El espacio de propulsión se refiere a cualquier sistema para acelerar un objeto en el espacio. Esto incluye los medios de propulsión de vehículos espaciales ( cohetes , satélites , sondas ) o sistemas de control de actitud y órbita .
Existen diferentes métodos de propulsión espacial, cada uno con sus inconvenientes y ventajas. La propulsión espacial es un área activa de investigación, sin embargo, la mayoría de los vehículos espaciales utilizan actualmente el mismo tipo de propulsión basándose en la eyección de gas a alta velocidad detrás del vehículo a través de una boquilla . Este tipo particular de propulsión se llama motor de cohete .
La mayoría de las naves espaciales actuales utilizan motores de cohetes químicos ( propulsor sólido o propulsor líquido ) para el lanzamiento, aunque algunos sistemas (como el lanzador Pegasus o el SpaceShipOne ) dependen parcialmente del lanzamiento aéreo. La mayoría de las naves espaciales utilizan un sistema de propulsión químico de un solo propulsor simple pero confiable o un sistema de propulsión eléctrica para mantener la posición. También se pueden utilizar actuadores giroscópicos o volantes para el control de actitud. Los satélites soviéticos han estado utilizando propulsión eléctrica durante décadas, una tecnología que apenas comienza a ser común en los países occidentales, particularmente para mantener satélites geoestacionarios de norte a sur y mejorar su órbita. Las sondas interplanetarias se utilizan en la mayoría de los motores químicos, sin embargo, algunas pruebas con motor de iones ( Dawn y Deep Space 1 ) o efecto Hall demostraron su eficacia.
Los satélites artificiales deben ser colocados en órbita con precisión por un lanzador . Una vez en su órbita, deben controlar la mayor parte del tiempo su actitud para poder apuntar correctamente hacia la Tierra, el Sol u otras estrellas en el caso de misiones astronómicas. Los satélites que orbitan estrellas con atmósfera también deben compensar el arrastre causado por la atmósfera residual . Por tanto, es necesario realizar pequeñas correcciones de órbita con regularidad para poder permanecer en órbita baja durante un largo período. Muchos satélites también cambian su órbita durante su misión para cumplir sus objetivos, lo que también requiere un sistema de propulsión espacial. Estos cambios dependen de las necesidades. En la mayoría de los casos, el fin de las reservas de combustible del sistema de propulsión es sinónimo del fin de la vida de la nave espacial; si este fin de vida sigue siendo predominante, comienza a surgir una nueva tendencia de operación extendida (Le25 de febrero de 2020, un satélite, MEV-1, acoplado por primera vez a otro satélite, Intelsat-901, en órbita geoestacionaria) El MEV-1 para Mission Extension Vehicle-1 está diseñado para atracar satélites geoestacionarios cuyo combustible está casi agotado. Una vez conectado a su satélite cliente, utiliza sus propios propulsores y suministro de combustible para prolongar la vida útil del satélite.
Las naves espaciales que viajan más allá de la órbita de la Tierra también necesitan propulsarse al espacio. Una vez lanzadas desde la Tierra como satélites regulares, estas naves espaciales interplanetarias deben usar un sistema de propulsión para salir de la órbita terrestre y navegar por el sistema solar. Las sondas espaciales suelen corregir su trayectoria mediante pequeños ajustes sucesivos durante su crucero. Durante el tránsito entre dos planetas, las sondas continúan su trayectoria sin propulsión. La trayectoria más eficiente en términos de propulsión entre dos órbitas elípticas en el mismo plano se llama órbita de transferencia de Hohmann . Partiendo de una órbita circular, un pequeño empuje en la dirección de su movimiento lleva a la nave a una órbita elíptica. Otro empuje en el apoapsid regresa a una segunda órbita circular, de mayor altitud, donde nuevamente acelera fuera de la órbita, completando así la transferencia. A veces se utilizan algunos métodos exóticos, como el frenado neumático, para realizar ajustes finales en una trayectoria.
Algunos métodos de propulsión, como las velas solares, producen un empuje muy pequeño pero continuo. Un vehículo interplanetario que utiliza tales sistemas de propulsión no puede utilizar una órbita de transferencia Hohmann , debido al carácter impulsivo de la aceleración dada al inicio y al final de la transferencia. Por lo tanto, los sistemas de propulsión de bajo empuje utilizan estrategias complejas de dirección de empuje. El concepto de vela solar ha sido demostrado por el proyecto japonés IKAROS .
Las naves interestelares necesitarán otros métodos de propulsión. No se ha construido ningún buque de este tipo, aunque se han propuesto muchos conceptos. Las distancias astronómicas que separan las estrellas entre sí requieren velocidades muy altas para que el viaje se realice en un tiempo razonable. Acelerar a tales velocidades y luego reducir la velocidad a medida que se acerca al destino será un desafío para los diseñadores de tales barcos.
