Evolución del Transporte Espacial

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Evolución del Transporte Espacial

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Nota: Puede ser de interés la información acerca del Sector Privado en el Espacio Exterior. Puede ser de especial utilidad la consulta de Derechos de Propiedad en el Espacio, y véase más respecto a las Pruebas en el Espacio Ultraterrestre aquí. También sobre la colonización del espacio. Hay varias entradas relativas al Espacio Exterior, como el Tratado sobre el Espacio Exterior y la entrada principal sobre el Espacio Exterior.

Los inicios de los vuelos espaciales tripulados

El lanzamiento del Sputnik I, el 4 de octubre de 1957, está considerado como el inicio de la era espacial. El lanzamiento formaba parte de un compromiso escrito de la Unión Soviética de apoyar y participar en un conjunto de investigaciones científicas mundiales conocido como el Año Geofísico Internacional (AIG). Estados Unidos también se había comprometido a realizar una serie de proyectos, entre ellos la puesta en órbita de un satélite científico. Los soviéticos lanzaron primero su satélite. Nadie debería haberse sorprendido.

Desgraciadamente, ni el público en general ni los medios de comunicación estaban al tanto de la IGY ni de los lanzamientos de satélites previstos. La reacción en Estados Unidos rozó el pánico. Se había hecho creer a los ciudadanos que la tecnología militar de los soviéticos procedía en su totalidad de información clasificada robada en Estados Unidos por una amplia red de espías. Esa mitología se vio efectivamente desbaratada por la consecución de la órbita terrestre por primera vez, utilizando un cohete cuya capacidad tenía claras implicaciones para el lanzamiento de ojivas mediante misiles balísticos intercontinentales (ICBM).

El impacto del acontecimiento en todo el mundo en el contexto de la Guerra Fría no pasó desapercibido para el primer ministro soviético Nikita Khrushchev. Estimuló a sus cohetes para que produjeran una serie de primicias espaciales, que llevaron al lanzamiento del primer ser humano en órbita el 12 de abril de 1961.Entre las Líneas En ese momento, Estados Unidos todavía no había lanzado a un astronauta en un vuelo suborbital. Los entusiastas de los vuelos espaciales de todo el mundo celebran la “Noche de Yuri” para conmemorar ese acontecimiento, así como, casualmente, el primer vuelo del transbordador espacial estadounidense el 12 de abril de 1981, exactamente 20 años después.

El presidente John F. Kennedy subió la apuesta más tarde, en 1961, al prometer que Estados Unidos llevaría un hombre a la superficie de la Luna y lo devolvería sano y salvo a la Tierra a finales de la década. El propósito de Kennedy era político: vencer a los soviéticos en la Luna como demostración de la superioridad tecnológica de Estados Unidos. Se asignó la tarea a la incipiente Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), creada en 1958. Se formó un grupo de ingenieros y tecnólogos bajo el nombre de Grupo de Trabajo Espacial (STG) en el Centro de Investigación Langley para desarrollar las capacidades de los vuelos espaciales tripulados.Entre las Líneas En 1962 fueron trasladados a un nuevo centro de campo que se estableció en Houston (Texas): el Manned Spacecraft Center. Unos años más tarde esa instalación pasó a llamarse Centro Espacial Lyndon B. Johnson.

Los equipos del proyecto idearon un amplio programa de pruebas y demostraciones que incluía varios vuelos espaciales. El proyecto Mercury incluyó seis vuelos orbitales de una nave espacial para una sola persona conocida como la cápsula Mercury. El proyecto creó procedimientos y equipos para las operaciones de lanzamiento y recuperación y estableció las capacidades de un ser humano en el entorno espacial. El proyecto Géminis incluyó 10 vuelos orbitales con tripulación de una nave espacial para dos personas conocida como la nave Géminis. Estos vuelos demostraron las técnicas de encuentro orbital entre dos vehículos en órbita y expusieron a las tripulaciones a la larga duración en el espacio necesaria para las misiones lunares. Los primeros vuelos del Proyecto Apolo demostraron las diversas capacidades operativas de la nave y su tripulación. Dos de los vuelos de prueba enviaron tripulaciones alrededor de la Luna.

