¿Por qué no podemos lanzarnos desde el espacio?

Podemos lanzarnos desde el espacio y, en cierto sentido, ya lo somos. Si considera las etapas superiores de los vehículos de lanzamiento orbital que podrían enviar naves espaciales a una órbita terrestre más alta o incluso escapar bien de la gravedad de la Tierra , realmente los encendemos cuando ya están en el vacío del espacio. Y dependiendo de la capacidad del vehículo de lanzamiento y la trayectoria prevista, es posible que ya hayan alcanzado o no la velocidad orbital. Pero su pregunta, supongo, se reduce a lo que normalmente llamamos economía de masas ;

Verá, la aceleración gravitatoria a la altitud orbital a la que la Estación Espacial Internacional orbita la Tierra (lo que llamamos órbita terrestre baja, o LEO para abreviar) sigue siendo de aproximadamente 8,64 m/s² (o ~ 88% de la atracción gravitatoria que nos mantiene en la tierra en la superficie), y para cuerpos en órbita de masa insignificante en comparación con el cuerpo principal que orbitan dado por$\mu/r^2$donde parámetro gravitacional estándar $\mu$es$G\cdot M$, o el producto de la constante gravitatoria $G$y masa$M$del cuerpo central. Para evitar que algo vuelva a caer a la Tierra una vez que lo lanzamos, solo tenemos dos opciones:

• Lance en una trayectoria interplanetaria directa con un vehículo de lanzamiento de alta capacidad que, a cierta altitud, alcance la velocidad de escape de la Tierra , dada por$\sqrt{2\mu/r}$. En términos más simples, podríamos acelerar la nave a una velocidad y más allá de eso sería suficiente para garantizar que la nave nunca regrese a la Tierra y escape bien de su gravedad, a pesar de que su atracción gravitatoria aún persiste muy por encima de ella y disminuye con un cuadrado inverso . de la distancia a ella. En la superficie de la Tierra, la velocidad de escape es de aproximadamente 11,18 km/s , y en altitudes LEO sigue siendo de aproximadamente 10,83 km/s .

• Lanzar a una órbita terrestre intermedia, donde aceleramos el vehículo radialmente (alrededor de la Tierra) a una velocidad horizontal tal que no alcanza la Tierra perpetuamente en una caída libre a su alrededor, a pesar de su atracción gravitacional. Para la altitud orbital de la ISS, la velocidad orbital es de aproximadamente 7,66 km/s y está dada por$\sqrt{\mu/r}$, pero en términos simples, con las órbitas, necesitamos alcanzar la velocidad a la que la fuerza centrífuga (lejos del foco o centro de la órbita) sea exactamente igual a la fuerza centrípeta (hacia el foco), donde la fuerza centrípeta es la gravedad a esa altitud y ya te he dado el número para LEO (y en el enlace la forma de calcularlo para cualquier altitud). Si calcula la aceleración centrífuga en el período orbital de la ISS (~ 1,55 horas o 0,0107729967 rpm ), la altitud (~ 412,5 km en promedio desde que se completó el montaje ) y el radio (~ 6.790,6 km desde su foco), quizás con alguna calculadora de fuerza centrífuga en línea como esta, notará que coincide con precisión con los 8,64 m/s² dados anteriormente, pero tendría un signo opuesto (es decir, como vector, apuntaría en la otra dirección) a la atracción de la gravedad.

Para alcanzar estas inmensas velocidades necesarias para orbitar o escapar de cualquier masa de carga útil , debemos gastar gradualmente lo que llamamos masa de reacción (para los cohetes químicos que serían sus propulsores) para empujar el vehículo hacia adelante acelerando su masa de reacción hacia atrás por el principio de reacción igual y opuesta de la tercera ley de movimiento de Newton , y/o acelerar la carga útil a una velocidad suficiente que ya se encuentra en la superficie de la Tierra antes de que se libere al espacio. Pero, estos últimos, es decir, los impulsores de masa o las armas espaciales , vienen con un gran problema que, inicialmente, aún necesitan moverse a través de la densa atmósfera terrestre, lo que introducirá una tremenda resistencia del aire .calentamiento por fricción y formar fuertes ondas de choque y remolinos que podrían desestabilizarlos y hacer que se desintegren. Entonces puede ver que la última opción, en atmósferas, es realmente difícil de lograr sin tener que gastar la mayor parte de la masa en el blindaje del vehículo o de la carga útil, y que tendría sentido intentar minimizar eso y maximizar la fracción de masa de la carga útil .