La fuerza de gravedad sobre la superficie de la Tierra es relativamente alta. La velocidad necesaria para poder salir del campo de influencia gravitacional de la Tierra es de aproximadamente 11,2 km / s . Los seres humanos están acostumbrados a una aceleración gravitacional de 1 go aproximadamente 9,8 m s −2 . Por tanto, un sistema de propulsión ideal para simular las condiciones de gravedad de la Tierra se aceleraría a 1 g . Sin embargo, el cuerpo humano soporta aceleraciones más fuertes durante períodos de tiempo más cortos. Esta gravedad artificial también ayudaría a resolver problemas relacionados con la microgravedad, como náuseas o pérdida ósea y muscular.
Los métodos de propulsión espacial se pueden clasificar según cómo aceleran la masa propulsora. También existen métodos específicos en función de las fases del vuelo, como el despegue, el reingreso o incluso el aterrizaje.
Un motor a reacción utiliza la expulsión de una masa propulsora para moverla según la tercera ley de Newton.
Impulso específico y velocidad de expulsiónEl objetivo de un sistema de propulsión espacial es aumentar la velocidad v de una nave espacial. Acelerar un objeto es aún más difícil ya que su masa es importante y también se utiliza el impulso mv en lugar de la velocidad para caracterizar este fenómeno. Lo que comúnmente se llama en el campo del espacio un "impulso" es de hecho una variación en la cantidad de movimiento.
Si el sistema de propulsión se utiliza como parte de un lanzamiento, el empuje que desarrolla debe exceder el peso del barco para que la aceleración resultante sea positiva. Por otro lado, una vez en órbita, cualquier empuje, por pequeño que sea, provocará una variación en la cantidad de movimiento.
El cambio de impulso a lo largo del tiempo es una fuerza ( principio fundamental de la dinámica ), mientras que la aceleración es un cambio de velocidad a lo largo del tiempo. Para cambiar su velocidad, un barco puede mantener una baja aceleración durante mucho tiempo o acelerar bruscamente durante un corto tiempo. Asimismo, para cambiar su impulso, el barco puede recibir un empuje débil durante un tiempo prolongado o un empuje fuerte durante un tiempo breve. Esto implica que al maniobrar en el espacio, un método de propulsión que provoca una baja aceleración durante mucho tiempo logra la misma variación en el momento que un método de propulsión que provoca una alta aceleración durante un corto tiempo. Nuevamente, si la nave espacial lucha contra la gravedad del planeta (si despega de él, por ejemplo), es necesario un empuje al menos igual a la gravedad.
Si bien algunos sistemas de propulsión espacial utilizan campos magnéticos o luz como intermediarios en esta transmisión de impulso, la mayoría imparte impulso a una masa expulsada en la dirección opuesta al empuje.
El balance de impulso se escribe para la máquina:
donde dP es la variación en el momento y v e es la velocidad de expulsión de la materia.
Esta variación se refleja, utilizando la segunda ley de Newton aplicada a la máquina, por una fuerza ejercida sobre la máquina:
donde F p es la fuerza aplicada a la máquina y el caudal de material expulsado.
Esta masa expulsada se denomina masa propulsora en oposición a las masas útiles y estructurales que incluyen la masa de la embarcación no utilizada para acelerar.
Por lo tanto, para que un motor a reacción funcione, necesita dos elementos: masa propulsora y energía. La variación de la cantidad de movimiento del recipiente durante la expulsión de una partícula de masa m a una velocidad v será, por tanto, igual a la cantidad de movimiento transmitida a la partícula, es decir, mv . La energía cinética de la partícula, a su vez es mv 2 /2 y debe ser proporcionado por el sistema de propulsión. Todos los sistemas de propulsión química utilizan la combustión como fuente de energía. Los productos de esta combustión se liberan luego, convirtiéndose en masa propulsora. En un sistema de propulsión espacial eléctrica, la electricidad se utiliza para acelerar los iones que forman la masa propulsora. Por tanto, estos sistemas necesitan energía eléctrica para funcionar. Esto puede ser proporcionado por paneles solares o por reactores nucleares .
Al diseñar sistemas de propulsión espacial, los diseñadores a menudo centran sus esfuerzos en reducir la masa propulsora transportada. La masa propulsora debe acompañar al buque mientras no se utilice y se pierda irreparablemente una vez consumida. Reducirlo tanto como sea posible minimiza el tamaño y la masa de los depósitos. Una forma de determinar la cantidad de movimiento que se puede lograr usando una masa propulsora dada es el impulso específico , que es la cantidad de movimiento obtenida por unidad de peso de combustible en la Tierra (normalmente anotado ). Se mide en segundos.
Por tanto, el impulso específico se escribe de la siguiente manera:
donde F es el empuje proporcionado por la propulsión, la tasa de material expulsado y g 0 la aceleración debida al campo de gravedad , que se supone constante cerca de la superficie de un planeta.
Dado que el peso del combustible en la Tierra a menudo es innecesario en una discusión sobre un motor espacial, el impulso específico se puede calcular por unidad de masa. Esta formulación da al impulso específico la dimensión de una velocidad (es decir, m / s). El impulso específico en este caso es la velocidad de expulsión efectiva del motor a reacción (normalmente se indica ). Los autores a veces los confunden y llaman impulso específico la tasa de eyección efectiva. Sin embargo, los dos se diferencian por un término g 0 , la aceleración estándar de la gravedad al nivel del mar es 9.806 65 m s −2 ( ).
