para una trayectoria que recorre un cuarto de la vuelta a la Tierra (10 000  km ). Los rangos más largos tendrán apogeos más bajos en la solución mínima delta-v.

(donde g es la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra). El Δ v aumenta con el alcance, estabilizándose a 7,9 km / s a ​​medida que se acerca el alcance.20 000  km (medio mundo). La trayectoria mínima delta-v 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). Vea más abajo para el tiempo de vuelo.

Un misil balístico intercontinental se define como un misil que puede alcanzar un objetivo al menos a 5500 km de distancia y, de acuerdo con la fórmula anterior, esto requiere una velocidad inicial de 6,1 km / s. Aumentar la velocidad a 7,9 km / s para llegar a 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 mínima-delta-v apunta a medio camino entre hacia arriba y 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. [5]

Duración del vuelo [ editar ]

En un vuelo vertical de 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 , es decir, con una velocidad máxima de 1 km / s juntos 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 toma de 3 a 5 minutos, la caída libre (fase de mitad de curso) alrededor de 25 minutos. Para un misil balístico intercontinental, la fase de reentrada atmosférica tarda unos 2 minutos; esto será más largo para cualquier aterrizaje suave, como para un posible vuelo comercial futuro.

Los vuelos suborbitales pueden durar desde segundos hasta días. Pioneer 1 fue la primera sonda espacial de la NASA , destinada a alcanzar la Luna . Una falla parcial hizo que en su lugar siguiera una trayectoria suborbital, volviendo a ingresar a la atmósfera de la Tierra 43 horas después del lanzamiento.

Para calcular el tiempo de vuelo para una trayectoria mínima delta-v, de acuerdo con la tercera ley de Kepler , el período para 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 desde el centro de la tierra hasta el proyectil:

Esto le da unos 32 minutos para dar una cuarta vuelta alrededor de la tierra y 42 minutos para dar la mitad de la vuelta. Para distancias cortas, esta expresión es asintótica con .

De la forma que involucra al arcocoseno, la derivada del tiempo de vuelo con respecto a d (o θ) va a cero cuando d se acerca20 000  km (medio mundo). La derivada de Δ v también llega a cero aquí. Entonces si d =19 000  km , la longitud de la trayectoria mínima delta-v será de aproximadamente19 500  km , pero llevará sólo unos pocos segundos menos tiempo que la trayectoria de d =20 000  km (para el que la trayectoria es20 000  km de largo).

Perfiles de vuelo [ editar ]

Perfil del primer vuelo suborbital estadounidense tripulado, 1961. El cohete de lanzamiento eleva la nave espacial durante los primeros 2:22 minutos. Línea discontinua: gravedad cero.

Si bien hay una gran cantidad de perfiles de vuelo suborbitales posibles, se espera que algunos sean más comunes que otros.

El X-15 (1958–68) se elevaría a una altitud de aproximadamente 100 km y luego se deslizaría hacia abajo.

Misiles balísticos [ editar ]

Los primeros vehículos suborbitales que llegaron al espacio fueron misiles balísticos . El primer misil balístico que llegó al espacio fue el V-2 alemán , obra de los científicos de Peenemünde , el 3 de octubre de 1942, que alcanzó una altitud de 97 km (60 millas). [6] Luego, a fines de la década de 1940, Estados Unidos y la URSS desarrollaron simultáneamente misiles, todos ellos basados ​​en el cohete V-2, y luego en misiles balísticos intercontinentales de mucho más largo alcance (ICBM). Ahora hay muchos países que poseen misiles balísticos intercontinentales e incluso más con misiles balísticos de alcance intermedio (IRBM) de menor alcance .

Vuelos turísticos [ editar ]

Los vuelos turísticos suborbitales se centrarán inicialmente en alcanzar la altitud necesaria para calificar como espacio de alcance. La trayectoria de vuelo probablemente será vertical o muy empinada, y la nave espacial aterrizará en su lugar de despegue.

La nave espacial probablemente apagará sus motores mucho antes de alcanzar la altitud máxima y luego se deslizará hasta su punto más alto. Durante unos minutos, desde que se apagan los motores hasta que la atmósfera comienza a frenar la aceleración hacia abajo, los pasajeros experimentarán ingravidez .

