Nave espacial

Una nave espacial es un vehículo o máquina diseñada para volar en el espacio exterior. Un tipo de satélite artificial, las naves espaciales se utilizan para una variedad de propósitos, que incluyen comunicaciones, observación de la Tierra, meteorología, navegación, colonización espacial, exploración planetaria y transporte de humanos y carga. Todas las naves espaciales, excepto los vehículos de una sola etapa a la órbita, no pueden ingresar al espacio por sí mismos y requieren un vehículo de lanzamiento (cohete portador).

En un vuelo espacial suborbital, un vehículo espacial ingresa al espacio y luego regresa a la superficie sin haber ganado suficiente energía o velocidad para realizar una órbita terrestre completa. Para los vuelos espaciales orbitales, las naves espaciales entran en órbitas cerradas alrededor de la Tierra o alrededor de otros cuerpos celestes. Las naves espaciales utilizadas para vuelos espaciales tripulados llevan personas a bordo como tripulación o pasajeros desde el inicio o en órbita (estaciones espaciales) únicamente, mientras que las utilizadas para misiones espaciales robóticas funcionan de forma autónoma o telerrobótica. Las naves espaciales robóticas utilizadas para apoyar la investigación científica son sondas espaciales. Las naves espaciales robóticas que permanecen en órbita alrededor de un cuerpo planetario son satélites artificiales. Hasta la fecha, solo un puñado de sondas interestelares, como Pioneer 10 y 11, Voyager 1 y 2, y New Horizons, están en trayectorias que salen del Sistema Solar.

La nave espacial orbital puede ser recuperable o no. La mayoría no lo son. Las naves espaciales recuperables pueden subdividirse mediante un método de reingreso a la Tierra en cápsulas espaciales sin alas y aviones espaciales con alas. Las naves espaciales recuperables pueden ser reutilizables (pueden lanzarse de nuevo o varias veces, como los orbitadores SpaceX Dragon y Space Shuttle) o prescindibles (como la Soyuz). En los últimos años, más agencias espaciales se inclinan por naves espaciales reutilizables.

La humanidad ha logrado vuelos espaciales, pero solo unas pocas naciones tienen la tecnología para lanzamientos orbitales: Rusia (RSA o "Roscosmos"), Estados Unidos (NASA), los estados miembros de la Agencia Espacial Europea (ESA), Japón (JAXA), China (CNSA), India (ISRO), Taiwán (Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Chung-Shan, Organización Espacial Nacional de Taiwán (NSPO), Israel (ISA), Irán (ISA) y Corea del Norte (NADA). Además, varias empresas privadas han desarrollado o están desarrollando la tecnología para lanzamientos orbitales independientemente de las agencias gubernamentales.Los ejemplos más destacados de este tipo de empresas son SpaceX y Blue Origin.

Historia

Un V-2 alemán se convirtió en la primera nave espacial cuando alcanzó una altitud de 189 km en junio de 1944 en Peenemünde, Alemania. Sputnik 1 fue el primer satélite artificial. Fue lanzado a una órbita terrestre baja elíptica (LEO) por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. El lanzamiento marcó el comienzo de nuevos desarrollos políticos, militares, tecnológicos y científicos; mientras que el lanzamiento del Sputnik fue un evento único, marcó el comienzo de la era espacial.Además de su valor como primicia tecnológica, el Sputnik 1 también ayudó a identificar la densidad de la capa atmosférica superior, midiendo los cambios orbitales del satélite. También proporcionó datos sobre la distribución de señales de radio en la ionosfera. El nitrógeno presurizado en el cuerpo falso del satélite brindó la primera oportunidad para la detección de meteoroides. El Sputnik 1 se lanzó durante el Año Geofísico Internacional desde el Sitio No. 1/5, en el rango 5th Tyuratam, en Kazakh SSR (ahora en el Cosmódromo de Baikonur). El satélite viajó a 29.000 kilómetros por hora (18.000 mph), tardó 96,2 minutos en completar una órbita y emitió señales de radio a 20,005 y 40,002 MHz.

