Vozdushni Start, lanzando cohetes desde el aire
La idea de lanzar cohetes espaciales desde un avión es bastante
antigua. En las últimas décadas se han concebido decenas de proyectos
capaces de poner en órbita satélites mediante sistemas de lanzamiento
aéreos, pero sólo el Pegasus XL
de la compañía norteamericana Orbital ha logrado ver la luz. ¿Y por qué
esta obsesión con este método tan curioso? Muy sencillo, porque los
lanzamientos desde el aire son una manera bastante elegante de minimizar
las pérdidas energéticas de un lanzador. Veamos brevemente cómo.
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| Lanzamiento de un Pegasus-XL desde un avión Lockheed L-1011 TriStar (Orbital). |
Cuando lanzamos un cohete al espacio, hay varios factores que
penalizan el rendimiento del vehículo. El más importante es el debido a
las pérdidas gravitatorias, es decir, la energía que debe invertir el
cohete en salir del pozo gravitatorio de la Tierra. Cuanto más tiempo
pasemos acelerando el cohete hasta alcanzar la velocidad orbital,
mayores serán las pérdidas, motivo por el cual los sistemas lanzamiento
con mayor empuje en las primeras etapas son más eficientes. En general,
un cohete pierde entre 1 km/s y 1,5 km/s en luchar contra la gravedad
terrestre, así que debe llevar mucho más combustible del que necesitaría
si acelerase desde cero lejos de un pozo gravitatorio. Para reducir
este factor, lo ideal sería que el cohete permaneciese el menor tiempo
posible en una trayectoria vertical y que nada más despegar adoptase una
posición horizontal, pero este requisito entra en conflicto con otro
factor como es el rozamiento atmosférico.
Y es que el rozamiento atmosférico es otro problema a tener en cuenta, aunque se da la curiosa circunstancia de que los cohetes más grandes se ven menos afectados que los pequeños (el rozamiento depende de la superficie, pero la masa del cohete depende del volumen). Pese a que el rozamiento atmosférico no produce pérdidas energéticas muy serias (unos 150 m/s), obliga a diseñar los lanzadores de tal forma que sean capaces de soportar el calor y las tensiones que se producen durante el paso por la máxima presión dinámica (Max Q), requisitos que redundan en un aumento de la masa final del sistema. Para reducir la pérdida energética por rozamiento, los cohetes siguen una trayectoria vertical hasta dejar atrás la mayor parte de la atmósfera terrestre y sólo entonces cambian su trayectoria hasta alcanzar la horizontal, más eficiente para minimizar las pérdidas ocasionadas por el pozo gravitatorio terrestre.
El tercer factor de pérdida de eficiencia energética es el que se origina al lanzar un cohete desde una base situada a latitudes distintas del ecuador. Lo ideal en un lanzamiento orbital es aprovechar al máximo la rotación terrestre para aumentar la carga útil del vehículo (a no ser que queramos alcanzar una órbita polar). Y si queremos llegar a la órbita geoestacionaria (que es donde está el negocio de lanzamiento de satélites), entonces nos interesa sobremanera aprovechar este empujoncito extra que nos proporciona la Tierra. Si despegamos desde el ecuador podemos regalar a nuestro cohete unos 300-400 m/s adicionales.
Por lo tanto, si lanzamos un cohete desde un avión subsónico a 10 kilómetros de altura podremos reducir todas estas pérdidas de manera significativa. La mayor altura de lanzamiento implica menores pérdidas gravitatorias y la menor densidad atmosférica reduce el rozamiento de forma dramática (otra ventaja adicional de la baja densidad es que las toberas de los motores de la primera etapa pueden diseñarse de forma más eficiente). Además, el avión puede lanzar el cohete desde el mismísimo ecuador si así lo deseamos, aunque en realidad podemos aprovechar cualquier órbita posible. En este caso, las limitaciones se centran en la infraestructura terrestre (estaciones de seguimiento, normas de seguridad, aeropuertos de partida, etc.).