Megaroc había sido planeado para un vuelo espacial suborbital por la Sociedad Interplanetaria Británica en la década de 1940. [7] [8]

En el otoño de 1945, el grupo M. Tikhonravov K. y NG Chernysheva en la tecnología de la Academia de Ciencias de artillería de cohetes NII-4 por iniciativa propia, el primer proyecto de cohete estratosférico fue desarrollado por VR-190 para el vuelo vertical de dos pilotos a una altitud de 200 km basado en el cohete balístico alemán V-2 capturado . [9]

En 2004, varias empresas trabajaron en vehículos de esta categoría como participantes en la competencia del Premio Ansari X. El Scaled Composites SpaceShipOne fue declarado oficialmente por Rick Searfoss como ganador de 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 cautivo 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 de 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 [10].Se han pedido cuatro SpaceShipTwos adicionales que operarán desde el nuevo Spaceport America . Se esperaban vuelos comerciales con pasajeros en 2014, pero se cancelaron debido al desastre durante el vuelo SS2 PF04 . Branson dijo: "Aprenderemos de lo que salió mal, descubriremos cómo podemos mejorar la seguridad y el rendimiento y luego avanzaremos juntos". [11]

Experimentos científicos [ editar ]

Un uso importante de los vehículos suborbitales en la actualidad es como cohetes de sonido científico . Los vuelos suborbitales científicos comenzaron en la década de 1920 cuando Robert H. Goddard lanzó los primeros cohetes de combustible líquido, sin embargo, no alcanzaron la altitud espacial . A finales de la década de 1940, los misiles balísticos V-2 alemanes capturados se convirtieron en cohetes con sonda V-2 que ayudaron a sentar las bases de los cohetes con sonda modernos. [12] 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.

Transporte suborbital [ editar ]

Una investigación, como la realizada para el proyecto X-20 Dyna-Soar , sugiere 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 a un misil balístico intercontinental. Los misiles balísticos intercontinentales tienen delta-v algo menos que orbitales; y por lo tanto sería algo más económico que los costos para alcanzar la órbita, pero la diferencia no es grande. [13]

Por lo tanto, debido al alto costo, es probable que inicialmente se limite a carga de gran valor y muy alta urgencia, como vuelos de mensajería , o como el último avión de negocios ; o posiblemente como deporte extremo , o para militares de respuesta rápida. [ 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. [14] El principal desafío radica en aumentar la confiabilidad de los diferentes componentes, en particular los motores, para hacer posible su uso en el transporte de pasajeros en el día a día.

SpaceX está considerando potencialmente usar su Starship como un transporte suborbital de punto a punto. [15]

Destacados vuelos espaciales suborbitales sin tripulación [ editar ]

  • El primer vuelo espacial suborbital fue en junio de 1944, cuando un cohete de prueba V-2 lanzado desde Peenemünde en Alemania alcanzó los 189 kilómetros de altitud. [dieciséis]
  • Bumper 5, un cohete de dos etapas lanzado desde White Sands Proving Grounds . El 24 de febrero de 1949, la etapa superior alcanzó una altitud de 248 millas (399 km) y una velocidad de 7.553 pies por segundo (2.302 m / s; Mach 6,8). [17]
  • URSS - Energía , 1987, la carga útil de Polyus no pudo alcanzar la órbita; Este fue el objeto más masivo lanzado a un vuelo espacial suborbital hasta la fecha.

Vuelos espaciales suborbitales tripulados [ editar ]

Por encima de los 100 km (62,14 millas) de altitud.

Futuro de los vuelos espaciales suborbitales tripulados [ editar ]

Empresas privadas como Virgin Galactic , Armadillo Aerospace (reinventado como Exos Aerospace), Airbus , [18] Blue Origin y Masten Space Systems se están interesando 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 pueden usarse con perfiles de vuelo que califican como vuelos espaciales suborbitales. Entidades sin fines de lucro como ARCASPACE y Copenhagen Suborbitals también intentan lanzamientos basados ​​en cohetes .

