Los aviones espaciales de próxima generación son la evolución de vanguardia del sueño del transbordador espacial

S de la NASAritmo transbordador operó en órbita terrestre baja durante 30 años antes de su retiro en 2011. Sin embargo, la agencia espacial estadounidense reemplazo para este vehículo, Orion, volvió al diseño de cápsula cónica familiar de las misiones Apolo. Esto se debió a que la NASA tenía la intención de que esta nueva nave se usara para explorar Objetivos en el espacio profundo, como la Luna.

Pero en los últimos años, hemos visto un regreso del diseño de aviones espaciales. Desde 2010, la Fuerza Espacial de EE.UU. (y anteriormente la Fuerza Aérea de EE.UU.) ha sido lanzamiento de un avión espacial robótico llamado X-37B en órbita terrestre baja en misiones clasificadas. China tiene la propia avión espacial militar llamado Shenlong.

Este año se podría realizar un vuelo de prueba de la empresa Sierra Space Cazador de sueños – el primer avión espacial comercial capaz de realizar vuelos orbitales. Si todo va bien, el vehículo podría usarse para reabastecer la Estación Espacial Internacional (ISS) con carga y, eventualmente, tripulación.

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Los aviones espaciales pueden volar o planear en la atmósfera de la Tierra y aterrizar en pistas en lugar de usar paracaídas para aterrizar en agua o en terreno plano. cápsulas. También son más maniobrables a medida que la nave espacial vuelve a entrar en la atmósfera, aumentando el área de la superficie de la Tierra desde donde es posible aterrizar un punto específico de reentrada.

Los aviones espaciales también permiten una trayectoria de vuelo más suave pero más larga durante el reingreso y un aterrizaje más suave, que es más fácil para la tripulación y la carga que las cápsulas. , que puede aterrizar con un golpe. Una pista también permite que los equipos de apoyo en tierra y la infraestructura estén listos en el lugar de aterrizaje.

Costo y complejidad

Pero los aviones espaciales son más complejos y más pesados que una cápsula equivalente. La forma alada del cuerpo plantea un desafío particular para el diseño de sistemas de protección térmica ( TPS): los materiales resistentes al calor que protegen la nave de temperaturas abrasadoras al reingreso. Estos costos adicionales significan que no es práctico diseñar un avión espacial para un solo vuelo. Deben usarse una y otra vez para que sean viables.

Ha habido interés en los aviones espaciales desde los primeros días de los vuelos espaciales tripulados. Un proyecto de avión espacial militar llamado Dyna-Soar fue iniciado en los Estados Unidos en 1957, y luego cancelado justo después de empezada la construcción. El vehículo era sofisticado para su época, construido usando un aleación de metal que es capaz de soportar altas temperaturas y que presenta un escudo térmico en el frente que podría desprenderse después de regresar de espacio, para que el piloto pudiera ver claramente durante el aterrizaje.

El transbordador espacial, que entró en servicio en 1981, fue el primer avión espacial operativo. Se suponía que se lanzaría con más frecuencia de lo que lo hizo y tener mayor reusabilidad pero resultó que se necesitó una remodelación amplia entre lanzamientos. Sin embargo, demostró la capacidad de regresar astronautas y grandes cargamentos desde órbita.

Otras agencias espaciales invirtieron en las décadas de 1980 y 1990, en Europa, con el avión espacial Hermes, y Japón, con el vehículo HOPE.Ambos programas fueron cancelados en gran parte debido al costo. La Unión Soviética desarrolló su propio vehículo tipo lanzadera llamado Buran, que voló con éxito al espacio una vez en 1988. El programa fue cancelado después del colapso de la Unión Soviética.

Sintiendo el calor

Los aviones espaciales tienen requisitos específicos para la parte final de sus viajes, cuando regresan del espacio. Durante el reingreso a la atmósfera, se calientan a más de mil grados centígrados mientras viajan a velocidades hipersónicas de más de siete kilómetros por segundo, más de 20 veces la velocidad del sonido. Un diseño de punta roma (donde el borde de la nave espacial está redondeado) es una forma ideal porque reduce la acumulación de calor en la parte más adelante del vehículo.

