thumb|right|250px|El transbordador Atlantis tomando vuelo. El término vuelo espacial se utiliza en astronáutica para referirse a los viajes que realizan las naves espaciales fuera de la atmósfera terrestre, a pesar de que técnicamente no sea posible volar en el espacio exterior debido a la ausencia de aire. Un vuelo espacial puede ser privado o gubernamental, tripulado o no tripulado, orbital o suborbital, etc.
Historia
La primera propuesta teórica de viaje espacial usando cohetes fue publicada por el astrónomo y matemático escocés William Leitch en "A Journey Through Space" de 1861. Más conocido, aunque de forma no muy notable fuera de Rusia, fue "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (La Exploración del Espacio Cósmico por Medio de Dispositivos de Reacción), publicado por Konstantín Tsiolkovski en 1903.
El vuelo espacial se convirtió en una posibilidad real desde el punto de vista de la ingeniería tras la publicación del artículo de Robert Goddard "A Method of Reaching Extreme Altitudes" en 1919. Su aplicación de la tobera de Laval a cohetes de combustible líquido mejoró la eficiencia lo suficiente para que el viaje interplanetario fuese posible. También demostró en el laboratorio que los cohetes pueden funcionar en el vacío del espacio; sin embargo, su trabajo no fue tomado en serio. Su intento de lograr un contrato del ejército para crear un arma propulsada por cohete en la Primera Guerra Mundial fracasó por el armisticio del 11 de noviembre de 1918 con Alemania.
Sin embargo, el artículo de Goddard tuvo una gran influencia en Hermann Oberth, quien a su vez inspiró a Wernher von Braun. Von Braun fue la primera persona en producir cohetes modernos en forma de armas guiadas, usados por Adolf Hitler. El cohete V2 de von Braun fue el primer cohete en llegar al espacio (a una altitud de 189 kilómetros) en un vuelo de pruebas en junio de 1944.
El trabajo de Tsiolkovski en materia de cohetes no fue apreciado todo lo debido mientras vivió, pero inspiró a Serguéi Koroliov, que se convirtió en el diseñador de cohetes en jefe de la Unión Soviética de Stalin, para desarrollar misiles balísticos intercontinentales que pudieran llevar armas nucleares como contramedida de los bombarderos estadounidenses. Misiles derivados del R-7 Semiorka de Koroliov se usaron para lanzar el primer satélite artificial terrestre, el Sputnik 1, el 4 de octubre de 1957; posteriormente, también sirvieron como parte del Vostok 1 para poner en órbita a Yuri Gagarin, el primer humano en orbitar la Tierra, el 12 de abril de 1961.Peter Bond, Obituary: Lt-Gen Kerim Kerimov, The Independent, 7 April 2003.
Al final de la Segunda Guerra Mundial, von Braun y la mayoría de su equipo se rindieron a Estados Unidos y fueron expatriados para trabajar en misiles estadounidenses en lo que se convirtió en la Agencia de Misiles Balísticos del Ejército de Estados Unidos. El trabajo que realizaron en misiles como el Juno 1 y el SM-65 Atlas permitieron lanzar el satélite Explorer 1 el 1 de febrero de 1958 y lanzar al primer estadounidense en orbitar la Tierra, John Glenn, el 20 de febrero de 1962 dentro de la cápsula Friendship 7. Como director del Centro Marshall de vuelos espaciales, von Braun supervisó el desarrollo de un tipo más grande de cohete llamado Saturno V, con el que Estados Unidos logró enviar en un viaje de ida y vuelta a la Luna a los dos primeros humanos, Neil Armstrong y Buzz Aldrin, como parte de la misión Apolo 11 en julio de 1969. En este mismo periodo, la Unión Soviética trató de desarrollar en secreto el cohete N1 para poder enviar a una persona a la Luna pero fracasó.
