Me refiero a cohetes capaces de llevar suministros y humanos a otros planetas.

Para un cohete interplanetario de una sola etapa con una capacidad de carga útil de decenas a cientos de toneladas, ningún sistema de propulsión existente puede hacer el trabajo de manera práctica. Los cohetes químicos carecen de eficiencia de combustible; los cohetes eléctricos no tienen el empuje necesario para salir de la superficie de la Tierra. Incluso los diseños existentes para motores térmicos nucleares (tanto los EE . UU. como la URSS desarrollaron prototipos funcionales en la década de 1960) no tienen ni la eficiencia ni el empuje.

Para hacerlo, necesitaríamos un motor cohete mucho más potente y eficiente. El motor de "bombilla nuclear" es el siguiente paso en capacidad, pero tiene muchos desafíos de ingeniería sin resolver y probablemente no tendría la relación empuje-peso necesaria para obtener su combustible y una carga útil útil. Tierra. Algún tipo de cohete de fusión probablemente podría hacerlo, pero aún no sabemos cómo construir un reactor de fusión sostenido que funcione en tierra.

Los cohetes son básicamente dispositivos que explotan la Tercera Ley de Newton , por cada fuerza existe una fuerza igual y opuesta. Al arrojar masa por la parte trasera lo más rápido posible, se imparte una fuerza igual que eleva el cohete, los motores, la carga útil y todo su propio combustible .

Se puede hacer una sola etapa a órbita, pero es terriblemente ineficiente. Esto se debe a la Ecuación de la Tiranía del Cohete , que básicamente dice que para llevar más masa al espacio se necesita más combustible, lo que significa más masa, lo que significa más combustible...

Puedes calcular la fracción de un cohete que será combustible con la ecuación simplificada$\text{fuel fraction} = 1 - e^{-\delta v/v^e}$dónde$\delta v$es el cambio de velocidad deseado y$v^e$es su velocidad de escape. Cuanto más rápido arroje masa (es decir, combustible) por la parte trasera de su cohete, más fuerza impartirá y más eficiente será.

Podemos resolver el$\delta v$desde la superficie de la Tierra hasta la órbita baja de Marte usando este impresionante mapa Delta-V . Son unos 15 km/s.

Los motores químicos convencionales más eficientes que queman hidrógeno-oxígeno tienen una velocidad de escape de unos 4,5 km/s. Enchufe eso y obtenemos que el 96,4% de la masa debe ser combustible o alrededor de 28:1. Un Falcon 9 vacío pesa unos 28.000 kg , y una cápsula Dragon vacía unos 4.200 kg. Para llevar este vehículo de 32.000 kg a Marte, sin personas, sin suministros, se necesitarían alrededor de 900.000 kg de combustible o alrededor de 2 a 3 veces lo que puede contener un Falcon 9. Un Falcon Heavy puede contener esa cantidad de combustible, pero ahora tiene tres veces más cohetes o 88,000 kg. Más masa significa más combustible. 2,4 millones de kg de combustible, aproximadamente el doble de lo que puede transportar el Falcon Heavy.

Hay tres opciones.

Empaca más combustible

SpaceX está acumulando más combustible al mantener sus tanques tan fríos y, por lo tanto, densos como sea posible hasta el momento del lanzamiento. Esto planteó un problema de seguridad, las personas normalmente se cargan en cohetes después de repostar en caso de que algo salga mal durante el proceso de repostaje. SpaceX quiere "cargar e irse", lo que significa que cargan a las personas y la carga, luego alimentan y lanzan lo antes posible antes de que su combustible se caliente, se expanda y se filtre. SpaceX obtuvo la aprobación de la NASA , pero los tanques de combustible son tan densos y grandes como pueden ser. Esto no te llevará al espacio en una sola etapa.

Aumente su velocidad de escape (es decir, eficiencia de masa)

Digamos que en lugar de un cohete químico usaste un cohete nuclear-térmico con una velocidad de escape de 9 km/s. De repente, para alcanzar nuestros 15 km/s solo necesitamos un 81 % de combustible o una relación de 5:1. Ahora llevar nuestro Falcon 9 + Dragon vacío de 32.000 kg a Marte es solo 160.000 kg de combustible. Con otros 100 000 kg de combustible obtendrá 20 000 kg de carga útil.

Por supuesto, existe el molesto problema de los gases de escape radiactivos (solucionables) y el material radiactivo arrojado si el cohete explota, lo que a veces sucede.

Más alto aún$\delta v$se puede obtener de Ion Thrusters de 20 a 50 km/s. Lleve esto al extremo y tendrá el propulsor de fotones cuya velocidad de escape es la velocidad de la luz. El problema es que producen un empuje tan anémico que no pueden levantar ninguna carga útil apreciable contra la gravedad de la Tierra y empujar a través de su atmósfera.

Así que, por el momento, nos quedamos con 4,5 km/s para llegar a la órbita. Una vez en órbita podemos utilizar motores más eficientes o más peligrosos. Pero esa es la puesta en escena que nos lleva a por qué tenemos cohetes de varias etapas.

arrojar masa

La ecuación del cohete nos dice que cada kilo que arrojamos recuperamos muchos kilos de carga útil. Si lo arrojamos temprano en el lanzamiento, esa es menos masa que necesitamos para seguir avanzando.

Puesta en escena

Resulta que los tanques de combustible vacíos pesan mucho. También lo hacen los muchos motores necesarios para atravesar la atmósfera de la Tierra. Una vez que estás por encima de la atmósfera, por encima de la mayor parte de la resistencia, necesitas mucho menos empuje para alcanzar la velocidad orbital. Así que los desechamos lo antes posible. Esta es la primera etapa.

