Propulsió espacial

Archiu:Bussard Interstellar Ramjet Engine.jpg

Estatorreactor Bussard, un dels sistemes de propulsió pensats per als viages interestelares.

Es denomina propulsió espacial a qualsevol tecnologia capaç d'impulsar una nau pel espai. Per a efectuar viages espacials és necessari algun sistema de propulsió capaç d'imprimir acceleració als vehículs. Pel buit de l'espai exterior, qualsevol acceleració deurà basar-se en la tercera llei Newton (o llei d'acció i reacció), segons la qual, «per cada força que actua sobre un cos, est realisa una força d'igual intensitat, pero de sentit contrari». D'esta manera, si un objecte expulsa part de la seua massa en una direcció, el restant de l'objecte es desplaçarà en sentit contrari. Est és el fonament dels motors a reacció, també cridats de «propulsió a chorrada»: en ells, part de la massa de la nau (el combustible) és expulsada a gran velocitat en una direcció, ocasionant que el restant de la nau es desplace en el sentit opost.

El motor més amprat per a la propulsió de naus espacials és el motora eixida, puix és capaç de generar una enorme potència i, a diferència d'atres tipos de motors, no necessita d'oxigen atmosfèric per a funcionar. No obstant, a pesar de la gran potència dels motors eixida, no són eficients per a les enormes distàncies espacials. En este propòsit s'estan desenrollant els motors iònics, que gràcies a la major velocitat d'eixida del propelente poden ser dèu voltes més eficients. Aixina i tot, cap motor conegut fins al moment és capaç d'obtindre velocitats suficients com per a plantejar viages interestelares. No obstant, existixen diverses alternatives als motors a reacció: la més immediata la constituïxen les vés-les solars, capaces d'obtindre impuls de la radiació solar, del vent solar, inclús de rajos làser o de microones enviats des de la Terra. No es pot descartar tampoc que en un futur lluntà siguen viables atres métodos de propulsió més exòtics, com els «motors de curvatura» o motors warp (inspirats en la série televisiva Star Trek).

Necessitat de sistemes de propulsió

Els satèlits artificials deuen ser llançats per a ser posats en òrbita. I una volta que han alcançat la seua posició estacionaria en l'òrbita nominal, necessiten alguna manera de control d'actitut per a que es puguen mantindre apuntant una certa posició entre la Terra, el Sol i possiblement alguns objectes astronòmics d'interés. Els satèlits no sofrixen per lo general una resistència aerodinàmica apreciable (si be en les òrbites més baixes encara persistix una enrarida atmòsfera remanente). Per este motiu poden permanéixer en òrbita durant llarcs periodos en solament una chicoteta cantitat de propelente, utilisat tant per a propulsarse com per a realisar chicotetes correccions. Molts satèlits necessiten ocasionalment moure's d'unes òrbites a unes atres i precisen per tant d'una certa cantitat de propelente. Quan este tipo de satèlits han agotat la seua capacitat per a fer estes operacions, es diu que la seua vida útil s'ha agotat.

Durant la fase de llançament totes les naus espacials ampren eixidas de propelente químic, be en estat líquit (propelente i oxidant separats), o ben sòlit (propelente i oxidant mesclats). Encara que per a òrbites baixes i càrregues mijanes i chicotetes existixen alguns dissenys recents, tals com el eixida Pegàs o la nau SpaceShipOne), que durant la primera fase del llançament, aprofiten la sustentació aerodinàmica i l'oxigen present en l'atmòsfera per a la combustió, evitant aixina tindre que carregar en ell en la pròpia eixida, reduint els costs.

Les naus espacials que realisen viages interplanetarios han de recórrer llargues distàncies. Per esta raó, ademés del llançament requerit per a abandonar la atmòsfera de la Terra (com en el cas dels satèlits) necessiten un segon sistema de propulsió per a viajar per l'espai o, a lo manco, per a poder corregir la seua trayectòria. Les naus interplanetarias realisen estes correccions per mig de chicotetes propulsió de curta duració, mentres que generalment, el seu desplaçament principal es basa únicament en el seu impuls inicial i simplement tenen un comportament de caiguda lliure a través de la seua òrbita.

Archiu:Ssunsail.jpg

Concepció artística del funcionament i disposició d'una vela solar.