Fases
Lanzamiento miniaturadeimagen|Saturno V en la plataforma de lanzamiento antes del lanzamiento de Apolo 4
Los cohetes son los únicos medios actualmente capaces de alcanzar la órbita o más lejos. Todavía no se han construido otras tecnologías de lanzamiento espacial sin cohetes, o se mantienen a una velocidad orbital reducida. Un lanzamiento de cohete para un vuelo espacial suele comenzar desde un espaciopuerto (cosmódromo), que puede estar equipado con complejos de lanzamiento y plataformas de lanzamiento para lanzamientos de cohetes verticales y pistas de despegue y aterrizaje de aviones portadores y naves espaciales aladas. Los vehículos espaciales se encuentran muy alejados de las viviendas humanas por razones de ruido y seguridad. Los ICBM tienen varias instalaciones de lanzamiento especiales.
Un lanzamiento a menudo se limita a ciertas ventanas de lanzamiento. Estas ventanas dependen de la posición de los cuerpos celestes y las órbitas en relación con el sitio de lanzamiento. La mayor influencia es a menudo la rotación de la propia Tierra. Una vez lanzadas, las órbitas se encuentran normalmente dentro de planos relativamente constantes en un ángulo fijo con respecto al eje de la Tierra, y la Tierra gira dentro de esta órbita.
Una plataforma de lanzamiento es una estructura fija diseñada para despachar vehículos aéreos. Generalmente consiste en una torre de lanzamiento y una zanja de fuego. Está rodeado de equipos utilizados para erigir, alimentar y mantener vehículos de lanzamiento.
Alcanzar el espacio La definición más comúnmente usada del espacio exterior es todo más allá de la línea de Kármán, que está a 100 kilómetros (62 millas) sobre la superficie de la Tierra. A veces, los Estados Unidos definen el espacio ultraterrestre como todo a más de 50 millas (80 km) de altitud.
Los cohetes son los únicos medios actualmente prácticos de alcanzar el espacio. Los motores convencionales de los aviones no pueden alcanzar el espacio debido a la falta de oxígeno. Los motores de cohetes expulsan el propulsor para proporcionar empuje delantero que genera suficiente delta-v (cambio de velocidad) para alcanzar la órbita.
Para sistemas de lanzamiento tripulados, los sistemas de escape se instalan con frecuencia para permitir que los astronautas escapen en caso de emergencia.
Alternativas Se han propuesto muchas maneras de alcanzar el espacio aparte de cohetes. Ideas tales como el ascensor espacial, y las correas de intercambio de impulso como rotovators o skyhooks requieren nuevos materiales mucho más fuerte que cualquiera actualmente conocido. Los lanzadores electromagnéticos tales como los lazos de lanzamiento podrían ser viables con la tecnología actual. Otras ideas incluyen aviones espaciales de cohetes asistidos como Reaction Engines Skylon (actualmente en desarrollo de etapas tempranas), aviones espaciales con motor scramjet y aviones espaciales alimentados con sistemas RBCC (rocket-based combined cycle). El lanzamiento de armas ha sido propuesto para la carga.
Dejando la órbita miniaturadeimagen|Lanzado en 1959, Luna 1 fue el primer objeto creado por el hombre para lograr la velocidad de escape de la Tierra. (Réplica en la foto)
Lograr una órbita cerrada no es esencial para los viajes lunares e interplanetarios. Los primeros vehículos espaciales rusos lograron con éxito alturas muy altas sin entrar en órbita. La NASA consideró el lanzamiento de misiones de Apolo directamente en las trayectorias lunares, pero adoptó la estrategia de entrar primero en una órbita de estacionamiento temporal y luego realizar una quema separada varias órbitas más tarde en una trayectoria lunar. Esto cuesta propulsor adicional debido a que el perigeo de la órbita de estacionamiento debe ser lo suficientemente alto como para evitar la reentrada mientras que la inyección directa puede tener un perigeo arbitrariamente bajo porque nunca se alcanzará.