Por lo tanto, un motor de cohete que tiene una gran velocidad de expulsión puede generar una gran variación en el momento con una masa propulsora reducida. Por otro lado, la energía cinética que se suministra a una partícula es proporcional a su masa, pero varía con el cuadrado de su velocidad de expulsión. Por lo tanto, un sistema de masa propulsor muy eficiente requiere mucha energía y, a menudo, es menos eficiente en términos de energía total gastada. Además, debe tenerse en cuenta que si bien la ganancia de masa propulsora se produce a expensas de la masa total de la embarcación, por ejemplo, al agregar una gran área de paneles solares para proporcionar energía, el balance de masa finalmente puede convertirse negativo. Este problema se vuelve crítico para un sistema que tiene que proporcionar un impulso fuerte. Efectivamente, generar una gran cantidad de movimiento con poca masa propulsora implica una velocidad de expulsión muy alta y, por tanto, mucha energía a suministrar. Como resultado, la mayoría de los motores que son muy eficientes en términos de masa propulsora a bordo proporcionan un empuje muy bajo debido a la falta de sistemas a bordo que puedan generar suficiente potencia.
Delta-v y combustibleSuponiendo que una nave espacial se opera sin ninguna interacción externa, consumir su combustible a través de su sistema de propulsión en una dirección determinada haría que su velocidad cambiara. La diferencia total entre la velocidad inicial del vehículo y su velocidad final (es decir, después de empujar) se llama delta-v ( ).
Si la velocidad de expulsión efectiva del sistema de propulsión no varía durante el empuje, el delta-v total se puede calcular utilizando la ecuación de Tsiolkovsky .
o :
Por razones históricas, a veces reemplazamos de la manera presentada anteriormente:
donde l es el momento específico y es la constante de aceleración gravitacional al nivel del mar.
Para una misión que requiere una gran cantidad de Delta-V, la mayor parte de la masa del barco es a menudo masa propulsora. Dado que un barco debe transportar toda su masa propulsora, gran parte de la masa propulsora consumida se utiliza en realidad para acelerar la masa propulsora utilizada más tarde en lugar de la masa útil. Si un buque cuya masa final m f incluye tanto la masa útil como la masa estructural necesita acelerar en un delta-v con un sistema de propulsión de velocidad de eyección , m p, la masa de propulsor requerida se puede calcular utilizando la ecuación de Tsiolkovsky como sigue:
Por lo tanto, para mucho más pequeño, la ecuación se vuelve casi lineal y es necesaria una masa propulsora muy reducida. El Si es del mismo orden de magnitud que entonces el requerimiento de masa de propulsor es típicamente aproximadamente el doble de la masa útil y estructural de la embarcación. A partir de ahí, el aumento de la masa propulsora se vuelve exponencial. Para una velocidad mucho mayor que la de expulsión, es necesaria una relación de masa muy alta entre la masa propulsora y la masa útil.
Para una misión que requiera, por ejemplo, un despegue o un aterrizaje en un planeta, los efectos de la gravedad y el arrastre creado por la atmósfera deben compensarse con la masa propulsora adicional. Es común incluir estos efectos en un balance delta-v. Así, un lanzamiento en una órbita terrestre baja requiere un delta-v entre 9,3 km / s y 10 km / s . Estos saldos delta-v generalmente se calculan numéricamente.
Algunos efectos particulares como el efecto Oberth solo se pueden usar con sistemas de propulsión de empuje muy alto como los que se usan en los lanzadores (la aceleración debe ser importante).
Energía y eficiencia energéticaPara todos los motores a reacción (como los motores de cohetes o la propulsión de iones), parte de la energía debe transmitirse a la masa propulsora para acelerarla. Cualquier sistema de propulsión disipará energía durante este proceso, pero aun suponiendo una aceleración perfecta, la energía cinética a transmitir a la masa propulsora siempre estará dada por la siguiente fórmula:
La comparación entre la ecuación de Tsiolkovsky y la de la energía cinética muestra que, aun suponiendo que la eficiencia del sistema de propulsión sea del 100%, toda esta energía no acaba en la energía cinética del vehículo, el resto se pierde en el propulsor. masa una vez que este último ha sido expulsado.
La relación entre la energía disipada en la masa propulsora y la energía impartida al barco depende del diseño del barco y de la misión. Podemos destacar algunas reglas importantes en esta área:
Ciertos sistemas de propulsión aún en fase de prueba, como el VASIMR o los propulsores de fuerza ponderomotriz, pueden modificar significativamente su velocidad de expulsión. La variación del impulso específico permite modificar el uso de la masa propulsora y mejorar la aceleración en diferentes fases de vuelo. Sin embargo, el mejor rendimiento requiere nuevamente una velocidad de expulsión cercana a la velocidad del vehículo. La mayoría de estos conceptos de motores iónicos y de plasma tienen una velocidad de expulsión mucho mayor que la velocidad del vehículo. Por ejemplo, el VASIMR tiene una velocidad de eyección mínima de alrededor de 15 km / s para comparar la órbita terrestre delta-v: la órbita lunar es de 4 km / s .
