Propulsión de naves espaciales

Una cámara remota captura una vista de cerca de un RS-25 durante una prueba de fuego en el John C. Stennis Space Center en el condado de Hancock, Mississippi.

Motores de cohetes propulsores del sistema de control de reacción del módulo lunar (RCS)

Propulsión de naves espaciales es cualquier método utilizado para acelerar naves espaciales y satélites artificiales. La propulsión en el espacio se ocupa exclusivamente de los sistemas de propulsión utilizados en el vacío del espacio y no debe confundirse con el lanzamiento espacial o la entrada a la atmósfera.

Se han desarrollado varios métodos de propulsión pragmática de naves espaciales, cada uno con sus propias desventajas y ventajas. La mayoría de los satélites tienen propulsores químicos simples y confiables (a menudo cohetes monopropulsores) o cohetes de reacción para el mantenimiento de la estación orbital y algunos usan ruedas de impulso para el control de actitud. Los satélites del bloque soviético han utilizado propulsión eléctrica durante décadas, y las nuevas naves espaciales de órbita geográfica occidental están comenzando a utilizarlos para mantener la posición norte-sur y elevar la órbita. Los vehículos interplanetarios también utilizan principalmente cohetes químicos, aunque algunos han utilizado propulsores de iones y propulsores de efecto Hall (dos tipos diferentes de propulsión eléctrica) con gran éxito.

Las tecnologías de propulsión hipotéticas en el espacio describen las tecnologías de propulsión que podrían satisfacer las futuras necesidades de exploración y ciencia espacial. Estas tecnologías de propulsión están destinadas a proporcionar una exploración eficaz de nuestro Sistema Solar y permitirán a los diseñadores de misiones planificar misiones para "volar en cualquier momento, en cualquier lugar y completar una serie de objetivos científicos en los destinos". y con mayor fiabilidad y seguridad. Con una amplia gama de posibles misiones y tecnologías de propulsión candidatas, la cuestión de qué tecnologías son "mejores" para futuras misiones es difícil. Se debe desarrollar una cartera de tecnologías de propulsión para proporcionar soluciones óptimas para un conjunto diverso de misiones y destinos.

Propósito y función

La propulsión en el espacio comienza donde termina la etapa superior del vehículo de lanzamiento; realizando las funciones de propulsión primaria, control de reacción, mantenimiento de posición, puntería de precisión y maniobra orbital. Los principales motores utilizados en el espacio proporcionan la fuerza propulsora principal para la transferencia de órbitas, las trayectorias planetarias y el aterrizaje y ascenso extraplanetario. Los sistemas de control de reacción y de maniobra orbital proporcionan la fuerza propulsora para el mantenimiento de la órbita, el control de la posición, el mantenimiento de la posición y el control de la actitud de la nave espacial.

En el espacio, el propósito de un sistema de propulsión es cambiar la velocidad, o v, de una nave espacial. Debido a que esto es más difícil para naves espaciales más masivas, los diseñadores generalmente analizan el rendimiento de las naves espaciales en cantidad de cambio en el impulso por unidad de propulsor consumido, también llamado impulso específico. Cuanto mayor sea el impulso específico, mejor será la eficiencia. Los motores de propulsión iónica tienen un impulso específico alto (~3000 s) y un empuje bajo, mientras que los cohetes químicos, como los motores de cohetes monopropulsores o bipropulsores, tienen un impulso específico bajo (~300 s) pero un empuje alto.

Al lanzar una nave espacial desde la Tierra, un método de propulsión debe superar una atracción gravitatoria más alta para proporcionar una aceleración neta positiva. En órbita, cualquier impulso adicional, incluso muy pequeño, dará como resultado un cambio en la trayectoria de la órbita.

1) Prograde/Retrograde (es decir, aceleración en la dirección tangencial/opuesta en la dirección tangencial): aumenta/disminuye la altitud de la órbita

2) Perpendicular al plano orbital: cambia la inclinación orbital

La tasa de cambio de la velocidad se llama aceleración, y la tasa de cambio de la cantidad de movimiento se llama fuerza. Para alcanzar una velocidad dada, se puede aplicar una pequeña aceleración durante un largo período de tiempo, o se puede aplicar una gran aceleración durante un corto tiempo. De manera similar, uno puede lograr un impulso dado con una gran fuerza durante un tiempo corto o una fuerza pequeña durante un tiempo prolongado. Esto significa que para maniobrar en el espacio, un método de propulsión que produce pequeñas aceleraciones pero funciona durante mucho tiempo puede producir el mismo impulso que un método de propulsión que produce grandes aceleraciones durante un corto tiempo. Cuando se lanza desde un planeta, las pequeñas aceleraciones no pueden superar la atracción gravitacional del planeta y, por lo tanto, no se pueden usar.

