Una de las razones por las que los grandes cohetes se lanzan directamente hacia arriba es estructural. Los cilindros son fuertes bajo compresión, apilar cilindros uno encima del otro significa que el peso es simétrico, necesita menos peso estructural para sostenerlo todo. Lánzalo hacia arriba y haz cambios suaves en la dirección y las fuerzas se distribuyen por igual a través de la estructura hasta el final. Ponlo todo de costado y de repente necesitarás mucha más estructura para soportar el peso, agrega alas y necesitarás aún más estructura para distribuir la carga aerodinámica.

Otra es que la resistencia del aire es el enemigo. Lanzar de lado significaría que el cohete tendría que superar la resistencia del aire por más tiempo. En un planeta sin aire, un lanzamiento lateral podría tener más sentido, con una atmósfera, la ruta más eficiente para orbitar significa llegar lo suficientemente alto como para pasar gran parte de la atmósfera antes de volcarse y acelerar a la velocidad orbital.

Es una cuestión de trayectoria óptima: maniobra de cabeceo/giro por gravedad que depende de las características del cohete, la atmósfera, la gravedad, etc. En particular, para cohetes con una relación empuje-peso inicial más baja, la trayectoria comienza casi vertical; "redondear" el ángulo a una posición perfectamente vertical facilita la infraestructura de la plataforma de lanzamiento y el proceso de preparación; la "ineficiencia" es tan minúscula que cualquier ahorro aquí sería absorbido por completo por los costos de complicación de la infraestructura para el lanzamiento diagonal.

¿Y qué pasa con los cohetes con TWR inicial muy alta? Bueno, estos que existen, como el SS-520-4, se lanzan en diagonal o en otras configuraciones "interesantes". Pero son excepcionalmente raros, por simples razones económicas. "El combustible es barato, los motores son caros" es el viejo dicho de la industria de los cohetes. Es más rentable agregar más combustible, aumentando la masa inicial, que tratar de reducir las pérdidas por gravedad acortando el tiempo de órbita, usando más motores más potentes. Por lo tanto, casi todos los sistemas de lanzamiento comunes tienen un TWR inicial bajo y, como resultado, una posición de lanzamiento vertical.

En cuanto a las alas, las alas tienen sentido hasta Mach 2-3 tal vez, después de eso solo agregan peso y arrastre. Y el cohete debe alcanzar Mach 21. Cualesquiera que sean los primeros ahorros que obtenga del vuelo alado temprano, pronto se convertirán en pérdidas masivas.

La atmósfera se adelgaza exponencialmente a medida que se asciende. Esto significa que la parte de la atmósfera cercana al suelo es sustancialmente más densa que la que se encuentra más arriba. En otras palabras, la resistencia del aire es mucho mayor cuando estás cerca del suelo.

Para minimizar la cantidad de combustible que se pierde al luchar contra la resistencia del aire, debe minimizar la cantidad de tiempo que pasa en la parte más espesa de la atmósfera. Cualquier ángulo de inclinación inicial$\theta$alarga la cantidad de tiempo que pasas en la atmósfera inferior en aproximadamente un factor de$\frac{1}{\cos\theta}$, solo por consideraciones de geometría. Como era de esperar, la dirección más rápida para salir de la atmósfera inferior es hacia arriba.

Además de las buenas respuestas que ya obtuvo, tenga en cuenta que para que un cohete se lance en diagonal, necesita que la aceleración vertical sea superior a 1 g. En un Saturno V, la aceleración inicial fue apenas superior a 1 g. Si pones tu cohete en un ángulo de 45 grados, ahora necesitas 1,41 g para no caer al suelo.

También hay grandes problemas de ingeniería. Cuando colocas un gran cohete verticalmente, tiene que soportar su propio peso y lo liberas tan pronto como comienza a ascender. Si su cohete está en ángulo, debe lidiar con soportar el peso del cohete de lado (compare la fuerza del costado de una lata de cerveza en comparación con la de arriba hacia abajo, y recuerde que un cohete es básicamente una pila de tanques de combustible cada uno con motores en la parte inferior), además el cohete tendría que deslizarse fuera de sus soportes hasta que tenga suficiente velocidad. Y, como recordatorio, algo como el Saturno V pesa tres mil toneladas al despegar.

