Vehículo de lanzamiento reutilizable

Un vehículo de lanzamiento reutilizable tiene partes que se pueden recuperar y volver a volar, mientras transporta cargas útiles desde la superficie al espacio exterior. Las etapas de los cohetes son las piezas más comunes de los vehículos de lanzamiento destinadas a la reutilización. Las piezas más pequeñas, como motores de cohetes y propulsores, también se pueden reutilizar, aunque las naves espaciales reutilizables se pueden lanzar sobre un vehículo de lanzamiento prescindible. Los vehículos de lanzamiento reutilizables no necesitan fabricar estas piezas para cada lanzamiento, lo que reduce significativamente su costo de lanzamiento. Sin embargo, estos beneficios se ven disminuidos por el costo de recuperación y renovación.

Los vehículos de lanzamiento reutilizables pueden contener aviónica y propulsor adicionales, lo que los hace más pesados que sus contrapartes desechables. Es posible que las piezas reutilizadas deban ingresar a la atmósfera y navegar a través de ella, por lo que a menudo están equipadas con escudos térmicos, aletas de rejilla y otras superficies de control de vuelo. Al modificar su forma, los aviones espaciales pueden aprovechar la mecánica de la aviación para ayudar en su recuperación, como el planeo o la sustentación. En la atmósfera, también se pueden necesitar paracaídas o retrocohetes para reducir aún más la velocidad. Las piezas reutilizables también pueden necesitar instalaciones de recuperación especializadas, como pistas de aterrizaje o naves no tripuladas autónomas de puertos espaciales. Algunos conceptos se basan en infraestructuras terrestres, como controladores de masa para acelerar el vehículo de lanzamiento de antemano.

Desde al menos principios del siglo XX, los vehículos de lanzamiento reutilizables de etapa única a órbita han existido en la ciencia ficción. En las décadas de 1960 y 1970, se fabricaron los primeros vehículos de lanzamiento reutilizables, llamados Space Shuttle y Energia. Sin embargo, en la década de 1990, debido a ambos programas' Al no cumplir con las expectativas, los conceptos de vehículos de lanzamiento reutilizables se redujeron a pruebas de prototipos. El auge de las empresas privadas de vuelos espaciales en las décadas de 2000 y 2010 condujo a un resurgimiento de su desarrollo, como en SpaceShipOne, New Shepard, Electron, Falcon 9 y Falcon Heavy. Ahora se espera que muchos vehículos de lanzamiento debuten con reutilización en la década de 2020, como Starship, New Glenn, Soyuz-7, Ariane Next, Long March, Terran R y Dawn Mk-II Aurora.

Configuraciones

Los sistemas de lanzamiento reutilizables pueden ser total o parcialmente reutilizables.

Vehículo de lanzamiento totalmente reutilizable

A partir de enero de 2023, aún no se han construido ni puesto en funcionamiento sistemas orbitales totalmente reutilizables. En teoría, los vehículos de lanzamiento totalmente reutilizables podrían ser vehículos de una sola etapa a órbita (SSTO), así como sistemas de varias etapas a órbita.

Al menos tres empresas están actualmente en desarrollo para lograr vehículos de lanzamiento totalmente reutilizables a partir de febrero de 2023. Cada una de ellas está trabajando en un sistema de órbita de dos etapas. SpaceX, con su SpaceX Starship, que ha estado en desarrollo desde 2016 y realizó un vuelo de prueba inicial en abril de 2023. Blue Origin, con Project Jarvis, comenzó el trabajo de desarrollo a principios de 2021, pero no ha anunciado fecha para la prueba, ni siquiera ha sido público con sus planes. Stoke Space también está desarrollando un cohete que se planea que sea reutilizable.

Los planes anteriores para realizar pruebas de reutilización mejorada en la segunda etapa del SpaceX Falcon 9 se dejaron de lado en 2018.

Sistemas de lanzamiento parcialmente reutilizables

Los sistemas de lanzamiento reutilizables parciales, en forma de sistemas de varias etapas para poner en órbita, han sido hasta ahora las únicas configuraciones reutilizables en uso.

