El acceso al espacio es muy costoso y es una de las principales razones que nos impide seguir explorando el sistema solar. Con la llegada de lanzadores parcialmente reutilizables, puede comenzar a moverse. Sin embargo, estamos muy lejos del sueño de un vehículo espacial que sea tan fácil de usar como un automóvil o un avión. Esto implicaría un vehículo totalmente reutilizable y especialmente capaz de alcanzar la órbita de la Tierra sin perder sus etapas.
Los cohetes de múltiples etapas han demostrado su eficacia desde el comienzo de la era espacial.
Todos los cohetes tienen un diseño de etapas múltiples porque la masa muerta es el enemigo jurado del acceso a la órbita. Para tener la oportunidad de estar en órbita, la gran mayoría de la masa de un lanzador debe consistir en propulsores. Al soltar la masa muerta a medida que subimos, nos aseguramos de preservar esta relación y, por lo tanto, el rendimiento del cohete. Hay muchas maneras de hacer esto. Podemos apilar etapas, cada una con sus propios motores, una encima de la otra o incluso una al lado de la otra.
Con una arquitectura que usa refuerzos, obtenemos cohetes de dos o tres etapas que además pueden usar varios refuerzos liberables. Funciona bastante bien incluso si necesariamente las posibilidades de reutilización de todos los elementos son limitadas. Este diseño se impuso rápidamente en los primeros lanzadores de la era espacial. Sin embargo, algunos ingenieros han tratado de imaginar lanzadores de una etapa (SSTO), que se percibe como la clave para la reutilización total y, por lo tanto, un costo reducido de acceso al espacio.
Los conceptos de lanzadores de etapa única (SSTO) enfrentan muchos desafíos técnicos
Si ninguna de estas máquinas vuela hoy, es porque este tipo de arquitectura impone restricciones radicales. ¿Cómo mantener la masa del lanzador al mínimo sin tirar nada durante el viaje? ¿Cómo construir un motor eficiente en todas las etapas del vuelo, con una gran potencia de despegue y un fuerte impulso específico una vez fuera de la atmósfera? ¿Y especialmente cómo insertar una carga útil cuando la masa del vehículo ya plantea muchos problemas? Este es el rompecabezas que los lanzadores SSTO (Single Stage To Orbit) están tratando de resolver, vehículos espaciales con rendimientos necesariamente más bajos, pero que estarían compuestos por una reutilización total. Ha habido muchos conceptos de estudio sobre el tema y algunos de estos proyectos aún están en desarrollo.
Ya en la década de 1960, Philip Bono, ingeniero de Douglas, imaginó una serie de conceptos cada vez más avanzados. Los primeros conceptos engañan un poco al usar tanques de combustible descartables, pero muy rápidamente regresa con arquitecturas realmente SSTO, y especialmente reutilizables. Sus primeros trabajos destacan las tecnologías clave de dicha arquitectura. Para Philip Bono, un lanzador SSTO debe poder despegar y aterrizar verticalmente (VTVL = Despegue vertical y aterrizaje vertical). El lanzador debe tomar la forma de un cohete y no un avión porque las alas son un peso muerto demasiado importante. Solo el par hidrógeno-oxígeno puede ofrecer la potencia y el impulso específico necesarios para todas las fases del vuelo.
El demostrador Delta Clipper SSTO se probó en la década de 1990
Las ideas de Philip Bono causaron una gran impresión en McDonnell Douglas, que comenzó a desarrollar el demostrador Delta Clipper a principios de la década de 1990. Este demostrador ofrece una buena visión general a pequeña escala de cómo se vería este tipo de arquitectura: forma cónica del cohete, motores hidrológicos, empuje modular, materiales livianos y la necesidad de protección térmica para la reentrada atmosférica.
El Delta Clipper realizó 12 vuelos. Nunca ha pasado más de 3 kilómetros, pero este demostrador ha podido demostrar el alto potencial de reutilización de esta arquitectura con a veces solo más de 24 horas entre dos vuelos. El programa Delta Clipper nunca condujo a un modelo orbital, pero algunos de los ingenieros que trabajaron en el proyecto ahora están en Blue Origin.