Economía del combustible

Cuando diga recursos, supondré que se centra principalmente en los costos de combustible, que es donde presumiblemente ahorraría dinero aprovechando un despegue horizontal similar al de un avión. Resulta que los aviones y los cohetes tienen costos operativos económicos muy diferentes. Vamos a ponerle algunos números. Para simplificar, consideraremos el SpaceX Falcon 9 y el Boeing 777 (en particular, un 777-200 que se usa para rutas como Nueva York-Londres).

Un 777-200 cuesta unos 300 millones de dólares y tiene una vida útil de unos 40.000 ciclos. Como estimación aproximada, esto significa que el costo amortizado de un vuelo de Nueva York a Londres sería del orden de $ 7,500. Los costos de combustible para el mismo vuelo rondarán los 30.000 dólares . Al buscar rápidamente en Google, parece que el costo total por hora sería de aproximadamente $ 30,000 / hora de vuelo, por lo que el costo total del vuelo sería superior a $ 100,000. De todos modos, es fácil ver que el costo de la aeronave en sí es una pequeña parte del costo total de un vuelo.

Un Falcon 9, por otro lado, cuesta quizás alrededor de $ 60 millones para construir (los números exactos no están disponibles, pero la mayoría de las estimaciones lo ubican en ese rango). En este momento, el récord de reutilización se encuentra en 5 veces, pero seamos un poco generosos y digamos que es posible reutilizarlo 10 veces sin renovación. Eso nos da un costo por vuelo de $ 6,000,000. Según SpaceX, el costo del combustible de un vuelo es de $200.000. Rápidamente podemos ver que el costo del vehículo es un costo muy significativo de un solo vuelo. SpaceX pone el costo en 0,4%, por lo que nuestra estimación de 0,033 parece estar en el estadio de béisbol. Incluso si fuéramos extremadamente generosos y supusiéramos que puede volar 100 veces, eso todavía significa que el costo del vehículo por vuelo es significativamente mayor que el costo del combustible por vuelo, un cambio completo de cómo operan las aerolíneas.

Conclusión

Entonces, ¿qué ganaría con el despegue horizontal al estilo de un avión? Es posible que pueda reducir un poco la factura de combustible, seamos nuevamente generosos y digamos que ahorraría $ 100,000 por vuelo. ¿Qué perderías? Como ilustran las otras respuestas y comentarios: bastante. Tendría un aumento masivo en los desafíos de ingeniería que necesita abordar (lo que significa más costos de desarrollo), pero lo que es más importante, está introduciendo muchos más lugares en los que las cosas pueden salir mal. No solo necesita funcionar como un cohete para la atmósfera superior, sino que debe funcionar como un avión en la atmósfera inferior. También tendría que transferirse sin problemas entre estos perfiles de vuelo.

TLDR: No funciona porque, en el mejor de los casos, ahorra un poco en costos de combustible, pero agrega una gran complejidad de ingeniería y problemas de confiabilidad.

Nota: los números utilizados son estimaciones aproximadas de una búsqueda rápida, pero creo que ilustran la economía del problema. Algunas fuentes incluyen:

¿Cuál es el desglose de costos para el lanzamiento de un Falcon 9? https://aviation.stackexchange.com/questions/654/cuál-es-el-costo-típico-y-su-desglose-para-un-vuelo-comercial-de-larga-distancia https://en.wikipedia.org/wiki /Boeing_777 https://aviation.stackexchange.com/questions/2263/what-is-the-lifespan-of-commercial-airframes-in-general https://www.spacex.com/reusability-key-making-human -life-multi-planetary https://thepointsguy.com/guide/cost-of-fueling-an-airliner/