Etapas de despegue

Todos los vehículos de lanzamiento reutilizables solo reutilizan la primera etapa del cohete (excluyendo los aviones espaciales orbitales que se pueden considerar como etapas de cohetes reutilizables debido a su capacidad para realizar maniobras orbitales o, en el caso del transbordador espacial, orbitales completos). inserción). Los sistemas de lanzamiento reutilizables existentes utilizan despegue vertical propulsado por cohetes o tienen aeronaves reutilizables como su "primera etapa".

Aparte de eso, se ha propuesto y explorado una variedad de sistemas de despegue que no son cohetes a lo largo del tiempo como sistemas reutilizables para el despegue, desde globos hasta ascensores espaciales. Los ejemplos existentes son sistemas que emplean un despegue propulsado por un motor a reacción horizontal alado. Dicha aeronave puede lanzar cohetes desechables desde el aire y, por ello, puede considerarse un sistema parcialmente reutilizable si se considera que la aeronave es la primera etapa del vehículo de lanzamiento. Un ejemplo de esta configuración es Orbital Sciences Pegasus. Para el vuelo suborbital, el SpaceShipTwo utiliza para despegar un avión de transporte, su nave nodriza, el Scaled Composites White Knight Two.

Etapas de inserción orbital

Hasta ahora, la mayoría de los sistemas de lanzamiento logran la inserción orbital con cohetes de varias etapas al menos parcialmente gastados, particularmente con la segunda y la tercera etapa. Solo el transbordador espacial ha logrado una reutilización de la etapa de inserción orbital, utilizando los motores y el tanque de combustible de su orbitador.

Nave espacial reutilizable

Los sistemas de lanzamiento se pueden combinar con cápsulas o aviones espaciales reutilizables. El orbitador del transbordador espacial, SpaceShipTwo, Dawn Mk-II Aurora y el RLV-TD indio en desarrollo son ejemplos de un vehículo espacial reutilizable (un avión espacial), así como una parte de su sistema de lanzamiento.

Más contemporáneamente, el sistema de lanzamiento del Falcon 9 ha transportado vehículos reutilizables como el Dragon 2 y el X-37, transportando dos vehículos reutilizables al mismo tiempo.

Los vehículos orbitales reutilizables contemporáneos incluyen el X-37, el Dream Chaser, el Dragon 2, el Indian RLV-TD y el próximo European Space Rider (sucesor del IXV).

Al igual que con los vehículos de lanzamiento, todas las naves espaciales puras durante las primeras décadas de la capacidad humana para realizar vuelos espaciales se diseñaron para ser artículos de un solo uso. Esto era cierto tanto para los satélites como para las sondas espaciales destinadas a permanecer en el espacio durante mucho tiempo, así como para cualquier objeto diseñado para regresar a la Tierra, como las cápsulas espaciales que transportan humanos o los recipientes de retorno de muestras de las misiones de recolección de materia espacial como Stardust (1999–2006) o Hayabusa (2005–2010). Las excepciones a la regla general para los vehículos espaciales fueron el Gemini SC-2 de EE. UU., la nave espacial de la Unión Soviética Vozvraschaemyi Apparat (VA), el transbordador espacial de EE. (1980-1988, con solo un vuelo de prueba sin tripulación en 1988). Ambas naves espaciales también eran una parte integral del sistema de lanzamiento (proporcionando aceleración de lanzamiento), además de operar como naves espaciales de duración media en el espacio. Esto comenzó a cambiar a mediados de la década de 2010.

En la década de 2010, la cápsula de carga de transporte espacial de uno de los proveedores que reabastecen la Estación Espacial Internacional se diseñó para su reutilización y, después de 2017, la NASA comenzó a permitir la reutilización de la nave espacial de carga SpaceX Dragon en estas rutas de transporte contratadas por la NASA.. Este fue el comienzo del diseño y operación de un vehículo espacial reutilizable.

Las cápsulas Boeing Starliner también reducen su velocidad de caída con paracaídas y despliegan una bolsa de aire poco antes de tocar tierra, para recuperar y reutilizar el vehículo.