Podemos entender entonces el interés en desarrollar un sistema de estas características. Actualmente, el problema estriba en buscar una plataforma de lanzamiento -es decir, un avión- adecuada. Se puede lanzar un cohete desde la parte superior o inferior de la aeronave, o bien desde un soporte subalar, pero claro, a no ser que dispongamos de un avión monstruoso, la masa de nuestro cohete (y su carga útil) está seriamente limitada por las características del avión elegido.
Dicho de otra forma, los sistemas de lanzamiento aéreos son sencillos de desarrollar si hablamos de pequeños satélites en órbita baja (LEO). Por ejemplo, el Pegasus XL sólo es capaz de poner 443 kg en LEO usando el avión subsónico Lockheed L-1011 TriStar como plataforma de lanzamiento. Sin embargo, como ya hemos señalado, el negocio está en la órbita geoestacionaria, no en LEO. Entonces, ¿cómo podemos lanzar un cohete grande desde el aire? Lo ideal sería contar con un avión gigante supersónico (o mejor aún, hipersónico) que pudiese transportar nuestro lanzador, pero lamentablemente no existe ningún sistema así en servicio.
La empresa Yakovlev sugirió en los años 90 el proyecto Diana-Burlak, también conocido como HAAL (High Altitude Aerial Launch), un sistema parecido al Pegasus de Orbital, pero usando el bombardero supersónico Tupolev Tu-160 como plataforma. Al viajar a 1,7 Mach y 14 kilómetros de altura, Burlak hubiese sido capaz de situar 1130 kg en LEO. Lo que no está nada mal, pero sigue siendo insuficiente para el mercado de satélites geoestacionarios.
El proyecto ruso-kazajo Ishim
también contemplaba el lanzamiento de cohetes desde un MiG-31
modificado, aunque en este caso estamos hablando de pequeños
microsatélites.
Por tanto, la única solución rentable a corto plazo es centrarse en
los aviones que estén actualmente en servicio. Gracias a su gran tamaño y
prestaciones, el Antonov An-124 Ruslan
es el candidato ideal para servir plataforma de lanzamiento. La enorme
bodega de carga del An-124 puede usarse para transportar en su interior
un cohete. Una vez alcanzada la altura deseada, el lanzador se dejaría
caer por la puerta trasera de carga. Poco después desplegaría un
paracaídas para estabilizar y frenar su descenso, momento en el cual
encendería sus motores. Y voilà, ya tenemos nuestro sistema de lanzamiento aéreo operativo.
Este sistema puede parecer mucho menos eficiente que lanzar el cohete desde un soporte situado en el avión. Y de hecho lo es, pero no muchísimo menos. Para aprovechar al máximo los beneficios de un lanzamiento aéreo, el cohete debería usar alas (como el Pegasus XL) y tendría que despegar formando 25º con la horizontal. De esta forma, poseería una ventaja de unos 490 m/s con respecto a un despegue convencional desde tierra. En el caso de un lanzamiento aéreo con paracaídas, la ventaja se reduce a 365 m/s. Estas cifras pueden parecer modestas si las comparamos con los casi 8 km/s necesarios para alcanzar la órbita baja, pero no debemos olvidar la ecuación del cohete. Esos 365 m/s adicionales nos permiten diseñar un lanzador mucho más pequeño para una carga útil determinada.
De hecho, lanzar un cohete desde un avión mediante paracaídas no es un concepto nuevo y ya en los años 70 la URSS y los Estados Unidos estudiaron seriamente la viabilidad de este sistema, aunque el objetivo era entonces el lanzamiento de misiles balísticos intercontinentales, no satélites.
Pero es la compañía rusa Vozdushni Start (Воздушный Старт / Air Launch)
la que más cerca ha estado de crear un sistema de lanzamiento comercial
de este tipo. Vozdushni Start lleva desde 1999 promoviendo la idea de
usar un avión An-124 ligeramente modificado (denominado Antonov
An-124-100VS) para lanzar un cohete Polyot desde la
bodega de carga del aparato. El lanzador tendría capacidad para colocar
3900 kg en LEO o 650 kg en órbita geoestacionaria (o bien 1500 kg en una
órbita de transferencia geoestacionaria). No es mucho, cierto, pero con
un ritmo de lanzamientos lo suficientemente alto, el sistema podría ser
rentable.