El primer aterrizaje propiamente dicho se produjo en la misión conocida como Apolo 11, y el astronauta Neil Armstrong se convirtió en el primer ser humano en pisar la superficie lunar. Se construyeron lanzadores Saturno V para nueve misiones más, pero el último aterrizaje fue la misión Apolo 17 en diciembre de 1972. El presidente Nixon pidió a la NASA una hoja de ruta para el futuro de los vuelos espaciales tripulados. El informe del Grupo de Trabajo Espacial de 1969 estableció un plan muy influenciado por los escritos de Wernher von Braun: debía haber 100 personas en estaciones espaciales de órbita baja, bases en la Luna y visitas a Marte para 1984. El plan fue archivado. Tras algunos compromisos políticos, se financió a la NASA para que desarrollara y explotara un sistema reutilizable, el transbordador espacial, capaz de volar muchas veces al año para reducir el elevado coste del transporte a la órbita, utilizando como modelo las operaciones de las aerolíneas.

Muchos jóvenes de todo el mundo vieron los alunizajes del Apolo como aventuras épicas, que presagiaban la eventual exploración humana del sistema solar. Pocos apreciaron las motivaciones puramente políticas del programa y se sintieron desconcertados y decepcionados por su abrupto final. Dentro de la cultura de ingeniería de la NASA, se asumió que las misiones a la Luna y más allá eran demasiado costosas y arriesgadas para ser reanudadas; y el foco de atención se desplazó al Sistema de Transporte Espacial con su Transbordador Espacial y, eventualmente, los elementos de la estación espacial LEO (órbita terrestre baja). Las misiones espaciales humanas se diseñaron para demostrar la capacidad operativa rutinaria, y la exploración del espacio se convirtió en algo de boquilla.

El desarrollo y características del transporte espacial

Podría decirse que Isaac Newton es el padre de los viajes espaciales. La propulsión aprovecha la tercera ley de Newton, que no es más que un enunciado de la conservación del momento. Un vehículo espacial expulsa masa de alguna forma en una dirección determinada para que el vehículo se mueva en la dirección opuesta. Una vez completada la eyección, el vehículo se desplazará bajo la influencia de la gravedad de los cuerpos del sistema solar.Entre las Líneas En general, el evento de propulsión coloca al vehículo en una órbita alrededor de algún cuerpo cercano o alrededor del sol, si está lejos de otros cuerpos perturbadores. Casi todos los viajes espaciales consisten en el movimiento de una órbita a otra. Se requiere un evento de propulsión para salir de una órbita inicial, y un segundo evento para entrar en una órbita de destino. La trayectoria que conecta una órbita con la siguiente se denomina órbita de transferencia.

Estos eventos propulsivos, llamados impulsos, se calculan cuidadosamente para cambiar la velocidad de la nave espacial de manera precisa. Los profanos suelen utilizar el término “velocidad” como sinónimo de rapidez, pero la velocidad, tal y como se utiliza en la mecánica orbital, tiene una dirección y una magnitud. El cambio de velocidad para iniciar una maniobra orbital se denomina delta-v. La cantidad de combustible necesaria para una misión concreta suele estimarse a partir de la suma de las maniobras delta-v necesarias.

La masa total de propulsor disponible para ser expulsada es finita, y rara vez los vehículos con cohetes químicos encienden sus motores de forma continua.

Una Conclusión

Por consiguiente, los vehículos espaciales pasan la mayor parte del tiempo en una u otra órbita. La velocidad de una nave espacial que se desplaza por una órbita viene determinada por la ley de la gravedad (mecánica orbital); no se “pisa el acelerador” para acortar el tiempo del viaje. Cualquier propulsión aplicada modifica la órbita y quema un valioso combustible. Los largos tiempos de inercia en las órbitas de transferencia afectan a la planificación de las misiones humanas al espacio profundo.