A partir de 2021, SpaceX está construyendo y probando la nave espacial Starship para que sea capaz de sobrevivir a múltiples reingresos hipersónicos a través de la atmósfera para que se conviertan en naves espaciales verdaderamente reutilizables de larga duración; aún no se han producido vuelos operativos de Starship.

Sistemas de entrada

Escudo térmico

Con posibles escudos térmicos inflables, como los desarrollados por EE. UU. (desacelerador inflable de prueba de vuelo en órbita terrestre baja - LOFTID) y China, se considera que los cohetes de un solo uso, como el Space Launch System, se pueden adaptar con dichos escudos térmicos para salvar el costoso motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos. También se proponen escudos térmicos para su uso en combinación con empuje retrógrado para permitir la reutilización completa como se ve en Starship.

Empuje retrógrado

Las etapas del sistema de lanzamiento reutilizables, como el Falcon 9 y el New Shepard, emplean arranques retrógrados para la salida de órbita, el reingreso y el aterrizaje.

Sistemas de aterrizaje

Los sistemas reutilizables pueden venir en uno o varios (dos o tres) etapas a configuraciones orbitales. Para algunas o todas las etapas se pueden emplear los siguientes tipos de sistemas de aterrizaje.

Tipos

Paracaídas y airbags

Estos son sistemas de aterrizaje que emplean paracaídas y aterrizajes forzosos reforzados, como en un amerizaje en el mar o un aterrizaje en tierra. Este último puede requerir que se queme el motor justo antes de aterrizar, ya que los paracaídas por sí solos no pueden reducir la velocidad de la nave lo suficiente como para evitar lesiones a los astronautas. Esto se puede ver en la cápsula Soyuz.

Aunque tales sistemas han estado en uso desde el comienzo de la astronáutica para recuperar vehículos espaciales, solo más tarde los vehículos han sido reutilizados.

Por ejemplo:

• Transbordador espacial Solid Rocket Boosters
• SpaceX Dragon cápsula

Horizontal (alada)

Los escenarios individuales o principales, así como los propulsores de retorno pueden emplear un sistema de aterrizaje horizontal. Estos vehículos aterrizan en la tierra como lo hace un avión, pero por lo general no usan propulsor durante el aterrizaje.

Los ejemplos son:

• orbitador de transbordador espacial - como parte de la etapa principal
• Venturestar - un proyecto de la NASA
• El transbordador espacial ha estudiado el impulsor volador
• Energia II ("Uragan") - un concepto alternativo del sistema de lanzamiento Buran
• OK-GLI - otra versión de la nave espacial Buran
• Liquid Fly-back Booster - un concepto alemán
• Baikal - un antiguo proyecto ruso
• Reutilizable Booster System - un proyecto de investigación estadounidense
• SpaceShipTwo - un plan espacial para el turismo espacial hecho por Virgin Galactic
• SpaceShipThree - un plan espacial en desarrollo para el turismo espacial realizado por Virgin Galactic
• Dawn Mk-II Aurora - un plan espacial en desarrollo por Dawn Aerospace
• XS-1 - otro proyecto de investigación estadounidense
• RLV-TD - un proyecto indio en curso
• Motores de reacción Skylon SSTO

Una variante es un sistema de remolque de captura en el aire, recomendado por una empresa llamada EMBENTION con su proyecto FALCon.

Los vehículos que aterrizan horizontalmente en una pista requieren alas y tren de aterrizaje. Estos suelen consumir alrededor del 9-12% de la masa del vehículo de aterrizaje, lo que reduce la carga útil o aumenta el tamaño del vehículo. Conceptos como los cuerpos de elevación ofrecen cierta reducción en la masa del ala, al igual que la forma del ala delta del transbordador espacial.

Vertical (retrógrado)

Sistemas como el McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) y los de SpaceX son ejemplos de un sistema retrógrado. Los propulsores de Falcon 9 y Falcon Heavy aterrizan usando uno de sus nueve motores. El cohete Falcon 9 es el primer cohete orbital en aterrizar verticalmente su primera etapa en el suelo. La segunda etapa de Starship está planeada para aterrizar verticalmente, mientras que la segunda será atrapada por los brazos después de realizar la mayoría de los pasos típicos de un aterrizaje retrógrado. El cohete suborbital New Shepard de Blue Origin también aterriza verticalmente en el sitio de lanzamiento.