La manera més simple i eficient per a canviar d'una òrbita a una atra des del punt de vista de consum de propelente es denomina transferència de Hohmann: la nau espacial escomença en una òrbita circular al voltant del Sol, i durant un curt periodo efectua un impuls en la direcció de moviment de la nau, tangente a la seua trayectòria. D'esta manera la nau accelera o desaccelera, passant a adoptar una òrbita elíptica al voltant del Sol, que és tangente a l'òrbita prèvia. La nau espacial aixina propulsada cau lliurement en esta òrbita fins que alcança el seu destí. Quan les naus s'acosten a un planeta en atmòsfera, es pot recórrer al aerofrenado que a voltes s'ampra per a l'ajust final de l'òrbita.

Atres métodos de propulsió, tals com les vés-les solars, proporcionen un impuls reduït, pero constant: una nau en un sistema de propulsió d'estes característiques podria ser capaç de viajar llargues distàncies interplanetarias utilisant un propelente inagotable com la radiació solar. Estes naus seguirien una trayectòria diferent a la definida per la transferència orbital de Hohmann, ya que poden ser permanentment espentades radialment des del Sol cap a l'exterior del sistema solar.

Les naus espacials que pretenguen realisar viages interestelares necessitaran métodos de propulsió més eficients, puix donada la magnitut de les distàncies interestelares, es necessitarà d'una gran velocitat per a recórrer-les en un interval de temps raonable fins a aplegar al destí. Adquirir estes velocitats és un repte tecnològic hui en dia.

Efectivitat dels sistemes de propulsió

La massa de la Terra genera un pou gravitatorio: per a que un cos puga escapar d'esta força gravitatoria ha d'alcançar una velocitat superior als 11.2 km/s. Esta velocitat es denomina velocitat d'escape. Si la nau és tripulada, la seua acceleració no deuria diferir molt del valor de 1 G (9.8 m/s²), puix és l'acceleració a la que el cos humà està acostumat. Si be s'han descrit casos de persones capaces de soportar acceleració fins als 15 G, quan se somet al cos a periodos prolongats de caiguda lliure es produïxen nàusees, debilitat muscular, reducció del sentit del sabor, falta d'assimilació del calcio, i atres síntomes.

Cinemàtica de la propulsió

Una nau espacial modifica la seua velocitat v per mig del seu sistema propulsor. Per la inèrcia, quanta més massa posseïxca la nau, més difícil serà accelerar-la. Per això se sol parlar del moment d'una nau, i per a quantificar el canvi de moment es parla d'impuls. D'esta manera, l'objectiu de la propulsió en l'espai és crear impuls. Quan la nau espacial és llançada des de la Terra, el método de propulsió amprat deurà superar la força gravitacional per a obtindre una acceleració neta positiva. Posar-se en òrbita consistix en alcançar una velocitat tangencial tal que genere una força centrípeta suficient per a compensar l'efecte del camp gravitatorio de la Terra.

La raó de canvi de la velocitat es denomina acceleració, i la raó de canvi de moment es denomina força. D'esta manera, per a alcançar una certa velocitat, es pot imprimir una chicoteta acceleració durant un periodo llarc de temps, o pot imprimir-se una gran acceleració durant un periodo curt de temps. De manera similar, es pot conseguir un mateix impuls en una gran força aplicada durant un curt periodo, o en una força menor, pero aplicada més temps. En absència de forces externes, segons les lleis de conservació del moment, per a accelerar un cos en el buit part de la seua massa deurà desplaçar-se en sentit opost al restant. Esta massa que es desplaça en sentit opost és el propelente, i la seua massa es denomina «massa de reacció».

Requeriments de la propulsió a chorrada

Per a conseguir que una eixida funcione són necessàries dos coses:

• Massa de reacció
• Energia

L'impuls proporcionat en expulsar una partícula de massa reactiva, si esta posseïx una massa de m a una velocitat v, és igual a m•v. Pero esta partícula s'expulsa en una energia cinètica igual a m•v²/2, que deu procedir d'alguna part. En un eixida de combustible sòlit, líquit, o híbrida, el propelente deu cremar-se, proporcionant energia, i els productes de la reacció es permet que fluïxquen cap a l'exterior per la part atrassera de la nau espacial, proporcionant massa reactiva. En un propulsor iònic, s'ampra l'electricitat per a accelerar els ions i expulsar-los. Existixen atres dispositius que proporcionen energia elèctrica com els panels solars o un reactor nuclear, mentres que els ionés són els encarregats de proporcionar la massa reactiva.