La primera etapa de cualquier expedición espacial es desalentadora. Hay que elevar la carga fuera de la Tierra contra la atracción de la gravedad y contra la resistencia aerodinámica de la atmósfera. El vehículo de lanzamiento y su carga útil deben ser guiados en una trayectoria que los coloque en la órbita adecuada. Lo más habitual es que esa órbita inicial sea alrededor de la Tierra. Un breve impulso propulsivo posterior puede hacer que la carga útil parta hacia otra órbita.

Hay que tener en cuenta que las trayectorias en el espacio casi nunca son líneas rectas, a diferencia de los caminos en la Tierra. Todos los cuerpos del sistema solar están en órbita alrededor de algún otro cuerpo, generalmente el sol, en trayectorias que son elípticas, según las leyes de Kepler. Aunque técnicamente es posible viajar de un punto a otro, la cantidad de combustible necesaria es tan excesiva que lo hace poco práctico.

Las órbitas de los planetas se sitúan en un único plano llamado eclíptica.

Una Conclusión

Por lo tanto, la trayectoria de una órbita a otra puede visualizarse como un diagrama en un papel. Si la órbita elíptica de un planeta (por ejemplo, la Tierra) se encuentra dentro de la órbita de otro planeta (por ejemplo, Marte), el camino más eficiente energéticamente de uno a otro es otra elipse, que conecta las dos órbitas y es tangente a ambas. Un cohete químico encenderá su motor brevemente para abandonar la órbita planetaria y pasar a la órbita de transferencia.

Secuencia

Posteriormente, encenderá su motor brevemente para abandonar la órbita de transferencia y entrar en la órbita solar del planeta de destino. Esta maniobra se denomina transferencia Hohmann. El momento de la salida de la Tierra debe ser tal que Marte se encuentre en el punto tangente de su órbita cuando la nave llegue.Entre las Líneas En el caso de la Tierra y Marte, las alineaciones adecuadas sólo se producen una vez cada 26 meses.

Todos los vehículos de lanzamiento terrestre actuales son cohetes químicos. Dentro de la cámara de combustión se combinan un combustible y un oxidante para crear una reacción altamente exotérmica. El gas caliente resultante se expande, presionando contra todos los lados de la cámara.Entre las Líneas En un extremo de la cámara hay una abertura por la que el gas caliente puede salir. El escape del cohete arrastra el impulso, haciendo que el vehículo se mueva en la dirección opuesta, según la conservación del impulso. Cuanto más rápida sea la pérdida de masa fuera de la cámara y más rápida sea la velocidad del escape, más fuerza o empuje se genera. El gas sale a través de una tobera, cuya forma ha sido diseñada para que el gas se expanda de forma que se maximice el empuje.

Una segunda característica de rendimiento importante es el impulso específico, una medida de la eficiencia de un sistema de propulsión. Se define como el empuje dividido por el flujo de masa. Si dos sistemas están en órbita y deben cambiar de velocidad para iniciar una órbita diferente, el sistema con mayor impulso específico necesitará menos propulsor para alcanzar el delta-v requerido. Los sistemas de propulsión iónica presentan impulsos específicos 20 o 30 veces mayores que los sistemas químicos, pero generan un bajo empuje, lo que los hace adecuados sólo para operaciones en el espacio. Son útiles para las transferencias orbitales en el espacio que requieren un gran delta-v pero no necesitan un gran empuje.

Otros Elementos

Además, pueden dispararse de forma continua, lo que permite realizar transferencias no keplerianas.