La superficie de la Tierra está situada bastante profunda en un pozo de gravedad. La velocidad de escape necesaria para salir de él es de 11,2 kilómetros/segundo. Dado que los seres humanos evolucionaron en un campo gravitatorio de 1 g (9,8 m/s²), un sistema de propulsión ideal para los vuelos espaciales tripulados sería uno que proporcionara una aceleración continua de 1 g (aunque los cuerpos humanos pueden tolerar mucha aceleraciones más grandes en períodos cortos). Los ocupantes de un cohete o nave espacial que tenga un sistema de propulsión de este tipo estarían libres de todos los efectos nocivos de la caída libre, como náuseas, debilidad muscular, disminución del sentido del gusto o lixiviación del calcio de los huesos.

La ley de conservación de la cantidad de movimiento significa que para que un método de propulsión cambie la cantidad de movimiento de una nave espacial, también debe cambiar la cantidad de movimiento de otra cosa. Algunos diseños aprovechan cosas como los campos magnéticos o la presión de la luz para cambiar el impulso de la nave espacial, pero en el espacio libre el cohete debe traer algo de masa para acelerar y alejarse para impulsarse hacia adelante. Tal masa se llama masa de reacción.

Para que un cohete funcione, necesita dos cosas: masa de reacción y energía. El impulso proporcionado por el lanzamiento de una partícula de masa de reacción que tiene una masa m a una velocidad v es mv. Pero esta partícula tiene energía cinética mv²/2, que debe provenir de alguna parte. En un cohete sólido, líquido o híbrido convencional, el combustible se quema, proporcionando la energía, y los productos de reacción pueden fluir hacia afuera, proporcionando la masa de reacción. En un propulsor de iones, la electricidad se usa para acelerar los iones hacia afuera. En este caso, alguna otra fuente debe proporcionar la energía eléctrica (tal vez un panel solar o un reactor nuclear), mientras que los iones proporcionan la masa de reacción.

Al discutir la eficiencia de un sistema de propulsión, los diseñadores a menudo se centran en utilizar eficazmente la masa de reacción. La masa de reacción debe llevarse junto con el cohete y se consume irrestrictamente cuando se utiliza. Una forma de medir la cantidad de impulso que se puede obtener de una cantidad fija de masa de reacción es el impulso específico, el impulso por unidad de peso en la Tierra (típicamente designado por ${displaystyle Yo...$). La unidad para este valor es segundos. Debido a que el peso en la Tierra de la masa de reacción es a menudo inimportante al discutir vehículos en el espacio, el impulso específico también se puede discutir en términos de impulso por unidad de masa. Esta forma alternativa de impulso específico utiliza las mismas unidades como velocidad (p. ej. m/s), y de hecho es igual a la velocidad de escape efectiva del motor (normalmente designado ${displaystyle v_{e}$). Confusamente, ambos valores a veces se llaman impulso específico. Los dos valores difieren por un factor de gn, la aceleración estándar debido a la gravedad 9.80665 m/s2 (${displaystyle I_{text{sp}g_{mathrm {n} }=v_{e}$).

Un cohete con una alta velocidad de escape puede lograr el mismo impulso con menos masa de reacción. Sin embargo, la energía requerida para ese impulso es proporcional a la velocidad de escape, por lo que los motores más eficientes en masa requieren mucha más energía y, por lo general, son menos eficientes energéticamente. Esto es un problema si el motor debe proporcionar una gran cantidad de empuje. Para generar una gran cantidad de impulso por segundo, debe usar una gran cantidad de energía por segundo. Por lo tanto, los motores de alta eficiencia de masa requieren enormes cantidades de energía por segundo para producir grandes empujes. Como resultado, la mayoría de los diseños de motores de alta eficiencia de masa también proporcionan un empuje más bajo debido a la falta de disponibilidad de grandes cantidades de energía.

La propulsión en el espacio representa tecnologías que pueden mejorar significativamente varios aspectos críticos de la misión. La exploración espacial se trata de llegar a algún lugar de manera segura (habilitación de la misión), llegar rápidamente (tiempos de tránsito reducidos), obtener mucha masa allí (masa de carga útil aumentada) y llegar allí de manera económica (menor costo). El simple acto de "conseguir" requiere el empleo de un sistema de propulsión en el espacio, y las otras métricas son modificadores de esta acción fundamental.