Sin embargo, el enfoque de la órbita de aparcamiento simplificó en gran medida la planificación de la misión Apollo en varias formas importantes. Se amplió sustancialmente las ventanas de lanzamiento admisibles, aumentando las posibilidades de un lanzamiento exitoso a pesar de los problemas técnicos menores durante la cuenta atrás. La órbita de estacionamiento era una "meseta de la misión" estable que dio a la tripulación y a los controladores varias horas para examinar a fondo la nave espacial después de las tensiones del lanzamiento antes de confiarlo a un vuelo lunar largo; La tripulación podría regresar rápidamente a la Tierra, si fuera necesario, o podría realizarse una misión alternativa de órbita terrestre. La órbita de estacionamiento también permitió trayectorias translunares que evitaban las partes más densas de las correas de radiación de Van Allen.
Las misiones Apolo minimizaron la penalización de rendimiento de la órbita de aparcamiento manteniendo su altitud tan baja como sea posible. Por ejemplo, el Apolo 15 usó una órbita de estacionamiento inusualmente baja (incluso para Apolo) de 92.5 nmi por 91.5 nmi (171km por 169km) donde había un arrastre atmosférico significativo. Pero fue parcialmente superado por la ventilación continua de hidrógeno de la tercera etapa del Saturno V, y fue en cualquier caso tolerable para la corta estancia.
Las misiones robóticas no requieren una capacidad de anulación o minimización de la radiación, y debido a que los lanzadores modernos rutinariamente se encuentran con ventanas de lanzamiento "instantáneas", las sondas espaciales a la Luna y otros planetas usan inyección directa para maximizar el rendimiento. Aunque algunos pueden navegar brevemente durante la secuencia de lanzamiento, no completan una o más órbitas de estacionamiento completo antes de la quemadura que los inyecta en una trayectoria de escape de la Tierra.
Tenga en cuenta que la velocidad de escape de un cuerpo celeste disminuye con la altitud por encima de ese cuerpo. Sin embargo, es más eficiente en el consumo de combustible para una embarcación para quemar su combustible tan cerca del suelo como sea posible; Véase el efecto de Oberth y la referencia. Esta es otra manera de explicar la penalización de rendimiento asociada con el establecimiento del perigeo seguro de una órbita de estacionamiento.
Los planes para futuras misiones de vuelo espacial interplanetario con tripulación incluyen a menudo el montaje final del vehículo en órbita terrestre, como el Proyecto Orión de la NASA y el tándem Kliper / Parom de Rusia.
Astrodinámica La astrodinámica es el estudio de trayectorias de la nave espacial, particularmente en lo que se refiere a los efectos de la gravitación y la propulsión. La astrodinámica permite que una nave espacial llegue a su destino en el momento correcto sin el uso excesivo de propelente. Puede ser necesario un sistema de maniobra orbital para mantener o cambiar las órbitas.
Los métodos de propulsión orbital no-cohete incluyen velas solares, velas magnéticas, sistemas magnéticos de burbujas de plasma, y el uso de efectos de eslinga gravitacional.
Transferencia de energía El término "energía de transferencia" significa la cantidad total de energía impartida por una etapa de cohete a su carga útil. Esto puede ser la energía impartida por una primera etapa de un vehículo de lanzamiento a una etapa superior más la carga útil, o por una etapa superior o el motor del retroceso de la nave espacial a una nave espacial.
Reentrada atmosférica Los vehículos en órbita tienen grandes cantidades de energía cinética, la cual debe ser desechada para que el vehículo aterrice de forma segura sin desintegrarse en la atmósfera. Este proceso se conoce como reentrada atmosférica y requiere métodos especiales para protegerse contra el calentamiento aerodinámico. La teoría detrás de la reentrada fue desarrollada por Harry Julian Allen. De acuerdo con esta teoría, los vehículos de reentrada presentan formas contundentes a la atmósfera para la reentrada. Las formas contundentes significan que menos del 1% de la energía cinética termina como calor que llega al vehículo y la energía térmica en su lugar termina en la atmósfera.
Aterrizaje