Pero, realmente no podemos lanzar desde el espacio sin tener primero algo para lanzar, y algo con lo que lanzarlo ya allí. Y ahí es donde entra en juego el término economía de masas . Para mover masa de la Tierra a la órbita de la Tierra, tenemos que gastar masa para llegar allí. Mucho de eso, y es tan frustrante que a menudo se lo conoce como la tiranía de la ecuación del cohete , que se refiere a la ecuación del cohete Tsiolkovsky , el rendimiento de los propulsores con capacidad de alto empuje y las dificultades de elevar algo hacia el espacio incluso con la puesta en escena del cohete, donde los cohetes arrojarían en etapas el peso muerto de las etapas que ya están agotadas de propulsores a medida que asciende el cohete.

Entonces, si tuviéramos algo para lanzar y algo con lo que lanzarlo ya en la órbita de la Tierra, entonces sí, sería tremendamente más fácil. La ISS en realidad tiene dos catapultas de lanzamiento relativamente simples , una instalada en el módulo Kibo japonés y llamada Small Satellite Orbital Deployer (SSOD), y otra CubeSat Deployer construida con NanoRacks , que pueden lanzar satélites CubeSat pequeños y livianos en órbitas similares a las de la ISS:

  ^{Un conjunto de NanoRacks CubeSats desplegados por CubeSat Deployer al final del brazo robótico japonés. Imagen: NASA}

Pero estos CubeSats ya tienen que ser entregados a la estación, y vienen en cohetes químicos convencionales . Y la aceleración que obtienen estos satélites en relación con la estación de SSDO es pequeña, por lo que solo pueden desplegarse a una altitud orbital similar a la de la estación. Para cualquier otra cosa, la energía necesaria es simplemente demasiado alta, y las cargas útiles aún tendrían que tener sus propios medios de propulsión, y con ello aumentar de masa, para luego circularizar su trayectoria orbital.

Y Space Shuttle Orbiters también desplegó y lanzó satélites, algunos con sus propias etapas superiores y saldrían de LEO y se dirigirían en una trayectoria interplanetaria hacia otros planetas, como por ejemplo la nave espacial Galileo que fue llevada a LEO y lanzada desde Space Shuttle Atlantis STS-34. vuelo del 18 de octubre de 1989:

  ^{La nave espacial Galileo y su etapa superior inercial (IUS) se están desplegando desde el transbordador espacial Atlantis. Imagen: NASA}

Y hay mucho más que decir sobre esto, así que trataré de terminarlo lentamente;

Ha habido muchas propuestas para establecer depósitos de propulsores orbitales y tal vez incluso entregarles masa de reacción desde amantes gravitacionalmente menos duras como la Luna. El cambio de velocidad requerido (delta-v) para lanzar desde la Luna a LEO es de solo alrededor de 1,87 km/s (sin circularización orbital), y si lo comparamos con alrededor de 9,3 - 10 km/s necesarios para lanzar a LEO desde la superficie de la Tierra , realmente podría haber grandes ahorros masivos en ello. Pero eso viene con sus propios problemas y, quizás lo más importante, actualmente no tenemos ninguna infraestructura allí para respaldar esto y tomará muchos lanzamientos convencionales .para llegar a ese punto y es probable que aún construyamos nuestros satélites en la Tierra en un futuro previsible.

Entonces, como conclusión, realmente se reduce a dónde están los recursos y cuánto esfuerzo se necesita para colocarlos donde queremos que estén. Lamentablemente, desde la perspectiva del presupuesto delta-v, las áreas de preparación estratégicamente buenas en espacios abiertos que permitirían un acceso fácil (o más fácil) a varios destinos a los que nos gustaría ir, se encuentran en el gran vacío que carece de recursos (aproximadamente solo hay 5 partículas de protones por centímetro cúbico en el espacio cislunar) a menos que las coloquemos allí, por lo que deben ser entregadas allí por algún medio. O, de alguna manera, puede prescindir de los recursos adicionales necesarios y usar lo que ya está allí (es decir, energía solar y usarla directamente con velas solares , o convertirla en electricidad y usarla para los ya mencionados pero esta vez impulsores de masa orbital y anillos de lanzamiento,propulsión impulsada por rayos , o todo tipo de fantásticos métodos hipotéticos de propulsión que hemos imaginado pero que simplemente aún no existen). Entonces, por el momento, esto significa que los recursos necesarios para completar un lanzamiento en el espacio, o también las piezas para ensamblar los sistemas de lanzamiento, se lanzan inicialmente desde la Tierra.