El desarrollo de tecnologías dará como resultado soluciones técnicas que mejoren los niveles de empuje, Isp, potencia, masa específica (o potencia específica), volumen, masa del sistema, complejidad del sistema, complejidad operativa, similitud con otros sistemas de naves espaciales, capacidad de fabricación, durabilidad, y costo Estos tipos de mejoras producirán tiempos de tránsito reducidos, mayor masa de carga útil, naves espaciales más seguras y costos reducidos. En algunos casos, el desarrollo de tecnologías dentro de esta área tecnológica (TA) dará como resultado avances que permitirán misiones que revolucionarán la exploración espacial. No existe una única tecnología de propulsión que beneficie a todas las misiones o tipos de misiones. Los requisitos para la propulsión en el espacio varían ampliamente debido a su aplicación prevista. Las tecnologías descritas deberían admitir todo, desde pequeños satélites y exploración robótica del espacio profundo hasta estaciones espaciales y misiones humanas hasta aplicaciones en Marte.

Definición de tecnologías

Además, el término "extracción de la misión" define una tecnología o una característica de rendimiento necesaria para cumplir con los requisitos de una misión planificada de la NASA. Cualquier otra relación entre una tecnología y una misión (un sistema de propulsión alternativo, por ejemplo) se clasifica como "empuje tecnológico". Además, una demostración espacial se refiere al vuelo espacial de una versión a escala de una tecnología particular o de un subsistema de tecnología crítica. Por otro lado, una validación espacial serviría como vuelo de calificación para la implementación de futuras misiones. Un vuelo de validación exitoso no requeriría ninguna prueba espacial adicional de una tecnología en particular antes de que pueda adoptarse para una misión científica o de exploración.

Dominios operativos

Las naves espaciales operan en muchas áreas del espacio. Estos incluyen maniobras orbitales, viajes interplanetarios y viajes interestelares.

Orbitales

Los satélites artificiales se lanzan primero a la altitud deseada mediante cohetes convencionales de propulsión líquida/sólida, después de lo cual el satélite puede utilizar sistemas de propulsión a bordo para el mantenimiento de la posición orbital. Una vez en la órbita deseada, a menudo necesitan algún tipo de control de actitud para apuntar correctamente con respecto a la Tierra, el Sol y posiblemente algún objeto astronómico de interés. También están sujetos al arrastre de la delgada atmósfera, por lo que para permanecer en órbita durante un largo período de tiempo, ocasionalmente es necesaria alguna forma de propulsión para hacer pequeñas correcciones (mantenimiento de la posición orbital). Muchos satélites deben moverse de una órbita a otra de vez en cuando, y esto también requiere propulsión. La vida útil de un satélite suele terminar una vez que ha agotado su capacidad para ajustar su órbita.

Interplanetario

Para los viajes interplanetarios, una nave espacial puede usar sus motores para abandonar la órbita de la Tierra. No es explícitamente necesario ya que el impulso inicial dado por el cohete, la honda de gravedad, el sistema de propulsión de control de actitud monopropulsor/bipropulsor son suficientes para la exploración del sistema solar (ver New Horizons). Una vez que lo haya hecho, de alguna manera debe llegar a su destino. Las naves espaciales interplanetarias actuales hacen esto con una serie de ajustes de trayectoria a corto plazo. Entre estos ajustes, la nave espacial simplemente se mueve a lo largo de su trayectoria sin acelerar. El medio más eficiente en combustible para pasar de una órbita circular a otra es con una órbita de transferencia de Hohmann: la nave espacial comienza en una órbita aproximadamente circular alrededor del Sol. Un breve período de empuje en la dirección del movimiento acelera o desacelera la nave espacial en una órbita elíptica alrededor del Sol que es tangencial a su órbita anterior y también a la órbita de su destino. La nave espacial cae libremente a lo largo de esta órbita elíptica hasta que alcanza su destino, donde otro breve período de empuje la acelera o desacelera para coincidir con la órbita de su destino. A veces se utilizan métodos especiales como aerofrenado o aerocaptura para este ajuste orbital final.

El concepto del artista de una vela solar

Algunos métodos de propulsión de naves espaciales, como las velas solares, proporcionan un empuje muy bajo pero inagotable; un vehículo interplanetario que utilice uno de estos métodos seguiría una trayectoria bastante diferente, empujando constantemente contra su dirección de movimiento para disminuir su distancia del Sol o empujando constantemente a lo largo de su dirección de movimiento para aumentar su distancia del Sol. El concepto ha sido probado con éxito por la nave espacial de vela solar japonesa IKAROS.

Interestelar

Todavía no se ha construido ninguna nave espacial capaz de realizar viajes interestelares de corta duración (en comparación con la vida humana), pero se han discutido muchos diseños hipotéticos. Debido a que las distancias interestelares son muy grandes, se necesita una velocidad tremenda para que una nave espacial llegue a su destino en un tiempo razonable. Adquirir tal velocidad en el lanzamiento y deshacerse de ella al llegar sigue siendo un desafío formidable para los diseñadores de naves espaciales.