El aterrizaje retrógrado generalmente requiere alrededor del 10 % del propulsor total de la primera etapa, lo que reduce la carga útil que se puede transportar debido a la ecuación del cohete.

Aterrizaje usando fuerza aeroestática

También existe el concepto de un vehículo de lanzamiento con una primera etapa inflable y reutilizable. La forma de esta estructura estará sustentada por un exceso de presión interna (utilizando gases ligeros). Se supone que la densidad aparente de la primera etapa (sin propelente) es menor que la densidad aparente del aire. Al regresar del vuelo, tal primera etapa permanece flotando en el aire (sin tocar la superficie de la Tierra). Esto asegurará que la primera etapa se conserve para su reutilización. Aumentar el tamaño de la primera etapa aumenta las pérdidas aerodinámicas. Esto da como resultado una ligera disminución en la carga útil. Esta reducción de la carga útil se compensa con la reutilización de la primera etapa.

Restricciones

Peso adicional

Las etapas reutilizables pesan más que las etapas desechables equivalentes. Esto es inevitable debido a los sistemas suplementarios, tren de aterrizaje y/o propulsor excedente necesarios para aterrizar una etapa. La penalización por masa real depende del vehículo y del modo de retorno elegido.

Remodelación

Después de que el lanzador aterrice, es posible que deba reacondicionarse para prepararlo para su próximo vuelo. Este proceso puede ser largo y costoso. Es posible que el lanzador no pueda volver a certificarse como apto para humanos después de la renovación, aunque SpaceX ha volado propulsores Falcon 9 reutilizados para misiones humanas. Eventualmente, hay un límite en la cantidad de veces que se puede restaurar un lanzador antes de que tenga que retirarse, pero la frecuencia con la que se puede reutilizar difiere significativamente entre los diversos diseños de sistemas de lanzamiento.

Historia

Con el desarrollo de la propulsión de cohetes en la primera mitad del siglo XX, los viajes espaciales se convirtieron en una posibilidad técnica.

Las primeras ideas de un avión espacial reutilizable de una sola etapa resultaron poco realistas y, aunque incluso los primeros vehículos cohete prácticos (V-2) podían llegar a los confines del espacio, la tecnología reutilizable era demasiado pesada. Además, muchos de los primeros cohetes se desarrollaron para lanzar armas, lo que imposibilitaba su reutilización por diseño. El problema de la eficiencia de masa se superó mediante el uso de múltiples etapas desechables en un cohete de múltiples etapas de lanzamiento vertical. USAF y NACA habían estado estudiando aviones espaciales reutilizables orbitales desde 1958, p. Dyna-Soar, pero las primeras etapas reutilizables no volaron hasta la llegada del transbordador espacial estadounidense en 1981.

Siglo XX

Quizás los primeros vehículos de lanzamiento reutilizables fueron los conceptualizados y estudiados por Wernher von Braun desde 1948 hasta 1956. El Von Braun Ferry Rocket pasó por dos revisiones: una en 1952 y otra en 1956. Habrían aterrizado usando paracaídas.

El General Dynamics Nexus se propuso en la década de 1960 como un sucesor totalmente reutilizable del cohete Saturno V, con capacidad para transportar hasta 450–910 t (990 000–2 000 000 lb) a la órbita. Véase también Sea Dragon y Douglas SASSTO.

El BAC Mustard se estudió a partir de 1964. Habría estado compuesto por tres aviones espaciales idénticos atados juntos y dispuestos en dos etapas. Durante el ascenso, los dos aviones espaciales exteriores, que formaban la primera etapa, se separarían y se deslizarían de regreso individualmente a la Tierra. Fue cancelado después del último estudio del diseño en 1967 debido a la falta de fondos para el desarrollo.