Si bien el Sputnik 1 fue la primera nave espacial en orbitar la Tierra, otros objetos hechos por el hombre habían alcanzado previamente una altitud de 100 km, que es la altura requerida por la organización internacional Fédération Aéronautique Internationale para contar como un vuelo espacial. Esta altitud se llama la línea de Kármán. En particular, en la década de 1940 hubo varios lanzamientos de prueba del cohete V-2, algunos de los cuales alcanzaron altitudes superiores a los 100 km.

Tipos de naves espaciales

Nave espacial tripulada

A partir de 2016, solo tres naciones han volado naves espaciales tripuladas: URSS/Rusia, EE. UU. y China. La primera nave espacial tripulada fue Vostok 1, que llevó al cosmonauta soviético Yuri Gagarin al espacio en 1961 y completó una órbita terrestre completa. Hubo otras cinco misiones tripuladas que utilizaron una nave espacial Vostok. La segunda nave espacial tripulada se llamó Freedom 7 y realizó un vuelo espacial suborbital en 1961 que llevó al astronauta estadounidense Alan Shepard a una altitud de poco más de 187 kilómetros (116 millas). Hubo otras cinco misiones tripuladas que utilizaron la nave espacial Mercury.

Otras naves espaciales tripuladas soviéticas incluyen Voskhod, Soyuz, voladas sin tripulación como Zond/L1, L3, TKS, y las estaciones espaciales tripuladas Salyut y Mir. Otras naves espaciales tripuladas estadounidenses incluyen la nave espacial Gemini, la nave espacial Apolo, incluido el módulo lunar Apolo, la estación espacial Skylab, el transbordador espacial con módulos de estaciones espaciales independientes de Spacelab europeo y Spacehab privado de EE. UU., y la configuración SpaceX Crew Dragon de su Dragon 2. La compañía estadounidense Boeing también desarrolló y voló una nave espacial propia, la CST-100, comúnmente conocida como Starliner, pero aún no se ha realizado un vuelo tripulado. China desarrolló, pero no voló Shuguang, y actualmente está usando Shenzhou (su primera misión tripulada fue en 2003).

A excepción del transbordador espacial, todas las naves espaciales orbitales tripuladas recuperables eran cápsulas espaciales.

• nave espacial tripulada
• Naves espaciales americanas Mercury, Gemini y Apollo
• Cápsula soviética Vostok
• Voskhod soviético (variante de Vostok)
• 1967 Nave espacial soviética / rusa Soyuz
• Nave espacial china Shenzhou

La Estación Espacial Internacional, tripulada desde noviembre de 2000, es una empresa conjunta entre Rusia, Estados Unidos, Canadá y varios otros países.

Aviones espaciales

Los aviones espaciales son naves espaciales que tienen la forma y funcionan como aviones. El primer ejemplo de esto fue el avión espacial norteamericano X-15, que realizó dos vuelos tripulados que alcanzaron una altitud de más de 100 km en la década de 1960. Esta primera nave espacial reutilizable fue lanzada desde el aire en una trayectoria suborbital el 19 de julio de 1963.

La primera nave espacial orbital parcialmente reutilizable, una no cápsula alada, el transbordador espacial, fue lanzada por EE. UU. en el vigésimo aniversario del vuelo de Yuri Gagarin, el 12 de abril de 1981. han volado en la atmósfera y cinco de los cuales han volado en el espacio. Enterprise se usó solo para pruebas de aproximación y aterrizaje, despegando desde la parte trasera de un Boeing 747 SCA y deslizándose hasta aterrizajes de punto muerto en Edwards AFB, California. El primer transbordador espacial en volar al espacio fue el Columbia, seguido por el Challenger, el Discovery, el Atlantis y el Endeavour. Endeavour fue construido para reemplazar Challengercuando se perdió en enero de 1986. Columbia se separó durante el reingreso en febrero de 2003.

La primera nave espacial automática parcialmente reutilizable fue el transbordador clase Buran, lanzado por la URSS el 15 de noviembre de 1988, aunque solo realizó un vuelo y este fue sin tripulación. Este avión espacial fue diseñado para una tripulación y se parecía mucho al transbordador espacial de EE. UU., aunque sus propulsores de descarga usaban propulsores líquidos y sus motores principales estaban ubicados en la base de lo que sería el tanque externo del transbordador estadounidense. La falta de financiación, complicada por la disolución de la URSS, impidió más vuelos de Buran. El transbordador espacial se modificó posteriormente para permitir el reingreso autónomo en caso de necesidad.