Tecnología de propulsión

Las áreas tecnológicas se dividen en cuatro grupos básicos: (1) propulsión química, (2) propulsión eléctrica, (3) tecnologías de propulsión avanzada y (4) tecnologías de apoyo; basado en la física del sistema de propulsión y cómo deriva el empuje, así como su madurez técnica. Además, puede haber conceptos de propulsión en el espacio meritorios creíbles no previstos o revisados en el momento de la publicación, y que pueden demostrar ser beneficiosos para futuras aplicaciones de misión.

Propulsión química

Una gran parte de los motores de cohetes que se utilizan en la actualidad son cohetes químicos; es decir, obtienen la energía necesaria para generar empuje mediante reacciones químicas para crear un gas caliente que se expande para producir empuje. Se utilizan muchas combinaciones diferentes de propulsores para obtener estas reacciones químicas, incluida la hidracina, el oxígeno líquido, el hidrógeno líquido, el óxido nitroso y el peróxido de hidrógeno, por ejemplo. Se pueden utilizar como monopropelente o en una configuración de bipropulsor.

D-Orbit © ION Satellite Carrier, alimentado por el óxido nitroso Dawn Aerospace y propulsor B20 de propileno. 2021.

Propulsión química verde

La forma dominante de propulsión química para satélites ha sido históricamente la hidracina; sin embargo, este combustible es altamente tóxico y corre el riesgo de ser prohibido en toda Europa. No tóxico 'verde' ahora se están desarrollando alternativas para reemplazar la hidracina. Las alternativas basadas en óxido nitroso están ganando mucha tracción y apoyo gubernamental, y el desarrollo está liderado por las empresas comerciales Dawn Aerospace, Impulse Space y Launcher. El primer sistema basado en óxido nitroso jamás volado en el espacio fue por D-Orbit a bordo de su ION Satellite Carrier (remolcador espacial) en 2021, utilizando seis propulsores Dawn Aerospace B20, lanzados en un cohete Falcon 9.

Motores de reacción

Los motores de reacción producen empuje expulsando masa de reacción, de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Newton. Esta ley de movimiento se parafrasea más comúnmente como: "Por cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual, pero opuesta".

Los ejemplos incluyen motores a reacción, motores de cohetes, bombas a chorro y variaciones menos comunes, como propulsores de efecto Hall, impulsores de iones, impulsores de masa y propulsión de pulsos nucleares.

Motores de cohetes

El motor Kestrel de SpaceX está probado

La mayoría de los motores de cohetes son motores térmicos de combustión interna (aunque existen formas sin combustión). Los motores de cohetes generalmente producen una masa de reacción a alta temperatura, como un gas caliente. Esto se logra quemando un combustible sólido, líquido o gaseoso con un oxidante dentro de una cámara de combustión. Luego se permite que el gas extremadamente caliente escape a través de una boquilla de alta relación de expansión. Esta boquilla en forma de campana es lo que le da a un motor cohete su forma característica. El efecto de la boquilla es acelerar dramáticamente la masa, convirtiendo la mayor parte de la energía térmica en energía cinética. Son comunes las velocidades de escape que alcanzan hasta 10 veces la velocidad del sonido al nivel del mar.

Los motores de cohetes proporcionan esencialmente las potencias específicas más altas y los empujes específicos más altos de cualquier motor utilizado para la propulsión de naves espaciales.

Los cohetes de propulsión iónica pueden calentar un plasma o un gas cargado dentro de una botella magnética y liberarlo a través de una boquilla magnética, de modo que ninguna materia sólida tenga que entrar en contacto con el plasma. Por supuesto, la maquinaria para hacer esto es compleja, pero la investigación en fusión nuclear ha desarrollado métodos, algunos de los cuales se han propuesto para ser utilizados en sistemas de propulsión, y algunos se han probado en un laboratorio.

Consulte motor de cohetes para obtener una lista de varios tipos de motores de cohetes que utilizan diferentes métodos de calentamiento, incluidos químicos, eléctricos, solares y nucleares.

Propulsión eléctrica

Propulsor de iones NSTAR de la NASA para la nave espacial Deep Space 1 durante una prueba de fuego caliente en el Laboratorio de Propulsión Jet.

La propulsión eléctrica se usa comúnmente para el mantenimiento de la estación en satélites de comunicaciones comerciales y para la propulsión principal en algunas misiones espaciales científicas debido a su alto impulso específico. Sin embargo, generalmente tienen valores de empuje muy pequeños y, por lo tanto, deben operarse durante períodos prolongados para proporcionar el impulso total requerido por una misión.