La NASA comenzó el proceso de diseño del transbordador espacial en 1968, con la visión de crear un avión espacial totalmente reutilizable utilizando un propulsor de retorno tripulado. Este concepto resultó costoso y complejo, por lo que el diseño se redujo a propulsores de cohetes sólidos reutilizables y un tanque externo desechable. El transbordador espacial Columbia se lanzó y aterrizó 27 veces y se perdió con toda la tripulación en el intento de aterrizaje número 28; Retador se lanzó y aterrizó 9 veces y se perdió con toda la tripulación en el décimo intento de lanzamiento; Discovery lanzado y aterrizado 39 veces; Atlantis despegó y aterrizó 33 veces.

En 1986, el presidente Ronald Reagan pidió un avión aeroespacial nacional (NASP)/X-30 scramjet que respirara aire. El proyecto fracasó debido a problemas técnicos y fue cancelado en 1993.

A fines de la década de 1980, se propuso una versión totalmente reutilizable del cohete Energia, el Energia II. Sus propulsores y su núcleo habrían tenido la capacidad de aterrizar por separado en una pista.

En la década de 1990, la propuesta McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO pasó a la fase de prueba. El prototipo DC-X demostró un tiempo de respuesta rápido y control automático por computadora.

A mediados de la década de 1990, la investigación británica transformó un diseño HOTOL anterior en el diseño Skylon mucho más prometedor, que sigue en desarrollo.

Desde finales de la década de 1990 hasta la década de 2000, la Agencia Espacial Europea estudió la recuperación de los propulsores de cohetes sólidos Ariane 5. El último intento de recuperación tuvo lugar en 2009.

Las empresas comerciales, Rocketplane Kistler y Rotary Rocket, intentaron construir cohetes reutilizables de desarrollo privado antes de quebrar.

La NASA propuso conceptos reutilizables para reemplazar la tecnología Shuttle, que se demostrarán en los programas X-33 y X-34, que se cancelaron a principios de la década de 2000 debido al aumento de los costos y problemas técnicos.

Siglo XXI

El concurso Ansari X Prize estaba destinado a desarrollar vehículos reutilizables suborbitales privados. Muchas empresas privadas compitieron, con el ganador, Scaled Composites, llegando a la línea de Kármán dos veces en un período de dos semanas con su SpaceShipOne reutilizable.

En 2012, SpaceX inició un programa de pruebas de vuelo con vehículos experimentales. Estos posteriormente condujeron al desarrollo del lanzacohetes reutilizable Falcon 9.

El 23 de noviembre de 2015, el cohete New Shepard se convirtió en el primer cohete suborbital de despegue vertical y aterrizaje vertical (VTVL) en alcanzar el espacio pasando la línea Kármán (100 km o 62 mi), alcanzando los 329 839 pies (100 535 m) antes de regresar para un aterrizaje propulsor.

SpaceX achieved the first vertical soft landing of a reusable orbital rocket stage on December 21, 2015, after delivering 11 Orbcomm OG2 commercial satellites into low Earth orbit.

La primera reutilización de la primera etapa de un Falcon 9 se produjo el 30 de marzo de 2017. Ahora, SpaceX recupera y reutiliza de forma rutinaria sus primeras etapas, además de reutilizar los carenados.

En 2019, Rocket Lab anunció planes para recuperar y reutilizar la primera etapa de su vehículo de lanzamiento Electron, con la intención de usar paracaídas y recuperación en el aire. El 20 de noviembre de 2020, Rocket Lab devolvió con éxito una primera etapa de Electron desde un lanzamiento orbital, la etapa se hundió suavemente en el Océano Pacífico.

China está investigando la reutilización del sistema Long March 8.

A partir de mayo de 2020, los únicos sistemas de lanzamiento de clase orbital reutilizables operativos son Falcon 9 y Falcon Heavy, el último de los cuales se basa en Falcon 9. SpaceX también está desarrollando el sistema de lanzamiento Starship completamente reutilizable y Blue Origin. está desarrollando su propio cohete orbital parcialmente reutilizable New Glenn, ya que tiene la intención de recuperar y reutilizar solo la primera etapa.