A menudo se propone en misiones que utilizan este tipo de tecnología utilizar generadores eléctricos muy potentes basados, por ejemplo, en energía nuclear. Si esta solución puede ser interesante, el rápido crecimiento de la masa del sistema eléctrico puede hacer que el concepto no sea práctico. De hecho, como se explicó anteriormente, el crecimiento de la potencia del sistema eléctrico suele estar ligado linealmente al crecimiento de su masa, mientras que la energía está vinculada al cuadrado de la velocidad.
EnergíaLa siguiente estructura abstracta se puede aplicar ampliamente a diferentes tipos de motores a reacción:
En el caso ideal, dónde está la masa útil de la embarcación y dónde está su masa propulsora (por lo tanto, se supone que la masa estructural es cero). La energía requerida para acelerar la masa propulsora de una velocidad es:
Esto corresponde a energía cinética cero para la masa propulsora una vez que se libera. Por lo tanto, nos ubicamos aquí en el caso en que la velocidad de expulsión sea igual a la velocidad del barco. Suponiendo que ahora el barco está estacionario, la masa propulsora se acelera desde la velocidad cero a la velocidad de expulsión y toda la energía se transmite a la masa propulsora. En la mayoría de los casos, sin embargo, estamos entre estos dos casos límite y el barco pierde parte de la energía cinética creada debido a la velocidad de expulsión de la masa propulsora. Tomemos el ejemplo en el que tenemos una velocidad de expulsión = 10 km / sy una velocidad del barco de 3 km / s . Durante el funcionamiento del sistema de propulsión, tenemos por tanto una parte de la masa propulsora cuya velocidad se modifica y va desde los 3 km / s en la dirección de avance de la embarcación hasta los 7 km / s en la dirección opuesta a la velocidad del buque. Por tanto, de los 50 MJ / kg gastados para acelerar la masa propulsora, 24,5 MJ / kg se pierden en la aceleración de la masa propulsora (de 0 a 7 km / s ) y por tanto sólo se utilizan 25,5 MJ / kg para la aceleración de el recipiente.
En el caso general, esta ecuación se escribe de la siguiente manera:
donde es la velocidad del vehículo, la velocidad de expulsión de la masa propulsora y la masa del vehículo.
Por lo tanto, la densidad de masa de energía ganada por la nave espacial durante un intervalo de tiempo es la energía ganada por el vehículo, incluida la masa propulsora no consumida, dividida por la masa del vehículo. Esta energía ganada por el vehículo es igual a la energía producida por el sistema de propulsión menos la energía perdida en la masa propulsora expulsada. Cuanto mayor sea la velocidad del vehículo, menor será la pérdida de energía en la masa propulsora expulsada; si el vehículo se mueve a más de la mitad de la velocidad de expulsión, la masa expulsada incluso pierde energía para el vehículo.
Se tiene :
donde es la densidad de masa de la energía mecánica del vehículo. En el caso de que el sistema de propulsión se utilice para desacelerar, la expulsión de la masa en la dirección de la velocidad se vuelve negativa.
Esta fórmula se aplica nuevamente solo para el caso ideal en el que el recipiente no tiene pérdida de energía, por ejemplo, por calor. Las pérdidas son en cualquier caso en desventaja del sistema de propulsión ya sea en aceleración o desaceleración ya que reducen la energía dedicada al empuje.
Si la energía es producida por la propia masa propulsora, como en un motor químico, la densidad de energía debe ser , sabiendo que deben tenerse en cuenta las masas del reductor y del oxidante. Un ejemplo común es = 4.5 km / s , correspondiente a una densidad de energía de 10.1 MJ / kg (combustión de hidrógeno). La densidad de energía real de esta combustión es mayor, pero las pérdidas térmicas y mecánicas dan como resultado este valor más bajo.
La energía requerida se puede escribir así:
En conclusión :
Todos estos resultados solo son válidos para una velocidad de expulsión fija.
Debido al efecto Oberth, y asumiendo que el empuje comienza a una velocidad distinta de cero, la energía que debe desarrollar el sistema de propulsión puede ser menor que la energía cinética diferente de la masa final del vehículo (es decir, la suma de la masa estructural, la masa útil y la masa propulsora no consumida). Este es el caso, por ejemplo, cuando la masa propulsora se expulsa a una velocidad inferior a la del vehículo, en cuyo caso el vehículo puede apropiarse de parte o de la totalidad de la energía cinética inicial de la masa propulsora (debido a su velocidad antes de empujar ).
El poder viene dado por:
donde está el empuje y es la aceleración del vehículo. Por lo tanto, el empuje teórico disponible por unidad de potencia es dos dividido por la velocidad de expulsión. La eficiencia de empuje se calcula comparando el empuje real del motor con este empuje teórico.