En lugar de confiar en la alta temperatura y la dinámica de fluidos para acelerar la masa de reacción a altas velocidades, existe una variedad de métodos que utilizan fuerzas electrostáticas o electromagnéticas para acelerar la masa de reacción directamente. Por lo general, la masa de reacción es una corriente de iones. Dicho motor generalmente usa energía eléctrica, primero para ionizar átomos y luego para crear un gradiente de voltaje para acelerar los iones a altas velocidades de escape.

La idea de la propulsión eléctrica se remonta a 1906, cuando Robert Goddard consideró la posibilidad en su cuaderno personal. Konstantin Tsiolkovsky publicó la idea en 1911.

Para estas unidades, a las velocidades de escape más altas, la eficiencia energética y el empuje son inversamente proporcionales a la velocidad de escape. Su velocidad de escape muy alta significa que requieren grandes cantidades de energía y, por lo tanto, con fuentes de energía prácticas, proporcionan un empuje bajo, pero apenas usan combustible.

El Centro de Investigación Glenn tiene como objetivo desarrollar tecnologías de propulsión primaria que podrían beneficiar las misiones científicas a corto y mediano plazo al reducir el costo, la masa o los tiempos de viaje. Las arquitecturas de propulsión de particular interés para el GRC son los sistemas de propulsión eléctrica, como los propulsores Ion y Hall. Un sistema combina velas solares, una forma de propulsión sin propulsores que se basa en la luz de las estrellas que se produce naturalmente para la energía de propulsión, y propulsores Hall. Otras tecnologías de propulsión que se están desarrollando incluyen propulsión química avanzada y aerocaptura.

Para algunas misiones, en particular razonablemente cerca del Sol, la energía solar puede ser suficiente, y se ha utilizado muy a menudo, pero para otras más alejadas o de mayor potencia, la energía nuclear es necesaria; Los motores que extraen su energía de una fuente nuclear se denominan cohetes nucleares eléctricos.

Con cualquier fuente actual de energía eléctrica, química, nuclear o solar, la cantidad máxima de energía que se puede generar limita la cantidad de empuje que se puede producir a un valor pequeño. La generación de energía agrega una masa significativa a la nave espacial y, en última instancia, el peso de la fuente de energía limita el rendimiento del vehículo.

Los generadores de energía nuclear actuales tienen aproximadamente la mitad del peso de los paneles solares por vatio de energía suministrada, a distancias terrestres del Sol. Los generadores de energía química no se utilizan debido a que la energía total disponible es mucho más baja. La energía transmitida a la nave espacial muestra cierto potencial.

6 kW Propulsión Hall en funcionamiento en el Laboratorio de Propulsión Jet de la NASA

Algunos métodos electromagnéticos:

• Propulsores de iones (acelerar los iones primero y después neutralizar el haz de iones con una corriente de electrones emitida por una catoda llamada neutralizador)
  • Propulsor de iones electrostático
  • Propulsor de iones apretado
  • Propulsión eléctrica de emisión de campo
  • MagBeam
  • Propulsor de efecto Hall
  • Propulsor frío
• Propulsores electrotermales (los campos electromagnéticos se utilizan para generar un plasma para aumentar el calor del propulsor de vracs, la energía térmica impartida al gas propulsante se convierte en energía cinética por una boquilla de construcción de material físico o por medios magnéticos)
  • DC arcjet
  • Microondas arcjet
  • Propulsor de doble capa Helicon
• Propulsores electromagnéticos (los iones son acelerados ya sea por la Fuerza Lorentz o por el efecto de los campos electromagnéticos donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración)
  • Motor de propulsión Plasma
  • Propulsor magnético
  • Propulsor de plasma sin electrodos
  • Propulsor inductivo pulsado
  • Propulsor de plasma pulsado
  • cohete de impulso específico variable (VASIMR)
  • Propulsor de arco vacío
• Conductores de masas (para propulsión)

En los propulsores electrotérmicos y electromagnéticos, tanto los iones como los electrones se aceleran simultáneamente, no se requiere neutralizador.

Sin masa de reacción interna

Estudio de la NASA sobre una vela solar. La vela sería de medio kilómetro de ancho.

La ley de conservación de la cantidad de movimiento generalmente se considera que implica que cualquier motor que no use masa de reacción no puede acelerar el centro de masa de una nave espacial (cambiar la orientación, por otro lado, es posible). Pero el espacio no está vacío, especialmente el espacio dentro del Sistema Solar; hay campos gravitatorios, campos magnéticos, ondas electromagnéticas, viento solar y radiación solar. Se sabe que las ondas electromagnéticas en particular contienen impulso, a pesar de no tener masa; específicamente, la densidad de flujo de momento P de una onda EM es cuantitativamente 1/c² veces el vector de Poynting S, es decir, P = S/c², donde c es la velocidad de la luz. Los métodos de propulsión de campo que no se basan en la masa de reacción deben tratar de aprovechar este hecho acoplando un campo portador de impulso, como una onda EM que existe en las proximidades de la nave. Sin embargo, debido a que muchos de estos fenómenos son de naturaleza difusa, las estructuras de propulsión correspondientes deben ser proporcionalmente grandes.