5 de octubre de 2020, Roscosmos firmó un contrato de desarrollo para Amur, un nuevo lanzador con una primera etapa reutilizable.

En diciembre de 2020, la ESA firmó contratos para comenzar a desarrollar THEMIS, un prototipo de lanzador de primera etapa reutilizable.

Lista de vehículos de lanzamiento reutilizables

Company	Vehículo	Altura	Carga a LEO	Primer lanzamiento	Recuperado	Relaunched	Notas
NASA	Transbordador espacial	56,1 m	27.500 kg	1981	133	128	Orbiter y refuerzos laterales reutilizables.
NPO-Energia	Energia-Buran	58,765 m	30.000 kg	1987	1	0	Buran Orbiter Reusable.
SpaceX	Falcon 9 Full Thrust (Incluye Falcon 9 Block 5)	71 m	17.400 kg	2015	205	194	Primera etapa reutilizable.
SpaceX	Falcon 9 Block 5	71 m	17.400 kg	2018	188	180	Primera etapa y hadas reutilizables.
Rocket Lab	Electron	18 m	300 kg	2017	4	0	Primera etapa reutilizable.
SpaceX	Falcon Heavy	71 m	~30,000 kg	2018	7	5 - Relanzados laterales con un nuevo núcleo central. 0 - Los tres refuerzos relanzados.	El núcleo de primera etapa, los refuerzos laterales y el reutilizable de la limpieza.
SpaceX	Starship	120 m	150.000 kg	2023	0	0	Totalmente reutilizable.
Rocket Lab	Neutron	42,8 m	13.000 kg	2024	0	0	Primera etapa y hadas reutilizables.
Origen azul	New Glenn	98 m	45.000 kg	2024	0	0	Primera etapa y hadas reutilizables.
United Launch Alliance	Vulcan Centaur	61.6 m	27.200 kg	2024	0	0	Módulo de motor de primera etapa reutilizable.
Stoke Space	Vehículos de lanzamiento espacial Stoke	30 m	1.500 kg	TBD	0	0	Totalmente reutilizable.
PLD Espacio	Miura 5	29,4 m	900 kg	2024	0	0	Primera etapa reutilizable.
Perigee Aerospace	Blue Whale 1	21 m	170 kg	2024	0	0	Primera etapa reutilizable.
Space Pioneer	Tianlong-3	71 m	17.000 kg	2024	0	0	Primera etapa reutilizable.
I-espacio	Hyperbola-2	28 m	500 kg	2024	0	0	Primera etapa reutilizable.
Orienspace	Gravity-2	60 m	15.500 kg	2024	0	0	Primera etapa reutilizable.
Energía Galáctica	Pallas-1	42 m	5.000 kg	2024	0	0	Primera etapa reutilizable.
Deep Blue Aerospace	Nebulosa 1		1.000 kg	2024	0	0	Primera etapa reutilizable.
CAS Espacio	Lijiang-3A	53 m	6.100 kg	2025	0	0	Primera etapa reutilizable.
LandSpace	Zhuque-2	49,5 m	6.000 kg	2025	0	0	Se desarrollará para tener una primera etapa reutilizable.
Roscosmos	Amur	55 m	10.500 kg	2026	0	0	Primera etapa reutilizable.
Espacio relativo	Terran R	82 m	23.500 kg	2026	0	0	Primera etapa reutilizable.
CALT	El 9 de marzo	114 m	100.000 kg	2033	0	0	Primera etapa reutilizable. Completamente reutilizable en un desarrollo posterior.
CALT	Long March 10A	93,2 m	70.000 kg	2027	0	0	Primera etapa reutilizable.

Lista de vehículos suborbitales reutilizables

Company	Vehículo	Primer lanzamiento	Recuperado	Relaunched	Notas
Origen azul	New Shepard	2015	20	17	Totalmente reutilizable.
Virgen Galáctica	SpaceShipTwo (VSS Unity)	2018	5	4	Totalmente reutilizable.
Virgen Galáctica	SpaceShipThree (VSS Imagine)				Totalmente reutilizable.