Los diseñadores de misiones tienen que crear una arquitectura de misión para llevar una carga útil determinada a un destino determinado. Comienzan con la mecánica orbital. La masa de la carga útil dicta el vehículo de lanzamiento más pequeño (y por tanto más barato) capaz de llevarla a la LEO.Entre las Líneas En ocasiones, el volumen de la carga útil puede dictar un lanzador mayor que el necesario para simplemente elevar la carga útil. La energía total puede calcularse a partir de la masa de la carga útil y de la trayectoria. El diseñador comienza entonces a determinar varias combinaciones de lanzadores, etapas superiores, sistemas de propulsión en el espacio y posibles fechas de lanzamiento que podrían ser dictadas por las trayectorias interplanetarias. El objetivo del diseño es encontrar el conjunto de vehículos y procedimientos operativos menos costosos que permitan el éxito de la misión.

La elección de los lanzadores puede verse limitada por consideraciones políticas. Los satélites militares clasificados suelen ser lanzados únicamente por el país de origen. Para el lanzamiento de satélites de comunicaciones a la órbita geoestacionaria se pueden elegir muchos lanzadores, pero un gobierno puede exigir que sus satélites se coloquen en un vehículo de fabricación nacional.

La fiabilidad es otro factor. Siempre se investigan los fallos en el lanzamiento, y los diseñadores de las misiones deben decidir a veces si eligen un precio más bajo con un riesgo más alto.Entre las Líneas En particular, las misiones humanas reciben un escrutinio extra; y sus lanzadores deben ser “calificados por el hombre”, al menos en Estados Unidos. El análisis adicional, la supervisión y los sistemas de apoyo son caros, y los costes de lanzamiento de las misiones humanas son los más altos de todos.

Los diseñadores de misiones y los directores de proyectos en general siempre prefieren utilizar sistemas que ya hayan estado en el espacio y cuyas características de fiabilidad y rendimiento se conozcan bien, un requisito que es difícil de cumplir en la actualidad. Desde 1972, ningún ser humano ha ido más allá de la órbita terrestre baja. Los sistemas utilizados durante el programa Apolo ya no existen. No existe ningún sistema de la NASA para el lanzamiento de seres humanos desde la retirada del transbordador espacial en 2011.

¿En qué se basa un diseñador para elegir los sistemas de transporte y las naves espaciales para una futura expedición humana al sistema solar? ¿Son los vehículos de lanzamiento existentes capaces de soportar una serie de expediciones humanas a las superficies de la Luna o Marte o a los recursos del cinturón de asteroides? ¿Son los gobiernos los agentes de una nueva migración humana y, en caso afirmativo, cuál tomará la iniciativa?

De las tres agencias espaciales que han puesto en órbita a seres humanos, sólo la NASA ha publicado estudios sobre posibles arquitecturas de misiones para expediciones humanas a destinos en el espacio profundo.

Otros Elementos

Además, existe una amplia literatura profesional sobre diversos temas técnicos relevantes para la exploración humana, incluyendo posibles arquitecturas de misión.

Para ilustrar las clases de lanzadores necesarios para las expediciones humanas, es útil revisar las arquitecturas de misión diseñadas para la exploración de Marte.Entre las Líneas En general, se acepta que una misión tripulada a Marte es el proyecto más exigente dentro de los límites de la tecnología actual; sin embargo, una revisión completa de la arquitectura de las misiones humanas a Marte es bastante compleja. Aquí nos centramos en los escenarios que requieren un mínimo de energía, denominados “misiones de conjunción”, que utilizan cohetes químicos. Como se ha comentado anteriormente, la mayor parte de la trayectoria será una transferencia Hohmann desde la órbita de la Tierra a la órbita de Marte.

En 1989, el presidente George H. W. Bush estableció los objetivos de la empresa de vuelos espaciales tripulados de la NASA (Stafford, 1991). Estos objetivos incluían expediciones humanas a la Luna y a Marte. La NASA respondió al presidente con arquitecturas de misión candidatas para alcanzar esos objetivos. La masa del Vehículo de Tránsito a Marte (MTV) que se ensamblaría en LEO para la primera misión humana a Marte se estimó entre 1.100 y 1.500 toneladas métricas. A modo de comparación, la Estación Espacial Internacional, una vez terminada, tiene una masa de unas 420 toneladas métricas y su construcción requirió 37 misiones del transbordador espacial a lo largo de 12 años.