Ver también [ editar ]

  • Flecha canadiense
  • CORONA
  • DH-1 (cohete)
  • Sistemas interorbitales
  • Tierra de gigantes
  • Lista de sitios de lanzamiento de cohetes
  • Desafío de aterrizaje lunar
  • McDonnell Douglas DC-X
  • Oficina de Transporte Espacial Comercial
  • Programa de la NASA Project Morpheus para continuar desarrollando ALHAT y Q landers
  • Quad (cohete)
  • Programa de pruebas de vehículos reutilizables de JAXA
  • Rocketplane XP
  • Puerto espacial
  • Programa de desarrollo del sistema de lanzamiento reutilizable SpaceX
  • Transporte supersónico
  • XCOR Lynx

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Martlet" . Archivado desde el original el 26 de septiembre de 2010.
  2. ^ "Límite de altitud de 100 km para astronáutica" . Fédération Aéronautique Internationale . Archivado desde el original el 9 de agosto de 2011 . Consultado el 14 de septiembre de 2017 .
  3. ^ Whelan, Mary (5 de junio de 2013). "Pioneros del espacio X-15 ahora honrados como astronautas" . nasa.gov . Archivado desde el original el 11 de junio de 2017 . Consultado el 4 de mayo de 2018 .
  4. ^ "85. Declaración de Estados Unidos, definición y delimitación del espacio ultraterrestre y el carácter y utilización de la órbita geoestacionaria, Subcomité jurídico de la Comisión de las Naciones Unidas sobre los usos pacíficos del espacio ultraterrestre en su 40º período de sesiones en Viena en abril" . state.gov . Consultado el 4 de mayo de 2018 .
  5. ^ Blanco, Philip (septiembre de 2020). "Modelado de trayectorias de misiles balísticos intercontinentales alrededor de un globo giratorio con el kit de herramientas de sistemas". El profesor de física . 58 (7): 494–496. Código bibliográfico : 2019PhTea..58..494B . doi : 10.1119 / 10.0002070 .
  6. ^ Cohete V-2 de Alemania, Kennedy, Gregory P.
  7. ^ Hollingham, Richard. "Cómo un cohete nazi pudo haber puesto a un británico en el espacio" . bbc.com . Archivado desde el original el 14 de noviembre de 2016 . Consultado el 4 de mayo de 2018 .
  8. ^ "Megaroc" . www.bis-space.com . Archivado desde el original el 30 de octubre de 2016 . Consultado el 4 de mayo de 2018 .
  9. ^ Anatoli I. Kiselev; Alexander A. Medvedev; Valery A. Menshikov (diciembre de 2012). Astronáutica: resumen y perspectivas . Traducido por V. Sherbakov; N. Novichkov; A. Nechaev. Springer Science & Business Media. págs. 1-2. ISBN 9783709106488.
  10. ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 16 de agosto de 2013 . Consultado el 14 de agosto de 2013 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  11. ^ "Branson en el accidente de Virgin Galactic: 'El espacio es difícil, pero vale la pena'". CNET. Consultado el 1 de agosto de 2015.
  12. ^ "ch2" . history.nasa.gov . Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2015 . Consultado el 28 de noviembre de 2015 .
  13. ^ "The Space Review: transporte suborbital de punto a punto: suena bien en papel, pero ..." . www.thespacereview.com . Archivado desde el original el 1 de agosto de 2017 . Consultado el 4 de mayo de 2018 .
  14. ^ Sippel, M. (2010). "Alternativas de hoja de ruta prometedoras para SpaceLiner" (PDF) . Acta Astronautica . 66 (11-12): 1652-1658. Código Bibliográfico : 2010AcAau..66.1652S . doi : 10.1016 / j.actaastro.2010.01.020 .
  15. ^ Ralph, Eric (30 de mayo de 2019). "El CEO de SpaceX, Elon Musk, quiere utilizar Starships como transportes de Tierra a Tierra" . Teslarati . Consultado el 31 de mayo de 2019 .
  16. ^ Walter Dornberger, Moewig, Berlín 1984. ISBN 3-8118-4341-9 . 
  17. ^ "Proyecto de parachoques" . Alcance de misiles de White Sands. Archivado desde el original el 10 de enero de 2008.
  18. ^ Amos, Jonathan (3 de junio de 2014). "Airbus lanza modelo 'jet espacial ' " . Archivado desde el original el 4 de mayo de 2018 . Consultado el 4 de mayo de 2018 , a través de www.bbc.co.uk.