Según la Visión para la exploración espacial, el transbordador espacial se retiró en 2011 principalmente debido a su vejez y al alto costo del programa, que superó los mil millones de dólares por vuelo. La función de transporte humano del transbordador será reemplazada por SpaceX Dragon 2 de SpaceX y CST-100 Starliner de Boeing. El primer vuelo tripulado de Dragon 2 se produjo el 30 de mayo de 2020. La función de transporte de carga pesada del transbordador será reemplazada por cohetes prescindibles como el Space Launch System y el cohete Vulcan de ULA, así como los vehículos de lanzamiento comerciales.

SpaceShipOne de Scaled Composites fue un avión espacial suborbital reutilizable que llevó a los pilotos Mike Melvill y Brian Binnie en vuelos consecutivos en 2004 para ganar el Premio Ansari X. The Spaceship Company construirá su sucesor SpaceShipTwo. Se planeó que una flota de SpaceShipTwos operada por Virgin Galactic comenzara un vuelo espacial privado reutilizable con pasajeros de pago en 2014, pero se retrasó después del accidente de VSS Enterprise.

Nave espacial sin tripulación

Semi-tripulados - tripulados como estaciones espaciales o parte de estaciones espaciales

• Progreso: nave espacial de carga sin tripulación de la URSS / Rusia
• TKS: módulo de estación espacial y nave espacial de carga sin tripulación de la URSS / Rusia
• Vehículo de transferencia automatizado (ATV): nave espacial de carga europea sin tripulación
• Vehículo de transferencia H-II (HTV): nave espacial de carga japonesa sin tripulación
• SpaceX Dragon: nave espacial privada sin tripulación
• Tianzhou: la nave espacial de carga sin tripulación de China
• Northrop Grumman Cygnus - nave espacial comercial sin tripulación

Satélites en órbita terrestre

• Explorer 1 - primer satélite de EE. UU.
• Proyecto SCORE – primer satélite de comunicaciones
• Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO): orbita el Sol cerca de L1
• Sputnik 1: el primer satélite artificial del mundo
• Sputnik 2 – primer animal en órbita (Laika)
• Korabl-Sputnik 2 – primera cápsula recuperada de la órbita (precursor de Vostok) – los animales sobrevivieron
• Syncom - primer satélite de comunicaciones geosíncrono
• Telescopio espacial Hubble: el observatorio orbital más grande
• X-37 - avión espacial

Sondas lunares

• Clementine: misión de la Marina de los EE. UU., orbitó la Luna, detectó hidrógeno en los polos
• Kaguya JPN - orbitador lunar
• Luna 1 - primer sobrevuelo lunar
• Luna 2 – primer impacto lunar
• Luna 3: primeras imágenes de la cara oculta de la Luna
• Luna 9 – primer aterrizaje suave en la Luna
• Luna 10 - primer orbitador lunar
• Luna 16: primera recuperación de muestras lunares sin tripulación
• Lunar Orbiter: serie muy exitosa de naves espaciales de mapeo lunar
• Lunar Prospector: detección confirmada de hidrógeno en los polos lunares
• Orbitador de reconocimiento lunar: identifica sitios de aterrizaje seguros y localiza recursos lunares
• Lunokhod - vehículos lunares soviéticos
• SMART-1 ESA – Impacto Lunar
• Surveyor: el primer módulo de aterrizaje suave de EE. UU.
• Chang'e 1: la primera misión lunar de China
• Chang'e 2: la segunda misión lunar de China
• Chang'e 3: el primer aterrizaje suave de China en la Luna
• Chang'e 4: primer aterrizaje suave en la cara oculta de la Luna
• Chang'e 5: la primera sonda lunar de China que completó una misión de devolución de muestras
• Chandrayaan 1 - primera misión lunar india
• Chandrayaan 2 - segunda misión lunar india