Hay varias unidades espaciales diferentes que necesitan poca o ninguna masa de reacción para funcionar. Un sistema de propulsión de cuerda emplea un cable largo con una alta resistencia a la tracción para cambiar la órbita de una nave espacial, por ejemplo, mediante la interacción con el campo magnético de un planeta o mediante el intercambio de momento con otro objeto. Las velas solares dependen de la presión de radiación de la energía electromagnética, pero requieren una gran superficie de recolección para funcionar de manera efectiva.

Una vela magnética desvía partículas cargadas del viento solar con un campo magnético, impartiendo así impulso a la nave espacial. El Magsail es un gran circuito superconductor propuesto para la aceleración/desaceleración en el viento solar y la desaceleración en el medio interestelar. Una variante es el sistema de propulsión de plasma mini-magnetosférico y su sucesor, la vela Magnetoplasma inyecta plasma a baja velocidad para mejorar el campo magnético y desviar con mayor eficacia las partículas cargadas en un viento de plasma.

Una vela eléctrica usaría cables muy delgados y livianos que contienen una carga eléctrica para desviar estas partículas y puede tener una direccionalidad más controlable.

Como prueba de concepto, NanoSail-D se convirtió en el primer nanosatélite en orbitar la Tierra. En agosto de 2017, la NASA confirmó que el proyecto de vela solar Sunjammer concluyó en 2014 con lecciones aprendidas para futuros proyectos de vela espacial. Cubesail será la primera misión en demostrar la navegación solar en órbita terrestre baja y la primera misión en demostrar el control total de actitud de tres ejes de una vela solar.

Japón también lanzó su propia nave espacial IKAROS, propulsada por velas solares, en mayo de 2010. IKAROS demostró con éxito la propulsión y la guía y sigue volando en la actualidad.

Un satélite u otro vehículo espacial está sujeto a la ley de conservación del momento angular, que impide que un cuerpo experimente un cambio neto en la velocidad angular. Por lo tanto, para que un vehículo cambie su orientación relativa sin gastar masa de reacción, otra parte del vehículo puede girar en la dirección opuesta. Las fuerzas externas no conservativas, principalmente gravitatorias y atmosféricas, pueden contribuir hasta varios grados por día al momento angular, por lo que los sistemas secundarios están diseñados para "purgarse" energías de rotación no deseadas acumuladas con el tiempo. En consecuencia, muchas naves espaciales utilizan ruedas de reacción o giroscopios de momento de control para controlar la orientación en el espacio.

Una honda gravitatoria puede transportar una sonda espacial hacia otros destinos sin el gasto de masa de reacción. Al aprovechar la energía gravitatoria de otros objetos celestes, la nave espacial puede captar energía cinética. Sin embargo, se puede obtener aún más energía de la asistencia por gravedad si se utilizan cohetes.

La propulsión impulsada por haz es otro método de propulsión sin masa de reacción. La propulsión por rayos incluye velas impulsadas por rayos láser, de microondas o de partículas.

Tecnología de propulsión avanzada

Las tecnologías de propulsión avanzadas, y en algunos casos teóricas, pueden usar física química o no química para producir empuje, pero generalmente se consideran de menor madurez técnica con desafíos que no se han superado. Tanto para la exploración humana como para la robótica, atravesar el sistema solar es una lucha contra el tiempo y la distancia. Los planetas más distantes se encuentran entre 4500 y 6000 millones de kilómetros del Sol y para llegar a ellos en un tiempo razonable se requieren sistemas de propulsión mucho más capaces que los cohetes químicos convencionales. Las misiones rápidas del sistema solar interior con fechas de lanzamiento flexibles son difíciles y requieren sistemas de propulsión que van más allá del estado actual de la técnica. La logística y, por lo tanto, la masa total del sistema requerida para respaldar la exploración humana sostenida más allá de la Tierra a destinos como la Luna, Marte u objetos cercanos a la Tierra, son desalentadores a menos que se desarrollen y utilicen tecnologías de propulsión en el espacio más eficientes.