La estrella de Vozdushni Start es obviamente el cohete Polyot, un
lanzador de dos etapas (más una etapa superior para misiones a la
órbita geoestacionaria) de 32,5 x 3,2 metros. Tendría una masa de 102
toneladas y emplearía en su primera fase un motor NK-43M, construido originalmente para el malogrado cohete lunar N1
soviético. La segunda etapa, también a base de queroseno y oxígeno
líquido, usaría un motor de cuatro cámaras RD-0124, similar al empleado
en la tercera etapa del cohete Soyuz-2.1b. Para las misiones a GEO, se
utilizaría una etapa superior de kerolox con un motor RD-0158. A
diferencia de otros sistemas de lanzamiento aéreo, el cohete Polyot no
haría uso de paracaídas para frenar su descenso, lo que permite aumentar
la masa útil del vehículo.
En un principio se pensó usar como segunda etapa un Blok-DM (11D58M) construido por RKK Energía
(fabricante de las naves Soyuz), idéntico al usado en algunos
lanzamientos del cohete Protón-M. También se jugó con la idea de
utilizar un cohete de combustible sólido como primera fase, menos
eficiente, pero de menor volumen (y por lo tanto más fácil de usar en el
interior de un avión).
Vozdushni Start está financiada por las empresas AK Polyot, KB Makeyev
(fabricante de los misiles de submarinos soviéticos) y Aerokosmos. La
compañía RKK Energía decidió desvincularse por completo del proyecto el
año pasado. KB Makeyev ya intentó sin éxito a mediados de los 90
promover un sistema de lanzamiento aéreo usando los cohetes Shtil-3A y
Rif-MA, con capacidad para 600-1000 kg en LEO. Estos lanzadores debían
emplear la tecnología de los misiles balísticos lanzados desde
submarinos RSM-54 y RSM-53, respectivamente. Además del An-124, Makeyev
estudió la posibilidad de usar el Ilyushin Il-76MD, el Tu-160 o incluso
el enorme An-225 Mriya como plataforma. Finalmente, se decantó por la
bodega de carga del An-124 para lanzar el Pribor-M, un cohete creado por
la combinación del Shtil-3A y el Rif-MA que serviría de base para el
Polyot.
Desde 2005, Vozdushni Start ha firmado varios acuerdos con el
gobierno de Indonesia para situar la base de operaciones de los aviones
An-124-100VS en la isla de Biak, lo que facilitaría los lanzamientos en
el ecuador. Todo parecía listo para que el proyecto fuese un éxito. En
2005, Vozdushni Start esperaba comenzar sus operaciones en 2007.
Sin embargo, las cosas se torcieron a partir de 2008. La crisis
mundial y la baja demanda de lanzamientos no ayudaron a aumentar la
popularidad del concepto. Por otro lado, las incertidumbres en la
explotación del An-124-100VS (que debe efectuar una arriesgada maniobra
para liberar al lanzador de la bodega de carga), la cuestionada
viabilidad del cohete Polyot y el incierto futuro de la producción del
NK-33/NK-43 han sido claves en el retraso de Vozdushni Start. Además, de
acuerdo con los propios cálculos de la empresa, cada lanzamiento
saldría por unos 23 millones de dólares, una cifra bastante elevada
para un proyecto tan arriesgado.
Curiosamente, desde hace unos años Ucrania intenta desarrollar un proyecto similar al Vozdushni Start denominado Space Clipper. En vez de un cohete Polyot, Space Clipper usaría el lanzador Orel (Орiль,”águila”) desarrollado por KB Yuzhnoe (fabricante de los cohetes Zenit) y con una capacidad en LEO de 1-1,5 toneladas. KB Yuzhnoe ha propuesto además el ambicioso proyecto Svityaz, consistente en lanzar una versión del Zenit desde el Antonov An-225. Svityaz podría poner en órbita hasta 7 toneladas, una cifra realmente asombrosa. Estas propuestas ucranianas tienen pocas posibilidades de fructificar, pero, por otro lado, la falta de un cosmódromo propio podría ser un aliciente importante de cara a la viabilidad del proyecto en el futuro.