En el caso de poca potencia disponible (utilizando un panel solar, por ejemplo), la aceleración se reduce, de hecho, en el caso de una alta velocidad de expulsión de los motores eléctricos, hay una aceleración posible muy baja, esto aumenta por lo tanto el tiempo necesario para obtener el . Por tanto, la velocidad de obtención es inversamente proporcional a la velocidad de expulsión para una eficiencia del 100%.
Para uno tiene por tanto , con el empuje del tiempo.
Ejemplos:
La relación de potencia a empuje se escribe:
En consecuencia, para un vehículo de potencia P, el empuje se escribe:
Ejemplo para varios motores a reacciónSupongamos que queremos enviar una sonda de 10.000 kg a Marte. El delta-v requerido desde la órbita terrestre baja es de aproximadamente 3000 m / s usando una transferencia de Homann. En este ejemplo, se supondrá que los sistemas de propulsión propuestos a continuación son todos compatibles con dicha maniobra.
Motor | Velocidad de expulsión efectiva (km / s) |
Impulso (s) específico (s) |
Masa de propulsor (kg) |
Energía requerida (GJ) |
Densidad de masa de energía de la masa propulsora |
Relación mínima potencia / empuje | Relación masa / empuje del generador de energía * |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Propulsión de propulsante sólido | 1 | 100 | 190.000 | 95 | 500 kJ | 0,5 kW / N | N / A |
Propulsión de propulsante líquido | 5 | 500 | 8.200 | 103 | 12,6 MJ | 2,5 kW / N | N / A |
Motor de iones | 50 | 5,000 | 620 | 775 | 1,25 GJ | 25 kW / N | 25 kg / N |
Sistema de propulsión avanzado (concepto) | 1000 | 100.000 | 30 | 15.000 | 500 GJ | 500 kW / N | 500 kg / N |
* - asume una potencia específica de 1 kW / kg
Podemos observar aquí que los motores que consumen poco combustible pueden efectivamente reducir mucho la masa propulsora en comparación con la masa útil: aquí la sonda de 10 t . La masa puede alcanzar proporciones insignificantes como en el caso del concepto de propulsión avanzada. Por otro lado, cabe destacar que en este caso la energía requerida es muy elevada. A esto se suma el problema de que la relación empuje / peso de un vehículo tenga que ser superior a 1 si despegamos de una estrella. Para lograr tales niveles de empuje, los sistemas de propulsión eléctrica deben desarrollar potencias del orden de Gigavatios, que es el equivalente al consumo de electricidad de una pequeña ciudad industrializada. Por lo tanto, actualmente es imposible en vista de las técnicas de generación de energía que se pueden llevar a bordo de un vehículo espacial.
Algunos conceptos alternativos utilizan una transmisión de la potencia de un generador externo, por ejemplo, al enfocar la energía de un láser u otro rayo de energía en el vehículo, la masa propulsora ya no sirve para dar energía. Sirve para la propulsión sino simplemente estar allí para ser acelerado por esta energía externa. Sin embargo, este tipo de concepto presenta grandes dificultades en su implementación tanto en el espacio como en el suelo.
También se utiliza la generación de energía a baja potencia y su acumulación para ser liberada por sucesivas descargas en el propulsor. Estas soluciones solo se pueden usar una vez que ya estén en el espacio. Después de una larga fase de propulsión por sucesivos pequeños chorros, la sonda alcanza el delta-v deseado. Por ejemplo, la sonda SMART-1 que usa un motor de iones tenía varios cientos de fases propulsoras generando gradualmente el delta-v necesario para enviarlo a la órbita alrededor de la Luna . Este método requirió más de un año de espera antes de llegar a la Luna, mientras que los métodos de propulsión química requieren menos de una semana. Por otro lado, la cantidad de combustible requerida era mucho menor que la de un motor químico y la masa de lanzamiento es a menudo un factor de costo significativo en las misiones espaciales.
Por lo tanto, la selección preliminar de cualquier misión debe tener en cuenta estos diferentes factores (masa, tiempo de operación, flexibilidad una vez en órbita, ventanas de lanzamiento, etc.) para determinar qué concepto es el menos costoso y ofrecerá las mejores posibilidades de éxito. .
Motores de coheteLa mayoría de los motores de cohete son motores de combustión interna , aunque existen algunos tipos de motores que no utilizan combustión. Los motores de cohetes generalmente producen una masa propulsora a alta temperatura, expulsada como un gas muy caliente. Esta temperatura se produce quemando un combustible sólido, líquido o gaseoso en presencia de un oxidante en una cámara de combustión . Estos gases extremadamente calientes se llevan luego a una boquilla para relajarlos. Estas boquillas, generalmente en forma de campana, dan a la mayoría de los motores de cohetes su apariencia reconocible. Estas boquillas permiten la expansión y aceleración del gas de escape, transfiriendo así la energía térmica del gas en energía cinética. Las velocidades de expulsión de dichos motores suelen estar entre 2 y 10 veces la velocidad del sonido al nivel del mar.
En el campo de la propulsión espacial, los motores de los cohetes producen las potencias y empujes específicos más importantes.
Ciertos conceptos de motores de cohetes que utilizan propulsión nuclear térmica también permiten alcanzar potencias y empujes cercanos a los niveles de los motores de cohetes químicos, pero su uso se limita a demostradores de prueba.