A diferencia de la ISS, gran parte de la masa del MTV sería combustible líquido para cohetes.

Otros Elementos

Además, incluiría un módulo de aterrizaje para llevar a la tripulación a la superficie de Marte y un lanzador de ascenso para devolver a la tripulación al vehículo de transferencia en órbita para el viaje de vuelta. También se incluiría un hábitat y provisiones para que la tripulación sobreviva 500 días en la superficie de Marte. El tiempo total de la misión, desde la salida de la Tierra hasta el regreso, sería algo menos de 1.000 días. Obviamente, esta arquitectura de misión requeriría nuevos desarrollos significativos de nuevos sistemas espaciales y un desafiante tren logístico para el montaje en LEO. Cualquier retraso significativo en el ensamblaje del MTV podría provocar un desplazamiento hacia la siguiente alineación planetaria en 26 meses, lo que provocaría grandes sobrecostes. La NASA postuló el desarrollo de un nuevo vehículo de lanzamiento de la clase Saturno V (100 a 120 toneladas métricas a LEO). Aun así, ese ritmo de lanzamiento y actividad orbital superaría al del programa Apolo.

La Iniciativa de Exploración Espacial de 1989 se canceló antes de que se diseñara o construyera ningún hardware significativo, pero en 2004 el presidente George W. Bush expuso la Visión para la Exploración Espacial, que contenía directrices más específicas para la NASA, incluida la retirada del transbordador espacial para 2010 (NASA, 2004).Entre las Líneas En el intervalo entre las dos visiones, la NASA se había replanteado su arquitectura para las expediciones a Marte. El Design Reference Mission (DRM) 5.0 (Drake, 2009) para Marte incorpora nuevos conceptos no probados antes en el diseño de misiones con el objetivo de reducir la carga logística en LEO y disminuir el riesgo de pérdida de tripulación.

Los elementos de la expedición se dividirían en tres partes. Se enviarían dos naves de tránsito de carga desde LEO a Marte durante una ventana de lanzamiento (es decir, alineación planetaria). Una de las naves de carga llevaría principalmente un vehículo de descenso-ascenso (DAV) que aterrizaría en Marte en un lugar predeterminado. La segunda nave de carga llevaría un Hábitat de Superficie (SHAB), que se insertaría en una órbita alta alrededor de Marte, donde permanecería durante dos años. Una vez que la DAV haya aterrizado, desplegará robóticamente una planta de procesamiento automatizada para producir metano y oxígeno a partir de la delgada atmósfera marciana. Esto se utilizaría como combustible para que el DAV lleve a la tripulación a la órbita de Marte cuatro años después. El DAV en la superficie y el SHAB en órbita serían monitorizados desde la Tierra para asegurar que todos los sistemas funcionaran.

Veintiséis meses después del lanzamiento de la carga, la tripulación dejaría la órbita terrestre en un Vehículo de Tránsito de Marte (MTV) para encontrarse con el SHAB en la órbita de Marte. Una vez a bordo del SHAB, lo aterrizarían cerca del DAV en el lugar de la expedición. Al final de las operaciones en la superficie marciana, la tripulación embarcará en el DAV cargado de combustible para lanzarlo a la órbita de Marte y reunirse con el MTV. Una vez de vuelta en la órbita terrestre, la tripulación utilizaría una cápsula similar a la Orion, actualmente en desarrollo en la NASA, para volver a entrar en la atmósfera terrestre.

A diferencia de las anteriores arquitecturas de misión de la NASA, el DRM 5.0 asume la propulsión térmica nuclear para los tres vehículos de tránsito y un reactor de fisión para la fuente de energía en la superficie. El uso de la energía nuclear tiene mucho sentido para los ingenieros, pero el lanzamiento de reactores nucleares ha creado problemas políticos en Estados Unidos.