La concepción del artista de un diseño de unidad warp

Se ha considerado una variedad de técnicas de propulsión hipotéticas que requieren una comprensión más profunda de las propiedades de espacio, particularmente marcos inerciales y el estado de vacío. Hasta la fecha, tales métodos son altamente especulativos e incluyen:

Una evaluación de la NASA de su Breakthrough Propulsion Physics Program divide dichas propuestas en aquellas que no son viables para propósitos de propulsión, aquellas que tienen un potencial incierto y aquellas que no son imposibles de acuerdo con las teorías actuales.

Tabla de métodos

A continuación se incluye un resumen de algunas de las tecnologías comprobadas más populares, seguidas de métodos cada vez más especulativos.

Se muestran cuatro números. El primero es la velocidad de escape efectiva: la velocidad equivalente a la que el propulsor sale del vehículo. Esta no es necesariamente la característica más importante del método de propulsión; Empuje y consumo de energía y otros factores pueden ser. Sin embargo:

• si el delta-v es mucho más que la velocidad de escape, entonces son necesarias cantidades exorbitantes de combustible (ver la sección sobre cálculos, arriba)
• si es mucho más que el delta-v, entonces, proporcionalmente se necesita más energía; si la energía es limitada, como con la energía solar, esto significa que el viaje toma un tiempo proporcionalmente más largo

El segundo y el tercero son las cantidades típicas de empuje y los tiempos de combustión típicos del método. Fuera de un potencial gravitacional, pequeñas cantidades de empuje aplicadas durante un largo período darán el mismo efecto que grandes cantidades de empuje durante un período corto. (Este resultado no se aplica cuando el objeto está significativamente influenciado por la gravedad).

El cuarto es el delta-v máximo que puede dar esta técnica (sin puesta en escena). Para los sistemas de propulsión similares a cohetes, esta es una función de la fracción de masa y la velocidad de escape. La fracción de masa para sistemas similares a cohetes generalmente está limitada por el peso del sistema de propulsión y el peso del tanque. Para que un sistema alcance este límite, normalmente la carga útil debe ser un porcentaje insignificante del vehículo, por lo que el límite práctico en algunos sistemas puede ser mucho menor.

Notas de la tabla

Pruebas

Los sistemas de propulsión de naves espaciales a menudo primero se prueban estáticamente en la superficie de la Tierra, dentro de la atmósfera, pero muchos sistemas requieren una cámara de vacío para probarse por completo. Los cohetes generalmente se prueban en una instalación de prueba de motores de cohetes muy lejos de las viviendas y otros edificios por razones de seguridad. Las unidades de iones son mucho menos peligrosas y requieren una seguridad mucho menos estricta, por lo general, solo se necesita una cámara de vacío grande.

Se pueden encontrar ubicaciones famosas de pruebas estáticas en las instalaciones de prueba de Rocket Ground

Algunos sistemas no pueden probarse adecuadamente en tierra y los lanzamientos de prueba pueden emplearse en un sitio de lanzamiento de cohetes.

Propulsión planetaria y atmosférica

Una prueba exitosa del concepto Lightcraft test, un subconjunto de propulsión propulsada por haz.

Mecanismos de asistencia al lanzamiento

Se han propuesto muchas ideas para los mecanismos de asistencia al lanzamiento que tienen el potencial de reducir drásticamente el costo de entrar en órbita. Los mecanismos propuestos de asistencia para el lanzamiento de lanzamientos espaciales sin cohetes incluyen:

• Skyhook (requiere un vehículo de lanzamiento suborbital reutilizable, no viable utilizando materiales disponibles actualmente)
• Ascensor espacial (a partir de la superficie terrestre a la órbita geoestacionaria, no se puede construir con materiales existentes)
• Lanzar el bucle (un bucle giratorio muy rápido cerca de 80 km de altura)
• Fuente espacial (un edificio muy alto sostenido por una corriente de masas disparadas desde su base)
• Anillo orbital (un anillo alrededor de la Tierra con radios colgando de rodamientos)
• catapulta electromagnética (railgun, coilgun) (una pistola eléctrica)
• lanzamiento de cohetes
• Pistola espacial (Proyecto HARP, acelerador de carneros) (un arma químicamente propulsada)
• cohetes de propulsión impulsados por el haz y jets propulsados desde el suelo a través de un haz
• Plataformas de alta altitud para ayudar a la etapa inicial

Motores de respiración de aire

En general, los estudios muestran que los motores de respiración de aire convencionales, como los estatorreactores o los turborreactores, son básicamente demasiado pesados (tienen una relación empuje/peso demasiado baja) para brindar una mejora significativa en el rendimiento cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. Sin embargo, los vehículos de lanzamiento pueden lanzarse desde el aire desde vehículos de elevación separados (por ejemplo, B-29, Pegasus Rocket y White Knight) que sí utilizan tales sistemas de propulsión. También podrían usarse motores a reacción montados en un riel de lanzamiento.

