El transbordador espacial de la NASA estuvo en órbita terrestre baja durante 30 años antes de su retirada en 2011. Sin embargo, el sustituto de este vehículo por parte de la agencia espacial estadounidense, el 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 utilizara 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 estado lanzando un avión espacial robótico llamado X-37B a la órbita terrestre baja en misiones clasificadas. China tiene su propio avión espacial militar llamado Shenlong.
Este año podría realizarse un vuelo de prueba del Dream Chaser de la compañía Sierra Space, el primer avión espacial comercial capaz de realizar un vuelo orbital. Si todo va bien, el vehículo podría utilizarse para reabastecer la Estación Espacial Internacional (ISS) con carga y, eventualmente, tripulación.
Los aviones espaciales pueden volar o planear en la atmósfera terrestre y aterrizar en pistas en lugar de utilizar paracaídas para aterrizar en agua o terreno plano como las cápsulas. También son más maniobrables a medida que la nave espacial vuelve a entrar en la atmósfera, lo que aumenta el área de la superficie de la Tierra donde es posible aterrizar desde un punto de reentrada específico.
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 pueden aterrizar con un ruido sordo. Una pista también permite que los equipos de apoyo en tierra y la infraestructura estén listos en el lugar de aterrizaje.
Pero los aviones espaciales son más complejos y pesados que una cápsula equivalente. La forma del cuerpo alado 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 en el 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. En 1957 se inició en Estados Unidos un proyecto de avión espacial militar llamado Dyna-Soar, que luego se canceló justo después de que comenzara la construcción. El vehículo era sofisticado para su época, construido con una aleación de metal capaz de soportar altas temperaturas y contando con un escudo térmico en la parte delantera que podía desprenderse al regresar del espacio, para que el piloto pudiera ver claramente mientras aterrizaba.
El transbordador espacial, que entró en servicio en 1981, fue el primer avión espacial operativo. Se suponía que se lanzaría con más frecuencia y tendría mayor reutilización, pero resultó que se requería una renovación exhaustiva entre lanzamientos. Sin embargo, demostró la capacidad de devolver astronautas y grandes cargamentos desde la órbita.
Otras agencias espaciales invirtieron en los años 1980 y 1990, en Europa, con el avión espacial Hermes, y en Japón, con el vehículo HOPE. Ambos programas fueron cancelados en gran parte debido al costo. La Unión Soviética desarrolló su propio vehículo similar a un transbordador llamado Buran, que voló con éxito al espacio una vez en 1988. El programa fue cancelado después del colapso de la Unión Soviética.
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 Celsius 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 es redondeado) es una forma ideal porque reduce la acumulación de calor en la parte delantera del vehículo.
Aun así, las temperaturas esperadas que experimentará la nave pueden llegar a los 1.600°C, lo que requiere un sistema de protección térmica en el exterior del vehículo. El transbordador espacial TPS incluía baldosas cerámicas especialmente resistentes al calor y una matriz de carbono-carbono reforzada que era capaz de soportar temperaturas de hasta 2400°C.
La pérdida del transbordador Columbia durante su reingreso en 2003, que provocó la muerte de siete astronautas, fue el resultado de una rotura en el TPS en el borde de ataque del ala. Esto se debió a que un trozo de espuma aislante salió volando del tanque externo del transbordador durante el lanzamiento del Columbia y golpeó el ala.
Este problema de espuma era recurrente con el transbordador debido a la forma en que se lanzaba en el costado del tanque de propulsor externo. Pero los diseños de aviones espaciales más nuevos volarán sobre cohetes convencionales, donde la caída de espuma no es un problema.
Un TPS eficaz 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.
Actualmente hay dos aviones espaciales operativos, 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 en el momento del lanzamiento, este vehículo no tripulado de nueve metros de largo se lanza mediante un cohete convencional y aterriza de forma autónoma en una pista al final de su misión.
El TPS del X-37B utiliza mosaicos similares a la lanzadera sobre la superficie inferior con una alternativa de menor costo al carbono reforzado llamado Tufroc, desarrollado para el X37B, en el morro y los bordes de ataque.
Pronto se les unirá Dream Chaser, que fue desarrollado por la compañía para transportar carga y astronautas, pero la NASA quiere demostrar su seguridad antes de transportar personas usándolo primero para transportar carga a la estación espacial. La capacidad de devolver a la superficie cargas comparativamente frágiles gracias a un aterrizaje más suave es una capacidad clave. Las losetas que protegen Dream Chaser están hechas de sílice y cada una tiene una forma única que se adapta al área del vehículo que están diseñadas para proteger.
Existe un interés continuo en los aviones espaciales debido a su capacidad para devolver a la tripulación y la carga a la pista. La demanda de esta capacidad es limitada ahora. Pero si los costes de los lanzamientos al espacio siguen bajando y la expansión de la industria espacial aumenta la demanda, se convertirán en una alternativa cada vez más viable a las cápsulas.
A más largo plazo, también existe la posibilidad de que los aviones espaciales sean capaces de alcanzar la órbita después de despegar de una pista. Los desafíos que plantea el desarrollo de estos vehículos de etapa única a órbita (SSTO) son considerables. Sin embargo, conceptos como el vehículo Skylon están dando lugar a desarrollos técnicos que eventualmente podrían respaldar 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, herramientas avanzadas de simulación y modelado por computadora para optimizar diferentes aspectos del diseño y los 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 investigación y desarrollo de aviones espaciales, podríamos ver un futuro en el que los vuelos con estos vehículos se conviertan en una rutina.
Proporcionado por The Conversation
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