Propulsión eléctricaSin depender de la expansión del gas a alta temperatura para acelerar la masa propulsora, estos motores utilizan una amplia variedad de soluciones para acelerarla utilizando fuerzas electrostáticas o electromagnéticas . En este tipo de sistema, la masa propulsora suele ser un flujo de iones . Estos motores utilizan energía eléctrica para ionizar los átomos de la masa propulsora y luego crean campos eléctricos para acelerar los iones a su velocidad de expulsión.
El concepto de propulsión eléctrica se remonta a 1906 cuando Robert Goddard lo propuso en su cuaderno de investigación. Constantin Tsiolkovsky publicó el concepto en 1911.
Para estos sistemas de propulsión, que producen altas velocidades de expulsión, la eficiencia del combustible y el empuje son inversamente proporcionales a su velocidad de expulsión. Sus altas velocidades de expulsión requieren una gran potencia eléctrica y hacen que estos conceptos sean imposibles para empujes fuertes por falta de sistemas de producción de energía suficientemente potentes. En teoría, estos sistemas pueden utilizar casi cualquier tipo de masa propulsora.
Para algunas misiones, especialmente aquellas cercanas al Sol , la energía solar es suficiente y a menudo se ha utilizado en el pasado, pero para explorar estrellas más distantes fuera del sistema solar interior como Júpiter o Saturno , se deben encontrar otros medios de producción de electricidad. como la energía nuclear . Estos conceptos se denominan propulsión nuclear eléctrica .
En la mayoría de estos conceptos, la masa del sistema de conversión y producción de energía es mucho más importante en el diseño del barco que la masa del propulsor porque es muy sensible a las necesidades de la misión.
La mayoría de los reactores nucleares ofrecen potencias específicas aproximadamente la mitad de las desarrolladas por los paneles solares cerca de la Tierra. Los generadores químicos de electricidad no se consideran para estos conceptos porque son demasiado limitados en energía total. Los conceptos que utilizan energía dirigida (láser, partículas, etc.) enviada a la nave espacial desde la Tierra pueden ser potencialmente una solución, pero hoy se encuentran en un estado de concepto no demostrado tecnológicamente. Además, todos estos sistemas de propulsión tienen eficiencias de conversión de energía que son demasiado bajas para alcanzar velocidades que permitan viajes interestelares.
Algunos métodos de propulsión eléctrica:
En los propulsores electrotérmicos y electromagnéticos, los iones y los electrones se aceleran al mismo tiempo, por lo que no es necesaria la neutralización del haz.
La ley de conservación del momento establece que un propulsor que no utilice masa propulsora no puede acelerar el centro de masa del barco (sin embargo, es posible cambiar su orientación). Sin embargo, el espacio no está totalmente vacío, especialmente cuando se permanece dentro de los límites del sistema solar. Hay campos de gravedad, campos magnéticos, vientos solares y otras radiaciones, por ejemplo, solares. Muchos conceptos de propulsión intentan aprovechar estos entornos para acelerar la nave. Sin embargo, como estos efectos son muy difusos, las estructuras propulsoras implicadas suelen ser muy importantes para poder beneficiarse de ellos.
Hay varios conceptos de propulsión que utilizan poca o ninguna masa de propulsor para funcionar. El concepto de satélite cautivo, por ejemplo, utiliza un cable largo y muy resistente para cambiar de órbita, reproduciendo a menor escala el concepto del efecto cabestrillo. Las velas solares utilizan la presión de la radiación solar para la propulsión, lo que requiere una gran área de exposición a la radiación solar y grandes esfuerzos para limitar el peso de la embarcación. Las redes magnéticas desvían las partículas cargadas del viento solar con un campo magnético, recuperando así una parte de su impulso. Una variación de este concepto se llama propulsión de plasma mini-magnetosférico, que utiliza una pequeña nube de plasma para alterar la trayectoria de estas mismas partículas. Los conceptos de velas eléctricas como para ellos proponen el uso de hilos muy finos y muy ligeros a través de los cuales una corriente eléctrica permanente permite la deflexión de las partículas de los vientos solares. Algunas demostraciones de vuelo se realizaron con el concepto de vela solar como IKAROS o NanoSail-D .
Una nave espacial está sujeta al teorema de la conservación del momento angular, por lo tanto, cualquier cambio en su momento es el producto de una fuerza de compensación (principio del Sistema de Control de Reacción ), por lo tanto de una masa propulsora expulsada, o de la creación de un momento inverso en el recipiente (principio de las ruedas de reacción ). Las fuerzas externas no conservadoras como la gravedad o la resistencia atmosférica pueden contribuir a la creación de tiempo en la nave espacial. Por tanto, es necesario un sistema de control de actitud en las naves espaciales para poder gestionar la orientación.
Otro método es la asistencia por gravedad, que puede acelerar una sonda sin masa propulsora recuperando parte de la energía cinética de un planeta por gravedad. Estas ayudas gravitacionales pueden permitir niveles muy altos de aceleración si se combinan con el uso de un motor de cohete.