Por otro lado, se han propuesto motores muy ligeros o de muy alta velocidad que aprovechan el aire durante el ascenso:

• SABRE – un turbojet de hidrógeno ligero con precooler
• ATREX – un turbojet de hidrógeno ligero con precooler
• Motor de ciclo de aire líquido – un motor de chorro de hidrógeno que licua el aire antes de quemarlo en un motor de cohetes
• Scramjet – motores jet que usan combustión supersónica
• Shcramjet – similar a un motor scramjet, sin embargo aprovecha las ondas de choque producidas por el avión en la cámara de combustión para ayudar a aumentar la eficiencia general.

Los vehículos de lanzamiento de cohetes normales vuelan casi verticalmente antes de volcarse a una altitud de unas decenas de kilómetros antes de quemarse lateralmente para entrar en órbita; este ascenso vertical inicial desperdicia propulsor pero es óptimo ya que reduce en gran medida la resistencia aerodinámica. Los motores que respiran aire queman el propulsor de manera mucho más eficiente y esto permitiría una trayectoria de lanzamiento mucho más plana, los vehículos generalmente volarían aproximadamente tangencialmente a la superficie de la Tierra hasta salir de la atmósfera y luego realizarían una quema de cohete para unir el delta-v final a la velocidad orbital..

Para las naves espaciales que ya se encuentran en una órbita muy baja, la propulsión eléctrica que respira aire usaría gases residuales en la atmósfera superior como propulsor. La propulsión eléctrica que respira aire podría hacer posible una nueva clase de misiones de órbita baja de larga duración en la Tierra, Marte o Venus.

Llegada y aterrizaje planetario

Una versión de prueba del sistema de airbags Mars Pathfinder

Cuando un vehículo va a entrar en órbita alrededor de su planeta de destino, o cuando va a aterrizar, debe ajustar su velocidad. Esto se puede hacer utilizando todos los métodos enumerados anteriormente (siempre que puedan generar un empuje lo suficientemente alto), pero hay algunos métodos que pueden aprovechar las atmósferas y/o superficies planetarias.

• Aerobraking permite que una nave espacial reduzca el punto alto de una órbita elíptica mediante cepillos repetidos con la atmósfera en el punto bajo de la órbita. Esto puede ahorrar una cantidad considerable de combustible porque se necesita mucho menos delta-V para entrar en una órbita elíptica en comparación con una órbita circular baja. Debido a que el frenado se hace a lo largo de muchas órbitas, la calefacción es comparativamente menor, y no se requiere un escudo de calor. Esto se ha hecho en varias misiones de Marte, como Mars Global Surveyor, 2001 Mars Odyssey, y Marte Reconnaissance Orbiter, y al menos una misión Venus, Magellan.
• Aerocaptura es una maniobra mucho más agresiva, convirtiendo una órbita hiperbólica entrante a una órbita elíptica en un solo paso. Esto requiere un escudo de calor y una navegación mucho más difícil, porque debe ser completado en un paso a través de la atmósfera, y a diferencia de aerobraking no es posible la vista previa de la atmósfera. Si la intención es permanecer en órbita, entonces al menos una maniobra más propulsiva es necesaria después de la aerocaptura, de lo contrario el punto bajo de la órbita resultante permanecerá en la atmósfera, dando lugar a eventual reingreso. La Aerocaptura aún no ha sido probada en una misión planetaria, pero el patrón de reingreso de Zond 6 y Zond 7 al regreso lunar fueron maniobras de aerocaptura, porque convirtieron una órbita hiperbólica en una órbita elíptica. En estas misiones, debido a que no hubo intento de elevar el perigeo después de la aerocaptura, la órbita resultante aún intersectó la atmósfera, y la reentrada ocurrió en el siguiente perigeo.
• Una bola es un dispositivo de arrastre inflable.
• Los paracaídas pueden aterrizar una sonda en un planeta o en una luna con un ambiente, generalmente después de que la atmósfera haya arrancado la mayor parte de la velocidad, utilizando un escudo de calor.
• Los sacos pueden suavizar el aterrizaje final.
• Lithobraking, o parar impactando la superficie, generalmente se hace por accidente. Sin embargo, puede hacerse deliberadamente con la sonda que se espera que sobreviva (véase, por ejemplo, Deep Impact (spacecraft)), en cuyo caso se requieren sondas muy robustas.

En la ficción

En la ciencia ficción, las naves espaciales utilizan varios medios para viajar, algunos de ellos científicamente plausibles (como velas solares o estatorreactores), otros, en su mayoría o totalmente ficticios (como antigravedad, warp drive, spindizz o viajes hiperespaciales).