Sondas planetarias

• Akatsuki JPN - un orbitador de Venus
• Cassini-Huygens: primer orbitador de Saturno y módulo de aterrizaje de Titán
• Curiosity – Rover enviado a Marte por la NASA en 2012
• Galileo: primer orbitador y sonda de descenso de Júpiter
• IKAROS JPN - primera nave espacial de vela solar
• Mariner 4: primer sobrevuelo de Marte, primeras imágenes cercanas y de alta resolución de Marte
• Mariner 9 - primer orbitador de Marte
• Mariner 10: primer sobrevuelo de Mercurio, primeras imágenes de primer plano
• Rovers de exploración de Marte (Spirit y Opportunity) – Rovers de Marte
• Mars Express - Orbitador de Marte
• Mars Global Surveyor - Orbitador de Marte
• Mars Orbiter Mission (Mangalyaan): la primera sonda interplanetaria de la India
• Mars Reconnaissance Orbiter: un orbitador avanzado de clima, imágenes, radar subterráneo y telecomunicaciones de Marte
• MESSENGER: primer orbitador de Mercurio (llegada en 2011)
• Mars Pathfinder: módulo de aterrizaje de Marte, que lleva el rover Sojourner
• New Horizons - primer sobrevuelo de Plutón (llegada en 2015)
• Pioneer 10: primer sobrevuelo de Júpiter, primeras imágenes de primer plano
• Pioneer 11: segundo sobrevuelo de Júpiter y primer sobrevuelo de Saturno (primeras imágenes de cerca de Saturno)
• Pioneer Venus: primer orbitador y aterrizadores de Venus
• Vega 1: lanzamiento del globo en la atmósfera de Venus y módulo de aterrizaje, la nave nodriza continuó volando junto al cometa Halley. Misión conjunta con Vega 2.
• Venera 4 – primer aterrizaje suave en otro planeta (Venus)
• Viking 1: primer aterrizaje suave en Marte
• Voyager 1: sobrevuelos de Júpiter, Saturno y la luna de Saturno, Titán
• Voyager 2: sobrevuelo de Júpiter, sobrevuelo de Saturno y primeros sobrevuelos/imágenes de Neptuno y Urano
• Hope - Mars orbiter de los Emiratos Árabes Unidos en 2020
• Tianwen-1: la misión del orbitador, módulo de aterrizaje y rover de China a Marte en 2020
• Perseverancia - Rover enviado a Marte en 2020
• Ingenuity: un helicóptero experimental enviado a Marte en 2020

Otro – espacio profundo

• Grupo
• espacio profundo 1
• Impacto profundo
• Génesis
• hayabusa
• Encuentro de asteroides cerca de la Tierra
• rosetta
• polvo de estrellas
• ESTÉREO: detección heliosférica y solar; Primeras imágenes del Sol completo
• WMAP

Nave espacial más rápida

• Parker Solar Probe (343 000 km/h o 213 000 mph estimados en el primer paso cercano al sol, alcanzará los 700 000 km/h o 430 000 mph en el perihelio final)
• Sondas solares Helios I y II (252 792 km/h o 157 078 mph)

La nave espacial más alejada del Sol

• Voyager 1 a 156,13 AU a partir de abril de 2022, viajando hacia el exterior a aproximadamente 3,58 AU / a (61 100 km / h; 38 000 mph)
• Pioneer 10 a 122,48 AU a partir de diciembre de 2018, viajando hacia afuera a aproximadamente 2,52 AU / a (43 000 km / h; 26 700 mph)
• Voyager 2 a 122,82 AU a partir de enero de 2020, viajando hacia afuera a aproximadamente 3,24 AU / a (55 300 km / h; 34 400 mph)
• Pioneer 11 a 101,17 AU a partir de diciembre de 2018, viajando hacia afuera a aproximadamente 2,37 AU / a (40 400 km / h; 25 100 mph)

Programas no financiados y cancelados

Nave espacial tripulada

• Cápsula china Shuguang
• Zond / L1 soviético - cápsula de sobrevuelo lunar
• L3 soviético - cápsula y módulo de aterrizaje lunar
• LK soviético - módulo de aterrizaje lunar
• TKS soviético - cápsula de reabastecimiento de la estación espacial
• Lanzadera clase Buran soviética - avión espacial
• Cápsula soviética Soyuz Kontakt
• Estación espacial soviética Almaz
• Estación espacial del laboratorio orbital tripulado de EE. UU.
• Módulo de aterrizaje lunar Altair de EE. UU.