En Estados Unidos, el consorcio AirLaunch
pretende lanzar cohetes QuickReach I desde aviones militares C-17A.
AirLaunch ha llegado a lanzar prototipos desde aeronaves reales, aunque
se trata de un proyecto considerablemente más modesto, con una capacidad
máxima en LEO de solamente 635 kg. Cada cohete QuickReach tiene una
masa de 22,7 toneladas y unas dimensiones de 19,8 x 2,46 metros.
En
cuanto a Vozdushni Start, actualmente se halla en el limbo. La propia
empresa Polyot afirmó este verano que el proyecto ya no estaba entre sus
prioridades a corto plazo y el futuro del proyecto es cada vez más
negro. Una pena, porque se trata de una idea realmente original.
¿Veremos algún día un cohete de gran tamaño transportado por un avión? Fuente: http://danielmarin.naukas.com/2011/08/27/vozdushni-start-lanzando-cohetes-desde-el-aire/
Y es que el rozamiento atmosférico es otro problema a tener en cuenta, aunque se da la curiosa circunstancia de que los cohetes más grandes se ven menos afectados que los pequeños (el rozamiento depende de la superficie, pero la masa del cohete depende del volumen). Pese a que el rozamiento atmosférico no produce pérdidas energéticas muy serias (unos 150 m/s), obliga a diseñar los lanzadores de tal forma que sean capaces de soportar el calor y las tensiones que se producen durante el paso por la máxima presión dinámica (Max Q), requisitos que redundan en un aumento de la masa final del sistema. Para reducir la pérdida energética por rozamiento, los cohetes siguen una trayectoria vertical hasta dejar atrás la mayor parte de la atmósfera terrestre y sólo entonces cambian su trayectoria hasta alcanzar la horizontal, más eficiente para minimizar las pérdidas ocasionadas por el pozo gravitatorio terrestre.
El tercer factor de pérdida de eficiencia energética es el que se origina al lanzar un cohete desde una base situada a latitudes distintas del ecuador. Lo ideal en un lanzamiento orbital es aprovechar al máximo la rotación terrestre para aumentar la carga útil del vehículo (a no ser que queramos alcanzar una órbita polar). Y si queremos llegar a la órbita geoestacionaria (que es donde está el negocio de lanzamiento de satélites), entonces nos interesa sobremanera aprovechar este empujoncito extra que nos proporciona la Tierra. Si despegamos desde el ecuador podemos regalar a nuestro cohete unos 300-400 m/s adicionales.
Por lo tanto, si lanzamos un cohete desde un avión subsónico a 10 kilómetros de altura podremos reducir todas estas pérdidas de manera significativa. La mayor altura de lanzamiento implica menores pérdidas gravitatorias y la menor densidad atmosférica reduce el rozamiento de forma dramática (otra ventaja adicional de la baja densidad es que las toberas de los motores de la primera etapa pueden diseñarse de forma más eficiente). Además, el avión puede lanzar el cohete desde el mismísimo ecuador si así lo deseamos, aunque en realidad podemos aprovechar cualquier órbita posible. En este caso, las limitaciones se centran en la infraestructura terrestre (estaciones de seguimiento, normas de seguridad, aeropuertos de partida, etc.).
Podemos entender entonces el interés en desarrollar un sistema de estas características. Actualmente, el problema estriba en buscar una plataforma de lanzamiento -es decir, un avión- adecuada. Se puede lanzar un cohete desde la parte superior o inferior de la aeronave, o bien desde un soporte subalar, pero claro, a no ser que dispongamos de un avión monstruoso, la masa de nuestro cohete (y su carga útil) está seriamente limitada por las características del avión elegido.
Dicho de otra forma, los sistemas de lanzamiento aéreos son sencillos de desarrollar si hablamos de pequeños satélites en órbita baja (LEO). Por ejemplo, el Pegasus XL sólo es capaz de poner 443 kg en LEO usando el avión subsónico Lockheed L-1011 TriStar como plataforma de lanzamiento. Sin embargo, como ya hemos señalado, el negocio está en la órbita geoestacionaria, no en LEO. Entonces, ¿cómo podemos lanzar un cohete grande desde el aire? Lo ideal sería contar con un avión gigante supersónico (o mejor aún, hipersónico) que pudiese transportar nuestro lanzador, pero lamentablemente no existe ningún sistema así en servicio.