Para el lanzamiento desde la Tierra, el empuje es un factor muy importante. De hecho, la gravedad tiende a sujetar el lanzador mientras se eleva hacia el espacio y, por lo tanto, el empuje del sistema de propulsión debe ser imperativamente mayor que la gravedad. Muchos de los tipos de propulsión presentados en la sección anterior, como la propulsión iónica , no proporcionan una relación empuje-peso mayor que 1 y, por lo tanto, no se pueden utilizar para el lanzamiento desde la Tierra.
La mayoría de las naves espaciales utilizan motores de cohetes químicos para su lanzamiento desde la Tierra. Se han propuesto y probado otras fuentes de energía, como la propulsión térmica nuclear, pero hasta ahora nunca se han utilizado por razones políticas, medioambientales y de seguridad.
Una de las ventajas de las naves espaciales que parten desde tierra es que podrían a priori contar con la ayuda de la infraestructura terrestre. Las propuestas de lanzamiento espacial sin cohetes incluyen muchos proyectos cuyo tamaño limita su aplicación en un futuro próximo. Podemos citar por ejemplo:
La mayoría de los estudios muestran que la mayoría de los motores aeróbicos convencionales, como los turborreactores o los ramjets, tienen una relación empuje / peso demasiado baja para ser utilizada en naves espaciales sin sacrificar el rendimiento. Por otro lado, el lanzador podría lanzarse desde un vehículo usando este modo de propulsión (como para Pegasus o SpaceShipTwo ). Ciertos conceptos de sistemas citados en los sistemas de lanzamiento asistido, como los lanzamientos de trineos, también utilizan motores aeróbicos.
Paralelamente, actualmente se están estudiando algunos motores específicos para su uso en naves espaciales durante el ascenso inicial (la fase de vuelo atmosférico):
La mayoría de los lanzadores despegan verticalmente y luego inclinan gradualmente su trayectoria para llevarla horizontal al explotar las fuerzas de la gravedad ( giro de la gravedad ). Esta maniobra se realiza a una altitud de varias decenas de kilómetros. La primera fase de ascenso vertical permite limitar la pérdida de energía por fricción atmosférica al reducir el tiempo de permanencia a baja altura, donde la atmósfera es más densa y por tanto donde las fuerzas de fricción son mayores. Los motores aeróbicos son mucho más eficientes que los motores de cohetes durante esta fase y, por lo tanto, en los conceptos de cohetes que utilizan una etapa aeróbica, el lanzador pasa la mayor parte de su fase de propulsión en la atmósfera para hacer el mejor uso de estos motores.
Cuando una nave espacial entra en la esfera de influencia de un planeta para ponerse en órbita, o cuando una nave desea aterrizar en ese planeta, debe ajustar su velocidad. Esta maniobra se puede realizar mediante determinados métodos utilizando la atmósfera de la estrella que permiten reducir el coste de combustible de estas maniobras (si aportan suficiente delta-v).
Se proponen muchos conceptos futuristas en el campo de la propulsión espacial. La mayoría debe tomarse con mucho cuidado en cuanto a su viabilidad, ya que sus hipótesis son muy difíciles de demostrar. Ejemplos de conceptos tan especulativos están representados en el programa de física de propulsores avanzados de la NASA . Allí encontramos:
A continuación se muestra una tabla que resume los métodos de propulsión espacial que van desde los conceptos más clásicos hasta los más futuristas. Se dan las siguientes características:
Métodos |
Velocidad de expulsión específica (km / s) |
Empuje (N) |
Empuje de tiempo (orden de magnitud) |
Delta-v máximo (km / s) |
Nivel de madurez tecnológica |
---|---|---|---|---|---|
Propulsión de propulsante sólido | 1 - 4 | 10 3 - 10 7 | minutos | ~ 7 | 9: Demostrado en vuelo |
Propulsión híbrida | 1,5 - 4,2 | <0,1 - 10 7 | minutos | > 3 | 9: Demostrado en vuelo |
Propulsión líquida Monergol | 1-3 | 0,1 - 100 | milisegundos-minutos | ~ 3 | 9: Demostrado en vuelo |
Biergols de propulsión líquida | 1 - 4,7 | <0,1 - 10 7 | minutos | ~ 9 | 9: Demostrado en vuelo |
Propulsor de iones electrostáticos | 15 - 210 | 10 -3 - 10 | meses / años | > 100 | 9: Demostrado en vuelo |
Propulsor de efecto Hall | 8 - 50 | 10 -3 - 10 | meses / años | > 100 | 9: Demostrado en vuelo |