Volviendo a la ecuación del cohete, digamos que la primera etapa solo necesita producir 5 km/s, luego se descarta. A 4,5 km/s esto nos da una fracción del 67% o 3:1, ¡muy bien! Luego se desecha la primera etapa vacía, aproximadamente el 8% de la masa de lanzamiento. Esto nos deja con el 25% de la masa. Esta segunda etapa debe aportar los 10 km/s restantes. Esto significa que el 25 % restante de la masa original debe ser 89 % de combustible o 22 % de la masa original. 67% + 22% = 89% o alrededor de 10:1. ¡Esta es una gran mejora en una sola etapa que era 28: 1!

En realidad, esto probablemente sería un cohete de tres etapas para lograr aún más eficiencia. Y es por eso que organizamos cohetes.

No lleves tu combustible

El Santo Grial de la propulsión espacial es escapar por completo de la Ecuación del Cohete y no tener que llevar tu combustible contigo en absoluto. Las sondas del sistema solar interior pueden usar paneles solares para alimentar sus motores iónicos. Todavía necesitan llevar masa de reacción, pero no tienen que llevar combustible para impulsarla. En cambio, usan la luz solar para generar electricidad para impulsar su combustible a velocidades extremas y hacer el uso más eficiente de su masa de reacción.

Esto está actualmente en uso. Por ejemplo, Dawn tiene alrededor de 425 kg de xenón (elegido porque no es reactivo y es muy denso) como masa de reacción, pero utiliza paneles solares para impulsarlo. Esos paneles solares proporcionan alrededor de 1kW en su objetivo Ceres. Esto le da un increíble$\delta v$de unos 10 km/s, pero tarda unos 4 días en pasar de 0 a 100 km/h. No es bueno para despegar de la Tierra, pero es genial en el vacío del espacio.

De manera similar, un cohete térmico láser utiliza una catapulta, un cohete convencional o un avión para elevarlo hacia la atmósfera. Luego, los láseres terrestres y espaciales calientan el cohete, lo que hace que su combustible se agote a velocidades más altas que las que pueden alcanzar los cohetes convencionales.

Esto es completamente especulativo.

Creo que vale la pena mencionar aquí el motor híbrido de respiración de aire/motor cohete SABRE y los aviones espaciales .

Para tener un vehículo capaz de alcanzar la órbita, debería ser obvio que necesita un motor capaz de operar en el vacío. Uno de los problemas con los motores de vacío es que su eficiencia es mucho menor cuando se encuentran en una atmósfera densa y, por lo tanto (como señala Schwern en otra respuesta), tienen que consumir toneladas y toneladas de combustible para entregar el Delta-V requerido (y eso es si pueden entregar el empuje necesario para contrarrestar el arrastre de la gravedad en el lanzamiento).

El enfoque clásico del problema es usar diferentes motores de cohetes a diferentes altitudes (léase "diferentes presiones atmosféricas"). Tome el programa del transbordador espacial: la etapa inferior de los propulsores de cohetes sólidos ofrece un alto empuje (12000kN) y baja eficiencia ($I_{SP}$de unos 250s); sus motores principales entregan bajo empuje (1800kN) y mayor eficiencia ($I_{SP}$de unos 450 s en el vacío).

Los aviones espaciales utilizan un enfoque completamente diferente: la "etapa inferior" es un avión con motores que respiran aire, muy parecido a los aviones de pasajeros modernos. Un avión no necesita un gran empuje para vencer el arrastre de la gravedad, porque puede depender de la aerodinámica para proporcionar sustentación. Y la eficiencia de combustible de los turboventiladores (el tipo de motores que respiran aire que usan los aviones) es una locura en comparación con los cohetes : ($I_{SP}$de alrededor de 3000s). Hacen "engaño" a la regla de "debes llevar tu propio combustible" al usar el oxígeno en la atmósfera como parte de la masa de reacción ( editar: y al usar aire como propulsor; ver comentarios ).

La idea general es usar motores que respiran aire para ganar algo de altitud y velocidad y luego, cuando la atmósfera es lo suficientemente delgada como para que los turboventiladores ya no sean útiles, activar los motores de cohete (de vacío) para alcanzar la órbita.

Quizás recuerdes el SpaceShipTwo de Virgin : la parte del avión vuela hasta 15 kilómetros, luego la parte del cohete se separa, enciende sus motores y vuela hasta 110 km, fuera de la atmósfera.

Pero aún necesita dos motores diferentes. Ahí es cuando entra en juego el motor de cohete/motor de respiración de aire híbrido SABRE . En lugar de un turboventilador y un motor de cohete, tiene un motor que puede comportarse como . En lugar de apagar los turboventiladores y encender los motores de los cohetes, un motor SABRE simplemente cambiaría de modo a la altitud/velocidad correcta.

Desafortunadamente, un motor híbrido de este tipo es una tarea de ingeniería muy compleja. A día de hoy (2018) es solo un concepto sin un prototipo funcional. Citando de wikipedia:

En 2012, [el fabricante] esperaba vuelos de prueba para 2020 y vuelos operativos para 2030.

Así que creo que podría ser posible ver aviones espaciales SSTO de baja carga útil o solo para pasajeros (pero no cohetes SSTO ) en dos o cuatro décadas.

Si solo está interesado en un SSTO seguro y reutilizable para una órbita terrestre baja con una pequeña relación de carga útil, tiene suerte (más o menos). La mezcla de combustible de acetalyne-ozone le daría tanto al ISP como al impulso para lograrlo con tecnología convencional. Tienes dos problemas que resolver:

1) Descubra cómo estabilizar el ozono líquido al 100 %.

2) Averiguar cómo construir un motor que pueda tolerar el calor de la combustión. Históricamente, esto se hacía con enfriamiento con oxígeno líquido. No se puede utilizar refrigeración por ozono líquido.