La empresa Yakovlev sugirió en los años 90 el proyecto Diana-Burlak, también conocido como HAAL (High Altitude Aerial Launch), un sistema parecido al Pegasus de Orbital, pero usando el bombardero supersónico Tupolev Tu-160 como plataforma. Al viajar a 1,7 Mach y 14 kilómetros de altura, Burlak hubiese sido capaz de situar 1130 kg en LEO. Lo que no está nada mal, pero sigue siendo insuficiente para el mercado de satélites geoestacionarios.
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| Sistema Burlak (Novosti Kosmonavtiki). |
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| Proyecto Ishim. |
Este sistema puede parecer mucho menos eficiente que lanzar el cohete desde un soporte situado en el avión. Y de hecho lo es, pero no muchísimo menos. Para aprovechar al máximo los beneficios de un lanzamiento aéreo, el cohete debería usar alas (como el Pegasus XL) y tendría que despegar formando 25º con la horizontal. De esta forma, poseería una ventaja de unos 490 m/s con respecto a un despegue convencional desde tierra. En el caso de un lanzamiento aéreo con paracaídas, la ventaja se reduce a 365 m/s. Estas cifras pueden parecer modestas si las comparamos con los casi 8 km/s necesarios para alcanzar la órbita baja, pero no debemos olvidar la ecuación del cohete. Esos 365 m/s adicionales nos permiten diseñar un lanzador mucho más pequeño para una carga útil determinada.
De hecho, lanzar un cohete desde un avión mediante paracaídas no es un concepto nuevo y ya en los años 70 la URSS y los Estados Unidos estudiaron seriamente la viabilidad de este sistema, aunque el objetivo era entonces el lanzamiento de misiles balísticos intercontinentales, no satélites.
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| Proyecto norteamericano para lanzar naves militares desde un C-5 Galaxy (The Space Review). |
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| Prueba de despliegue de un misil Minuteman desde un C-5 en 1974 (USAF). |
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| Sistema de lanzamiento Vozdushni Start (Vozdushni Start). |
An-124-100VS (Vozdushni Start).
Posibles órbitas que puede alcanzar Vozdushni Start desde una base de operaciones en Rusia (Vozdushni Start).
Etapas del lanzamiento (Vozdushni Start).
Cohete Polyot (Vozdushni Start).
Motor RD-0124 de la segunda etapa (KBKhA).
Diseño original del cohete Polyot para Vozdushni Start, con una segunda etapa Blok-D de RKK Energía (Novosti Kosmonavtiki).
Pribor-M, el antecesor del cohete Polyot (Novosti Kosmonavtiki).
Operaciones de Vozdushni Start desde Indonesia (Vozdushni Start).
Curiosamente, desde hace unos años Ucrania intenta desarrollar un proyecto similar al Vozdushni Start denominado Space Clipper. En vez de un cohete Polyot, Space Clipper usaría el lanzador Orel (Орiль,”águila”) desarrollado por KB Yuzhnoe (fabricante de los cohetes Zenit) y con una capacidad en LEO de 1-1,5 toneladas. KB Yuzhnoe ha propuesto además el ambicioso proyecto Svityaz, consistente en lanzar una versión del Zenit desde el Antonov An-225. Svityaz podría poner en órbita hasta 7 toneladas, una cifra realmente asombrosa. Estas propuestas ucranianas tienen pocas posibilidades de fructificar, pero, por otro lado, la falta de un cosmódromo propio podría ser un aliciente importante de cara a la viabilidad del proyecto en el futuro.
Proyecto Orel (KB Yuzhnoe).
Proyecto Svityaz (KB Yuzhnoe).
Microspace, otra propuesta ucraniana para lanzar microsatélites usando un MiG-25 o un F-15 (KB Yuzhnoe).
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| Una maqueta del cohete QuickReach es desplegada desde un C-17 durante una prueba en 2005 (AirLaunch). |
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