Paràmetros de l'eficiència de la propulsió

Quan es menciona l'eficiència d'un sistema de propulsió a chorrada, els dissenyadors a sovint se centren en l'ocupació adequada de la massa reactiva. La massa reactiva deu dur-se necessàriament en l'eixida i deu ser consumida irreversiblement en ser usada. Una manera de medir la cantitat d'impuls que és possible obtindre d'una cantitat donada de massa reactiva és lo que es denomina el impuls específic, cridant aixina a la cantitat d'impuls per unitat de pes en la Terra (es designa típicament com $I_{sp}$). L'unitat per a este valor és segons. Com l'impuls específic es medix en relació de pes en la terra, a sovint no és important quan es parla de vehículs en l'espai, per esta raó es parla a voltes d'impuls específic en térmens d'unitats de massa. Esta manera alternativa de medir l'impuls específic amprant unitats de massa (kg) fa que tinga unitats de velocitat (m/s), i en realitat és igual a la velocitat de les partícules (velocitat d'evacuació) de la motora eixida (denominat de manera típica com $v_e$). Resulta confús que abdós conceptes d'impuls específic es denominen de manera similar. Encara que els dos valors diferixen en un factor igual a la G, l'acceleració de la gravetat sobre la superfície terrestre ($I_{sp}G=v_e$).

Un eixida en una velocitat d'evacuació alta pot alcançar el mateix impuls amprant una massa de reacció menor. Per lo tant l'energia requerida per a impulsar és proporcional al quadrat de la velocitat d'evacuació de la massa reactiva, d'esta manera es necessita imprimir molta energia a la massa reactiva. Açò és un problema si és un requeriment que el motor proporcione una gran cantitat d'espente. Per a generar una gran cantitat d'impuls per segon, es deu amprar una gran cantitat d'energia per segon. D'esta manera un motor altament eficient requerix grans cantitats d'energia per a proporcionar grans cantitats d'espente. Com a resultat, la majoria dels motors es dissenyen per a proporcionar baixos nivells d'espente.

Càlculs de la propulsió a chorrada

Cremar el propelente d'una eixida d'una nau espacial és la millor manera de produir un canvi net de velocitat en l'espai; a esta variació la denominem 'delta-v'. La variació total de velocitat la representem com $\Delta v$ d'un vehícul i representa una de les incògnites a resoldre quan s'ampra l'equació cinemàtica d'una eixida, a on M és la massa de combustible (o de propelente), P és la massa de la càrrega útil (incloent la massa estructural de l'eixida), i $v_e$ és la velocitat d'evacuació de propelente per la tovera. Tots estos paràmetros formen part de la equació de Tsiolkovsky:

$\Delta v=-v_e\ln \left(\frac{M+P}{P}\right)$

Per raons històriques, la velocitat $v_e$ s'escriu a sovint com

$v_e=I_{sp}{g}_o$

a on $I_{sp}$ és el impuls específic de l'eixida, medit en segons, i $g_o$ és l'acceleració gravitatoria en la superfície terrestre. Per a un viage de llargues distàncies la majoria de la massa de la nau espacial és massa reactiva. Degut a que és necessari que la massa reactiva proporcione un aument de velocitat a la massa de la càrrega útil. Si es tinguera que proporcionar a una càrrega útil de massa P un canvi de velocitat de $\Delta v$, i el motor de l'eixida tinguera una velocitat d'evacuació v_i, llavors la massa M reactiva seria calculada per mig de l'equació de Tsiolkovsky per mig de $I_{sp}$

$M=P(e^{\Delta v/v_e}-1)$

Per a $\Delta v$ més chicoteta que la v_i, esta equació és llineal, i pot vore's que n'hi ha prou en amprar una chicoteta massa reactiva. Si $\Delta v$ és comparable en v_i, llavors es necessita aproximadament el doble de massa de propelente que de càrrega útil (lo que inclou motors, tancs de combustible, estructura, i demés). Despuix d'este punt, el creiximent és exponencial; les velocitats més altes que la velocitat d'evacuació requerixen ràtios cada volta majors de massa de propelente sobre la càrrega útil. Per a poder conseguir açò, molta de l'energia almagasenada es destina a accelerar la pròpia massa reactiva. Ademés convé recordar que els motors (Per regles termodinàmicas) mai són 100 % eficients, lliberen energia sense utilisar, pero si s'assumix un 100 % d'eficiència es necessitaria una energia de

$\begin{array}{c}\frac{1}{2}\end{array}M{v}_e^2$

Comparant en l'equació d'eixides (que mostra quanta energia necessita un vehícul) i l'equació energètica (que mostra l'energia total requerida) es pot comprovar que baix la suposició d'un 100 % d'eficiència en el motor, no tota l'energia proporcionada acaba en el vehícul, sino una part d'ella; de fet la major part d'ella, acaba sent energia cinètica de la massa evacuada. Per a una missió, per eixemple, de llançament i planetizaje (aterrisar en un atre planeta) és necessari tindre en conte que cal superar les forces de gravetat (són resistents a l'envolament, i provoquen un aument del propelente necessari). És típic considerar estes característiques i moltes atres per a poder conseguir un correcte delta-v efectiu en la missió. Per eixemple, quan es llança una nau a una missió d'òrbita baixa es requerix una delta-v de 9.3 a 10 km/s, este valor forma part dels número integrats dels computadors d'a bordo.