Lockheed Martin desarrolló un concepto de avión espacial antes de ser cancelado
Aunque Philip Bono no lo creía, la idea de un vehículo en forma de avión sedujo a otros equipos. Casi al mismo tiempo que McDonnell Douglas estaba probando el Delta Clipper, Lockheed Martin estaba comenzando a trabajar en el X-33. Fue una demostración para probar todas las tecnologías necesarias para desarrollar un vehículo SSTO.
Lockheed Martin y la NASA habían identificado un conjunto de tecnologías que podrían hacer posible tal proyecto: una forma para facilitar el reingreso a la atmósfera, un despegue vertical y un aterrizaje horizontal, boquillas de aerospyke adaptadas a todas las fases del vuelo, el uso del par de hidrógeno y oxígeno líquido. El X-33 fue principalmente para usar materiales compuestos para minimizar el peso del combustible. Para la NASA, estas fueron las claves para diseñar un vehículo que pudiera volar nuevamente en unos días y requerir menos mantenimiento.
La Agencia Espacial de los Estados Unidos vio en este programa la oportunidad de hacer que el acceso a la órbita de la Tierra sea diez veces más seguro y diez veces más barato. Pero eso no fue tan bien. El proyecto fue cancelado en 2001 debido a dificultades técnicas. En particular, la fabricación de tanques de combustible hechos de materiales compuestos. Es una pena cuando sabemos que los tanques criogénicos de fibra de carbono han progresado enormemente.
El modelo SSTO no interesa a muchas personas porque existen otras soluciones probadas
Hoy, no podemos decir que los vehículos SSTO generen mucho interés. La recuperación parcial parece haber valido la pena desde que SpaceX demostró que el salto tecnológico no es tan importante. Todavía hay un equipo en el Reino Unido que quiere creer en el desarrollo del avión espacial Skylon.
Para que las arquitecturas SSTO sean realmente interesantes, es posible que tengamos que estudiar otras soluciones además de la propulsión química. Con la energía nuclear, podemos tener tanto un alto poder como un gran impulso específico. Los motores nucleares alcanzaron etapas avanzadas de desarrollo ya en la década de 1960. La propulsión nuclear térmica proporcionaría empuje relajando el hidrógeno a través del calor de un reactor. Esto daría como resultado un fuerte impulso, pero que sigue siendo insuficiente para impulsar una primera etapa o un vehículo SSTO.
No se lanzará ningún vehículo espacial SSTO en poco tiempo
John Bucknell, ex ingeniero del motor Raptor de SpaceX, imaginó en 2015 una forma de mejorar la potencia y la eficiencia de dicho sistema. A la manera del plano espacial Skylon, sería cuestión de atraer aire a la atmósfera para agregar un ciclo de combustión a la propulsión nuclear térmica. En dicho motor, el hidrógeno se expande primero al ser calentado por un reactor nuclear y luego se inyecta en una cámara de combustión donde se quema en contacto con el aire atmosférico. Esto da como resultado un gran aumento en el empuje y el impulso específico durante la primera fase del vuelo.
John Bucknell cree que dicho sistema produciría un cohete SSTO verdaderamente poderoso capaz de entregar una gran carga útil en órbita y más allá. Obviamente, debería ser reutilizable para ser económicamente viable porque las tecnologías aplicadas son muy complejas. Tal motor probablemente no se desarrollará durante mucho tiempo, ni un vehículo orbital SSTO. Las restricciones aún parecen demasiado importantes en comparación con la ganancia esperada.
Hasta ahora, se prevé otra pista para permitir la reutilización total de vehículos espaciales. El Starship de SpaceX y su refuerzo mantienen la arquitectura en dos etapas, pero tratamos de recuperarlos por separado. No es necesario un descanso tecnológico fundamental. Si la nave espacial logra un día aterrizar en la Luna o en el planeta Marte, tendrá que despegar nuevamente para aterrizar en la Tierra, como un verdadero vehículo SSTO.
Images by A. Mann / Glenn Research Center [Public domain] / NASA/MSFC [Public domain]
Fuentes