Pero el encuentro orbital, el acoplamiento e incluso el ensamblaje en sí mismo son ciertamente factibles y la ISS es un buen ejemplo de eso, aunque hubo estaciones espaciales anteriores , algunas de las cuales también se ensamblaron en órbita a partir de múltiples módulos prefabricados. En cuanto a ir a cualquier otro lugar que no sea la órbita de la Tierra mediante el montaje en el espacio, bueno, las misiones Apolo a la Luna utilizaron las maniobras de transposición, acoplamiento y extracción y el encuentro de la órbita lunar . Y en un futuro no muy lejano, esperamos que las misiones SLS (Sistema de lanzamiento espacial) hagan cosas similares, para lanzar módulos de tripulación y de servicio en un vehículo de lanzamiento, y módulos avanzados adicionales de propulsión, hábitat y aterrizaje en un bloque de carga adicional.lanzar vehículos y luego atracar en la órbita de la Tierra y, con suerte, algún día, también alrededor de Marte.

Para mayor referencia, dado que menciona que todavía está en sus primeros años de estudio, no puedo recomendar lo suficiente los Fundamentos del vuelo espacial de la NASA :

Conceptos básicos de vuelos espaciales es un tutorial diseñado principalmente para ayudar al personal de operaciones a identificar la variedad de conceptos asociados con las misiones en el espacio profundo y comprender las relaciones entre ellos. También goza de popularidad entre los estudiantes y profesores universitarios y de secundaria, y las personas de todo el mundo que están interesadas en los vuelos espaciales interplanetarios.

Sé que la mayor parte del combustible que gastamos es para escapar de la gravedad de la Tierra.

Eso no es del todo cierto. Peor aún, pone un énfasis indebido en un tema secundario. Una mejor manera de entenderlo es que la mayor parte del combustible se gasta para que el vehículo vaya lo suficientemente rápido como para no golpear la Tierra. Simplemente enviar un cohete hacia arriba 62 millas (100 km) no requiere tanto combustible. Mantenerlo así es la parte difícil.

La parte difícil es que la velocidad orbital cercana a la Tierra es de 8.000 m/s (8 km/s) que, como señala Randal Munroe en su What-If for Orbital Speed , es diez veces más rápida que la bala de un rifle. Vea ese enlace para una perspectiva bien presentada.

Hacemos 'lanzamiento desde el espacio'. De hecho, eso es exactamente lo que hizo Apolo, por ejemplo. Se metieron en la órbita terrestre baja, y luego desde esa órbita fueron a la Luna.

Y los números detrás de esto te dicen por qué esto no es una bala mágica:

La pila Saturn V tenía una masa húmeda (alimentada) de unas 3.000 toneladas. Podría poner alrededor de 140 toneladas en LEO. Llegar a LEO es la parte difícil.

Un concepto temprano para la misión Apolo se basó en el lanzamiento desde el espacio. Se habrían utilizado varios cohetes Nova con 8 motores F-1 para la primera etapa para elevar las piezas a una órbita terrestre baja. Después de ensamblar todas las partes, toda la pila se lanzaría desde la órbita a la Luna. La cápsula de regreso a la Tierra aterrizaría en la Luna y regresaría a la Tierra desde la superficie.

Pero usando el excelente concepto de John Houbolt, un solo Saturn 5 más pequeño fue suficiente. Así que el Nova nunca se construyó. Usar el Módulo Lunar y dejar el Módulo de Comando en una órbita lunar ahorró tanto peso que no se necesitaron varias Novas.

Tras la finalización del programa Apolo ninguna otra misión necesitó tanto peso como para que fuera necesario el lanzamiento desde el espacio. Un solo cohete más pequeño que el Saturno V podría usarse para todas las misiones no tripuladas en el espacio profundo durante las cinco décadas posteriores al Apolo. Una futura misión tripulada de aterrizaje en Marte puede necesitar un lanzamiento desde el espacio. O un aterrizaje suave de un rover de Plutón.