Aun así, las temperaturas esperadas que experimentará la nave aún pueden ser tan altas como 1.600 grados C, lo que requiere un sistema de protección térmica en el exterior del vehículo. El transbordador espacial TPS Incluía baldosas de cerámica que eran especialmente resistentes al calor y una matriz de carbono-carbono reforzada que era capaz de soportar temperaturas de hasta 2.400 grados. C.

el pérdida del transbordador Columbia durante el reingreso en 2003, que causó la muerte de siete astronautas, fue el resultado de una brecha en el TPS en el borde de avanzada del ala. Esto resultó de un pedazo de espuma aislante que salió volando del tanque externo del transbordador durante el lanzamiento del Columbia y golpeó el ala.

Este problema de la espuma era recurrente con el transbordador debido a la forma en que se lanzaba en el costado del tanque de propulsor externo. Pero el avión espacial más nuevo Los diseños volarán encima de cohetes convencionales, donde la caída de espuma no es un problema.

Un TPS efectivo sigue siendo vital para el éxito futuro de los aviones espaciales, al igual que los sistemas que monitorean el rendimiento del TPS en tiempo real.

Vehículos actuales

Actualmente hay dos aviones espaciales en funcionamiento, uno chino y otro estadounidense, que pueden alcanzar la órbita. Hay poca información disponible sobre el Shenlong de China, pero El X-37B del ejército estadounidense es más conocido. Con un peso de cerca de cinco toneladas métricas en el momento del lanzamiento, el vehículo no tripulado de nueve metros de largo se lanza utilizando un cohete convencional. y aterriza de forma autónoma en una pista al final de su misión.

El TPS del X-37B utiliza tejas similares al transbordador sobre la superficie inferior con una alternativa de menor costo a las reforzadas. carbono-carbono llamado Tufroc, desarrollado para el X37B, en el morro y los bordes de ataque.

Pronto se les debería unir DreamChaser, que fue desarrollado por la compañía para transportar cargamento y astronautas, pero la NASA quiere para demostrar su seguridad antes de transportar personas usándolo para transportar carga a la estación espacial primero. La capacidad de devolver carga comparativamente frágil a la superficie debido a un aterrizaje más suave es una capacidad clave. Las baldosas que protegen Dream Chaser están hechas de sílice, y cada uno tiene una forma única coinciden con el área del vehículo que están diseñados para proteger.

Desarrollos futuros

Existe un interés continuo en los aviones espaciales debido a su capacidad para devolver la tripulación y la carga a una pista. La demanda de esta capacidad es limitada Pero si los costos de los lanzamientos al espacio continúan cayendo y una expansión de la industria en el espacio aumenta la demanda, se convertirán en un alternativa cada viable a las cápsulas.

A más largo plazo, también existe potencial para aviones espaciales capaces de alcanzar la órbita después de despegar de una pista. Los desafíos de desarrollar estos vehículos etapa-órbita (SSTO) es considerable. Sin embargo, conceptos como el vehículo Skylon están conduciendo a desarrollos técnicos que eventualmente podrían apoyar el desarrollo de una nave SSTO.

En el futuro previsible, los aviones espaciales parecen prometedores por las siguientes razones: nuevas técnicas de diseño, materiales mejorados para el TPS, modelado por computadora avanzado y herramientas de simulación para optimizar diferentes aspectos del diseño y parámetros de vuelo y mejoras continuas en los sistemas de propulsión.

Dado que varios gobiernos, agencias espaciales y empresas privadas de todo el mundo están invirtiendo fuertemente en la investigación y el desarrollo de aviones espaciales, podríamos ver un futuro en el que Los vuelos con estos vehículos se vuelven rutinarios.

Oluwamayokun Adetoro, Profesor Titular de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad Brunel de Londres y James Campbell, lector, Universidad Brunel de Londres. Este artículo se republica desde La conversación bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.