Per eixemple, si es volen enviar 10 000 kg a Mart, la $\Delta v$ requerida per a alcançar una LEO (low earth orbit: òrbita terrestre baixa) és d'aproximadament 3000 m/s, amprant una òrbita de transferència de Hohmann. Si hi haguera necessitat de guiar la nau es necessitaria molt més propelente. Per a ajustar l'argument, les eixides impulsores empleats hui en dia poden ser:

Motor	Velocitat efectiva d'evacuació (m/s)	Impuls específic (s)	Massa de propelente (kg)	Energia requerida (GJ)	Energia per kg de propelente	Mínima potència per N d'espente
Eixida de combustible sòlit	1000	100	190 000	95	500 kJ	0,5 kW
Eixida bipropelente	5000	500	8200	103	12,6 MJ	2,5 kW
Propulsor iònic	50 000	5000	620	775	1,25 GJ	25 kW

S'ha d'observar que quan s'és més eficient en el consum de combustible els motors poden necessitar menys pes de propelente per a les mateixes funcions; esta massa és casi despreciable (en relació en la massa de càrrega útil) para alguns dels motors. No obstant, és de notar que és requerida una gran cantitat d'energia.

Métodos de propulsió a chorrada

Els métodos de propulsió poden classificar-se per mig de la manera d'accelerar la massa reactiva. Existixen alguns métodos especials per als llançaments, les arribades als planetes i els aterrisages.

Motors eixida

Artícul principal → Motora eixida.

Archiu:Rocket Engine Chamber - GPN-2000-001468.jpg

Test d'una motora eixida "fret" (apagat) de la NASA.

La majoria dels motors eixida són motors de combustió interna (degut en part al protagonisme que pren la combustió). El motor d'una eixida generalment produïx altes temperatures en la massa reactiva, produint un gas calent. Este es produïx per mig del cremat d'un combustible sòlit, líquit o gaseós en un oxidant en una cámara. Al gas extremadament calent se li permet escapar a través d'una obertura capaç de fer expandir el gas a una proporció alta, l'obertura es denomina: tovera. Esta tovera en forma de campana li proporciona a l'eixida una forma característica. L'efecte de la tovera provoca una acceleració dràstica de les partícules transformant la major part de l'energia tèrmica en energia cinètica. Les velocitats d'evacuació de gasos a nivell de pressió normal poden aplegar a superar fàcilment casi 10 voltes la velocitat del sò.

Les eixides que emeten plasma poden potencialment transportar reaccions dins d'una botella magnètica i llançar el plasma via una tovera magnètica, de tal manera que no hi haja contacte material en el plasma. Des de després la màquina que faça açò és complexa, pero les investigacions en fusió nuclear han desenrollat métodos, alguns dels quals han segut usats en sistemes especulatius de propulsió a chorrada.

Vore motora eixida per a una llista dels diferents tipos de motores eixides amprades en la indústria aeroespacial aixina com els diferents formes de la cámara, incloent els químics, elèctrics, solar, i nuclear.

Reactors per al llançament

Artícul principal → Reactor (motor).

Els estudis mostren que els motors a reacció, tals com els ramjets o els turbojets són generalment massa pesats (la raó espente/pes és baixa) per a qualsevol desenroll d'operacions de llançament, per esta raó se solen llançar des d'atres naus ya en vol. Els sistemes de llançament poden ser llançament aéreu, des d'un avió (com per eixemple des d'un B-29, Pegasus i White Knight) a on fan us dels seus sistemes de propulsió.

Per una atra part, existixen els aerorreactores, que són motors llaugers que tenen la ventaja de prendre aire durant la fase d'ascens:

• SABRE: un aerorreactor que ampra com a combustible hidrogen en un pre-enfriador
• ATREX: un atre aerorreactor de baix pes en pre-enfriador
• Motor de cicle d'aire líquit: Es tracta d'un motor que ampra hidrogen i aire líquit abans de ser cremat en la cámara
• Scramjet: es tracta d'un aerorreactor que ampra combustió supersònica

Les eixides normalment es llancen des d'una posició casi vertical i volen durant una decena de quilómetros abans d'aplegar a la seua òrbita; este inicial llançament vertical consumix molt propelente, pero és òptim des del punt de vista de resistència aerodinàmica. Els aerorreactores cremen propelente més eficientement i permeten amprar una trayectòria més tangencial, els vehículs típicament volen tangencialment a la superfície de la Terra fins que abandonen l'atmòsfera terrestre, en este instant desenrollen una segona eixida delta-v que enllaça este estat en l'òrbita.