Aviones espaciales de varias etapas

• Avión espacial estadounidense X-20
• Lanzadera espiral soviética
• Lanzadera clase Buran soviética / rusa
• Transbordador Hermes de la ESA
• Semi-lanzadera/semi-cápsula rusa Kliper
• Lanzadera japonesa HOPE-X
• Transbordador chino Shuguang Project 921-3

Nave espacial SSTO

• HOTOL RR/British Aerospace
• Orbitador de tolva de la ESA
• DC-X de EE. UU. (Delta Clipper)
• US Roton Rotored-Híbrido
• EE. UU. VentureStar

Nave espacial en desarrollo

Tripulado

• (EE. UU.-NASA; Europa-ESA) Orion – cápsula
• (EE. UU.-SpaceX) Starship: nave espacial VTVL
• (EE. UU.-Boeing) CST-100 - cápsula
• (US-Sierra Nevada Corporation) Dream Chaser - avión espacial orbital
• (EE. UU.: The SpaceShip Company) SpaceShipTwo avión espacial suborbital
• (US-Blue Origin) New Shepard – Cápsula VTVL
• (US-XCOR) Lynx Rocketplane - avión espacial suborbital
• (India-DRDO) Avatar RLV: en desarrollo, primer vuelo de demostración en 2015.
• (India-ISRO) Gaganyaan – cápsula
• (India-ISRO) Programa de demostración de tecnología RLV: nave espacial
• (Rusia-RKA) Orel – cápsula
• (Europa-ESA) Smart Upper Stage for Innovative Exploration – cápsula
• (Agencia Espacial Iraní) Nave espacial tripulada iraní – cápsula

Sin tripulación

• CNES Marte Netlander
• Sonda Darwin14 ESA
• Sierra Nevada Corporation Dream Chaser - avión espacial de carga orbital
• avión espacial skylon
• StarChip y Sprites - nave espacial interestelar miniaturizada
• Sistema F6: un demostrador de naves espaciales fraccionadas de DARPA