Resistojet | 2-6 | 10 -2 - 10 | minutos | ? | 8: calificado para vuelo |
Arcjet | 4 - 16 | 10 -2 - 10 | minutos | ? | 8: calificado para vuelo |
Propulsión eléctrica de emisión de campo | 100 - 130 | 10 -6 - 10 -3 | meses / años | ? | 8: calificado para vuelo |
Propulsor de plasma pulsado | ~ 20 | ~ 0,1 | ~ 2,000–10,000 horas | ? | 7: demostrador probado en vuelo |
Propulsión líquida de modo dual | 1 - 4,7 | 0,1-10 7 | milisegundos - minutos | ? | 7: demostrador probado en vuelo |
Velo solar |
Luz 145-750: Viento solar |
299790: AU | 9 / km 2 a 1Infinito | ~ 3 - 9 | 9: Control de vuelo por presión solar demostrado en vuelo ( Mariner 10 ) 6: Despliegue demostrado en vuelo 5: Concepto validado durante la prueba en tierra |
Propulsión de propulsante líquido Triergol | 2.5 - 5.3 | 0,1 - 10 7 | minutos | ~ 9 | 6: Prototipo demostrado en el suelo |
Propulsor magnetoplasmadynamic | 20 - 100 | 100 | semanas | ? | Prototipo 6: 1 kW demostrado en vuelo |
Propulsión nuclear térmica | 9 | 10 7 | minutos | > ~ 20 | 6: Prototipo demostrado en el suelo |
Catapulta electromagnética | 0,001 - ~ 30 | 10 4 - 10 8 | mes | ? | 6: 32 modelo MJ demostrado en la planta |
Satélite cautivo | N / A | 1 - 10 12 | minutos | ~ 7 | 6: modelo de 31,7 km demostrado en el espacio |
Cohete de aire aumentado | 5-6 | 0,1 - 10 7 | segundos-minutos | > 7? | 6: Prototipo probado en el suelo |
Motor de ciclo de aire líquido | 4.5 | 10 3 - 10 7 | segundos-minutos | ? | 6: Prototipo probado en el suelo |
Propulsor inductivo pulsado | 10 - 80 | 20 | mes | ? | 5: Componentes probados al vacío |
VASIMR | 10 - 300 | 40 - 1200 | días / mes | > 100 | 5: Componentes probados al vacío |
Propulsor amplificado oscilante de campo magnético | 10 - 130 | 0,1 - 1 | días / mes | > 100 | 5: Componentes probados al vacío |
Cohete solar térmico | 7 - 12 | 1 - 100 | semanas | > ~ 20 | 4: Componentes probados en laboratorio |
Propulsión radioisotópica | 7 - 8 | 1,3 - 1,5 | mes | ? | 4: Componente probado en laboratorio |
Propulsión nuclear eléctrica (depende del método de propulsión eléctrica utilizado) |
Variable | Variable | Variable | ? | 4: Componentes probados en laboratorio |
Proyecto Orion | 20 - 100 | 10 9 - 10 12 | varios días | ~ 30 - 60 | 3: demostrador de concepto de 900 kg probado |
Ascensor espacial | N / A | N / A | infinito | > 12 | 3: Concepto validado |
SABLE | 4.5 - 30 | 0,1 - 10 7 | minutos | 9.4 | 3: Concepto validado |
Vela magnética | 145 - 170 | ~ 1 | infinito | ? | 3: Concepto validado |
Propulsión láser | Variable | Variable | Variable | ? | 3: demostrador de 71 m probado |
Anillos espaciales | N / A | ~ 10 4 | minutos | >> 11 - 30 | 2: Concepto propuesto |
Propulsión nuclear pulsada | 20 - 1000 | 10 9 - 10 12 | años | ~ 15 000 | 2: Concepto propuesto |
Propulsión nuclear por núcleo gaseoso | 10 - 20 | 10 3 - 10 6 | ? | ? | 2: Concepto propuesto |
Propulsión nuclear por elementos disueltos Cohete nuclear de agua salada |
100 | 10 3 - 10 7 | media hora | ? | 2: Concepto propuesto |
Propulsión por fragmentos de fisión | 15.000 | ? | ? | ? | 2: Concepto propuesto |
Cohete Nuclear Fotónico | 299,790 | 10 -5 - 1 | años / décadas | ? | 2: Concepto propuesto |
Fusión nuclear | 100 - 1000 | ? | ? | ? | 2: Concepto propuesto |
Propulsión nuclear pulsada catalizada por antimateria | 200 - 4000 | ? | días / semanas | ? | 2: Concepto propuesto |
Propulsión de antimateria | 10,000 - 100,000 | ? | días / semanas | ? | 2: Concepto propuesto |
Coleccionista Bussard | 2,2 - 20 000 | ? | infinito | ~ 30 000 | 2: Concepto propuesto |
Métodos |
Velocidad de expulsión específica (km / s) |
Empuje (N) |
Empuje de tiempo (orden de magnitud) |
Delta-v máximo (km / s) |
Nivel de madurez tecnológica |
La mayoría de los sistemas de propulsión espacial se prueban en tierra reproduciendo con diversos grados de realismo las condiciones operativas esperadas. Existen muchos tipos de pruebas. Las pruebas en el banco de pruebas de motores de cohetes se utilizan tanto para demostrar el funcionamiento del motor como para su configuración antes del vuelo. Debido a su peligrosidad, la mayoría de estas instalaciones están ubicadas lejos de los hogares. Los motores de cohetes que deben funcionar en vacío, como los propulsores de iones o los motores de etapa superior, se prueban en cámaras de vacío.