Acceleració de la massa reactiva per electromagnetisme

Archiu:Ion Engine Test Firing - GPN-2000-000482.jpg

Motor de prova que accelera ions amprant forces electromagnètiques.

En lloc de sometre a un líquit a altes temperatures i a la dinàmica de decorreguts per a accelerar la massa reactiva a altes velocitats, existixen una varietat de métodos que ampren les forces del camp electrostàtic o electromagnètic per a accelerar la massa reactiva. Generalment en este tipo de motors la massa reactiva és una corrent d'ionés. Tals motors necessiten d'una font d'energia potent per a poder funcionar, i unes altes velocitats d'evacuació requerixen altes cantitats d'energia.

Per a algunes missions la energia solar pot ser suficient, i és amprada molt a sovint, pero per a unes atres es requerix una font d'energia nuclear; els motors que ampren l'energia d'una font nuclear es denominen eixides d'electricitat nuclear. En la capacitat actual de generació d'electricitat, be siga químicament, nuclear o solar es té una llimitació d'espente en este tipo de propulsió.

Alguns métodos electromagnètics:

• Propulsió iònica
  • Propulsió electrostàtica de ions
  • Propulsió emissió de camp elèctric
  • Propulsió per mig d'efecte Hall
  • Propulsió de doble capa Helicon
  • Propulsió sense electrodos per mig de plasma (acceleració per forces electromagnètiques; emet plasma).
  • Propulsió de polsos inductivos
• Propulsió de dinàmica per magnetoplasma

• Eixida d'impuls específic variable

Sistemes sense massa reactiva transportada en l'eixida

Archiu:Solarsail msfc.jpg

Estudi de la NASA sobre una vela solar. La vela podria tindre una magnitut de mig quilómetro.

La llei de la conservació de moment establix que qualsevol motor que no ampre massa reactiva, no pot moure el seu centre de gravetat (canviar l'orientació és, no obstant, possible). No obstant, l'espai no està buit, especialment en l'àrea del sistema solar, a on pugues haver camps magnètics, el vent i la radiació solar. Molts sistemes de propulsió intenten dissenyar-se de manera tal que s'aprofiten d'estes característiques. Per la característica difusa d'estos fenomens en el sistema solar, els motors que aprofiten estes fonts d'energia necessiten d'unes estructures de tamany considerable. Els motors d'estes característiques no necessiten (o en qualsevol cas ampren una cantitat molt chicoteta) de massa reactiva:

• Propulsió per mig de cables
• Propulsió per mig de veles solars
• Propulsió per mig de veles magnètiques
• Propulsió per mig de plasma mini-magnetosférico

Per a canviar l'orientació de la nau espacial en l'espai no existix, no obstant, tal restricció, la llei de conservació de moment angular no impon restriccions, molts satèlits ampren un volant d'inèrcia per a controlar l'orientació del satèlit. Este método no és l'únic per a controlar l'actitut del mateix, es poden amprar sistemes que aprofiten el vent solar o les forces magnètiques per a fer la mateixa funció, alguns d'estos sistemes poden dissenyar-se de tal manera que poden servir com a sistema secundari.

Vore també

• Nau estelar de forat negre

• Propulsió espacial termonuclear
• Propulsió per fusió
• Propulsió nuclear de pols

Enllaços externs

• Guia de la NASA per a principiantes, llectura obligada per a aquells que sense coneiximents tècnics desigen saber alguna cosa sobre el tema.
• Proyecte de propulsió en el lloc web de la NASA.
• «Propulsió d'eixides» en el lloc web Braeunig.
• Journal of Advanced Theoretical Propulsion, revista en anglés publicada en el lloc web Transtator Industries.
• Diferents tipos d'eixides [6] archivat en Wayback Machine., en el lloc web Project RHO.
• «Earth-to-orbit transportation bibliography», la més extensa bibliografia sobre la sistemes de transport per mig de propulsió; en el lloc web Island One.
• «Spaceflight propulsion», recopilació detallada realisada per Greg Goebel, de domine públic; en el lloc web Vector Site.