Subsistemas

El sistema astriónico de una nave espacial comprende diferentes subsistemas, según el perfil de la misión. Los subsistemas de la nave espacial comprenden el "bus" de la nave espacial y pueden incluir determinación y control de actitud (denominados de diversas formas ADAC, ADC o ACS), guía, navegación y control (GNC o GN&C), comunicaciones (comms), comando y manejo de datos (CDH o C&DH), potencia (EPS), control térmico (TCS), propulsión y estructuras. Adjunto al autobús suele haber cargas útiles.Soporte vitalLas naves espaciales destinadas a vuelos espaciales tripulados también deben incluir un sistema de soporte vital para la tripulación.control de actitudUna nave espacial necesita un subsistema de control de actitud para orientarse correctamente en el espacio y responder adecuadamente a los pares y fuerzas externos. El subsistema de control de actitud consta de sensores y actuadores, junto con algoritmos de control. El subsistema de control de actitud permite la orientación adecuada para el objetivo científico, la orientación solar para la energía de los paneles solares y la orientación terrestre para las comunicaciones.GNCLa orientación se refiere al cálculo de los comandos (generalmente realizados por el subsistema CDH) necesarios para dirigir la nave espacial donde se desea que esté. Navegación significa determinar los elementos orbitales o la posición de una nave espacial. Control significa ajustar la trayectoria de la nave espacial para cumplir con los requisitos de la misión.Manejo de comandos y datosEl subsistema C&DH recibe comandos del subsistema de comunicaciones, realiza la validación y decodificación de los comandos y distribuye los comandos a los subsistemas y componentes de la nave espacial apropiados. El CDH también recibe datos de limpieza y datos científicos de los otros subsistemas y componentes de la nave espacial, y empaqueta los datos para almacenarlos en un registrador de datos o transmitirlos a tierra a través del subsistema de comunicaciones. Otras funciones del CDH incluyen el mantenimiento del reloj de la nave espacial y el control del estado de salud.ComunicacionesLas naves espaciales, tanto robóticas como tripuladas, utilizan diversos sistemas de comunicaciones para comunicarse con estaciones terrestres, así como para comunicarse entre naves espaciales en el espacio. Las tecnologías utilizadas incluyen RF y comunicación óptica. Además, algunas cargas útiles de naves espaciales tienen como propósito explícito la comunicación tierra-tierra utilizando tecnologías electrónicas de receptor/retransmisor.EnergíaLas naves espaciales necesitan un subsistema de generación y distribución de energía eléctrica para alimentar los diversos subsistemas de las naves espaciales. Para las naves espaciales cercanas al Sol, los paneles solares se utilizan con frecuencia para generar energía eléctrica. Las naves espaciales diseñadas para operar en lugares más distantes, por ejemplo, Júpiter, podrían emplear un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) para generar energía eléctrica. La energía eléctrica se envía a través del equipo de acondicionamiento de energía antes de pasar a través de una unidad de distribución de energía sobre un bus eléctrico a otros componentes de la nave espacial. Las baterías generalmente se conectan al bus a través de un regulador de carga de la batería, y las baterías se utilizan para proporcionar energía eléctrica durante los períodos en los que la energía principal no está disponible, por ejemplo, cuando la Tierra eclipsa una nave espacial de órbita terrestre baja.Control térmicoLas naves espaciales deben diseñarse para resistir el tránsito a través de la atmósfera terrestre y el entorno espacial. Deben operar en el vacío con temperaturas que pueden oscilar entre cientos de grados centígrados y (si están sujetos a reingreso) en presencia de plasmas. Los requisitos del material son tales que se utilizan materiales de alta temperatura de fusión y baja densidad como el berilio y carbono-carbono reforzado o (posiblemente debido a los requisitos de menor espesor a pesar de su alta densidad) tungsteno o compuestos ablativos de carbono-carbono. Dependiendo del perfil de la misión, es posible que la nave espacial también deba operar en la superficie de otro cuerpo planetario. El subsistema de control térmico puede ser pasivo, dependiendo de la selección de materiales con propiedades radiativas específicas.Propulsión de naves espacialesLa nave espacial puede tener o no un subsistema de propulsión, dependiendo de si el perfil de la misión requiere propulsión o no. La nave espacial Swift es un ejemplo de una nave espacial que no tiene un subsistema de propulsión. Sin embargo, normalmente, las naves espaciales LEO incluyen un subsistema de propulsión para ajustes de altitud (maniobras de recuperación de arrastre) y maniobras de ajuste de inclinación. También se necesita un sistema de propulsión para las naves espaciales que realizan maniobras de gestión del impulso. Los componentes de un subsistema de propulsión convencional incluyen combustible, tanques, válvulas, tuberías y propulsores. El sistema de control térmico interactúa con el subsistema de propulsión al monitorear la temperatura de esos componentes y al precalentar los tanques y propulsores en preparación para una maniobra de la nave espacial.EstructurasLa nave espacial debe estar diseñada para resistir las cargas de lanzamiento impartidas por el vehículo de lanzamiento y debe tener un punto de conexión para todos los demás subsistemas. Según el perfil de la misión, es posible que el subsistema estructural deba soportar las cargas impartidas por la entrada en la atmósfera de otro cuerpo planetario y el aterrizaje en la superficie de otro cuerpo planetario.Carga útilLa carga útil depende de la misión de la nave espacial y, por lo general, se considera la parte de la nave espacial "que paga las cuentas". Las cargas útiles típicas podrían incluir instrumentos científicos (cámaras, telescopios o detectores de partículas, por ejemplo), carga o una tripulación humana.Segmento de tierraEl segmento de tierra, aunque técnicamente no forma parte de la nave espacial, es vital para el funcionamiento de la nave espacial. Los componentes típicos de un segmento terrestre en uso durante las operaciones normales incluyen una instalación de operaciones de la misión donde el equipo de operaciones de vuelo lleva a cabo las operaciones de la nave espacial, una instalación de procesamiento y almacenamiento de datos, estaciones terrestres para radiar señales hacia y recibir señales de la nave espacial y un red de comunicaciones de voz y datos para conectar todos los elementos de la misión.Vehículo de lanzamientoEl vehículo de lanzamiento impulsa la nave espacial desde la superficie de la Tierra, a través de la atmósfera y hacia una órbita, la órbita exacta depende de la configuración de la misión. El vehículo de lanzamiento puede ser fungible o reutilizable.