El DRM 5.0 supuso el desarrollo de un lanzador pesado de clase Saturno V, llamado Ares V, dentro del Programa Constellation, así como un vehículo de lanzamiento de tripulación llamado Ares I que también llevaría a las tripulaciones hacia y desde la ISS tras la retirada del Transbordador Espacial. Los conceptos para el Ares V y el Ares I se concibieron a principios del Programa Constellation de la NASA. Las dos misiones de carga requieren 5 lanzamientos del Ares V, y la misión de la tripulación MTV requiere 4 lanzamientos del Ares V. El montaje en órbita de una nave de carga sólo requiere el acoplamiento y el acoplamiento de dos elementos; el montaje del MTV de la tripulación requiere el acoplamiento de tres elementos. De este modo, se evita el gran reto logístico de la arquitectura de 1989. La masa total que sale de LEO entre las tres transferencias es de 850 toneladas métricas, frente a las 1.100 o más de la arquitectura de 1989. El ahorro de masa se debe a la producción de combustible en la superficie marciana y al uso de la propulsión nuclear.

El Programa Constellation de la NASA, creado para implementar la Visión para la Exploración Espacial, trabajó en una arquitectura lunar con capacidad para aterrizar cuatro astronautas (véase qué es, su concepto jurídico; y también su definición como “astronauts” en derecho espacial, en inglés) en cualquier lugar de la superficie lunar con dos rovers para la tripulación y soporte vital para durar dos semanas de exploración. El transporte espacial asumido para cada misión era un lanzamiento del Ares 1 y otro del Ares 5. Cuando se canceló el programa en 2009, no se había diseñado ningún módulo de aterrizaje viable. Algunos observadores sugieren que las misiones lunares de esta escala requerirían el doble de lanzamientos de Ares 5.

Lo que queda claro es que la exploración humana a gran escala y el asentamiento del sistema solar requerirán lanzadores pesados de la clase de 120 toneladas métricas. Se anuncia que el Bloque 2 del Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA tiene una capacidad de 130 toneladas a LEO, pero actualmente solo está en desarrollo el Bloque 1 de 70 toneladas: en el momento de escribir este artículo llevaba al menos tres años de retraso y se estimaba que costaría más de 500 millones de dólares por lanzamiento. Mientras tanto, a principios de 2018 SpaceX llevó a cabo un exitoso lanzamiento de prueba de su Falcon Heavy con una capacidad de elevación de 64 toneladas y un coste de lanzamiento estimado por debajo de los 100 millones de dólares; SpaceX también ha anunciado el cohete BFR, que elevará 150 toneladas. China tiene en estudio un vehículo Long March 9 con una capacidad de elevación estimada de 140 toneladas

Datos verificados por: Andrews

Recursos

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Véase También

Astronomía, Ciencia Planetaria, Colonización espacial, Historia de la Astronomía, Sistema Solar
Viaje por el Sistema Solar
Exploración espacial
Viajes interplanetarios
Viaje interestelar
Turismo espacial
Astronomía
Astronáutica
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Vuelos espaciales privados – Vuelos espaciales realizados y pagados por una entidad que no es una agencia gubernamental
Espacio y supervivencia – Idea de que la presencia humana a largo plazo en el universo requiere una civilización espacial.
Defensa del espacio – Defensa de la exploración y/o colonización del espacio
Colonización del espacio – Concepto de habitación humana permanente fuera de la Tierra
Puesto de avanzada humano – Hábitats humanos controlados y creados artificialmente, situados en entornos inhóspitos para los humanos, como el espacio.
Logística espacial – Logística para los viajes espaciales
Propulsión de naves espaciales – Método utilizado para acelerar las naves espaciales
Cronología de satélites artificiales y sondas espaciales
Cronología de la exploración del Sistema Solar
Escala de Kardashev – Método para medir el nivel de avance tecnológico de una civilización

Bibliografía