300px|thumb|Estatorreactor Bussard, uno de los sistemas de propulsión pensados para los viajes interestelares.
Se denomina propulsión espacial a cualquier tecnología capaz de impulsar una nave por el espacio. Para efectuar viajes espaciales es necesario algún sistema de propulsión capaz de imprimir aceleración a los vehículos. Debido al vacío del espacio exterior, cualquier aceleración deberá basarse en la tercera ley Newton (o ley de acción y reacción), según la cual, «por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario». De esta manera, si un objeto expulsa parte de su masa en una dirección, el resto del objeto se desplazará en sentido contrario. Este es el fundamento de los motores a reacción, también llamados de «propulsión a chorro»: en ellos, parte de la masa de la nave (el combustible) es expulsada a gran velocidad en una dirección, ocasionando que el resto de la nave se desplace en el sentido opuesto.
El motor más empleado para la propulsión de naves espaciales es el motor cohete, pues es capaz de generar una enorme potencia y, a diferencia de otros tipos de motores, no necesita de oxígeno atmosférico para funcionar. Sin embargo, a pesar de la gran potencia de los motores cohete, no son eficientes para las enormes distancias espaciales. Con este propósito se están desarrollando los motores iónicos, que gracias a la mayor velocidad de salida del propelente pueden ser diez veces más eficientes. Aun así, ningún motor conocido hasta el momento es capaz de obtener velocidades suficientes como para plantear viajes interestelares. No obstante, existen diversas alternativas a los motores a reacción: la más inmediata la constituyen las velas solares, capaces de obtener impulso de la radiación solar, del viento solar, incluso de rayos láser o de microondas enviados desde la Tierra. No se puede descartar tampoco que en un futuro lejano sean viables otros métodos de propulsión más exóticos, como los «motores de curvatura» o motores warp (inspirados en la serie televisiva Star Trek).
Necesidad de sistemas de propulsión
Los satélites artificiales deben ser lanzados para ser puestos en órbita. Y una vez que han alcanzado su posición estacionaria en la órbita nominal, necesitan alguna manera de control de actitud para que se puedan mantener apuntando una cierta posición entre la Tierra, el Sol y posiblemente algunos objetos astronómicos de interés. Los satélites no sufren por lo general una resistencia aerodinámica apreciable (si bien en las órbitas más bajas todavía persiste una enrarecida atmósfera remanente). Por este motivo pueden permanecer en órbita durante largos períodos con solo una pequeña cantidad de propelente, utilizado tanto para propulsarse como para realizar pequeñas correcciones. Muchos satélites necesitan ocasionalmente moverse de unas órbitas a otras y precisan por tanto de una cierta cantidad de propelente. Cuando este tipo de satélites han agotado su capacidad para hacer estas operaciones, se dice que su vida útil se ha agotado.
Durante la fase de lanzamiento todas las naves espaciales emplean cohetes de propelente químico, bien en estado líquido (propelente y oxidante separados), o bien sólido (propelente y oxidante mezclados). Aunque para órbitas bajas y cargas medianas y pequeñas existen algunos diseños recientes, tales como el cohete Pegaso o la nave SpaceShipOne), que durante la primera fase del lanzamiento, aprovechan la sustentación aerodinámica y el oxígeno presente en la atmósfera para la combustión, evitando así tener que cargar con él en el propio cohete, reduciendo los costes.
Las naves espaciales que realizan viajes interplanetarios han de recorrer largas distancias. Por esta razón, además del lanzamiento requerido para abandonar la atmósfera de la Tierra (como en el caso de los satélites) necesitan un segundo sistema de propulsión para viajar por el espacio o, al menos, para poder corregir su trayectoria. Las naves interplanetarias realizan estas correcciones mediante pequeñas propulsiones de corta duración, mientras que generalmente, su desplazamiento principal se basa únicamente en su impulso inicial y simplemente tienen un comportamiento de caída libre a través de su órbita.
thumb|300px|Concepción artística del funcionamiento y disposición de una vela solar.
La manera más simple y eficiente para cambiar de una órbita a otra desde el punto de vista de consumo de propelente se denomina transferencia de Hohmann: la nave espacial empieza en una órbita circular alrededor del Sol, y durante un corto período efectúa un impulso en la dirección de movimiento de la nave, tangente a su trayectoria. De esta manera la nave acelera o desacelera, pasando a adoptar una órbita elíptica alrededor del Sol, que es tangente a la órbita previa. La nave espacial así propulsada cae libremente en esta órbita hasta que alcanza su destino. Cuando las naves se acercan a un planeta con atmósfera, se puede recurrir al aerofrenado que a veces se emplea para el ajuste final de la órbita.
Otros métodos de propulsión, tales como las velas solares, proporcionan un impulso reducido, pero constante:«Solar sailing facts- what we do», artículo en inglés en el sitio web The Planetary Society una nave con un sistema de propulsión de estas características podría ser capaz de viajar largas distancias interplanetarias utilizando un propelente inagotable como la radiación solar. Estas naves seguirían una trayectoria diferente a la definida por la transferencia orbital de Hohmann, ya que pueden ser permanentemente empujadas radialmente desde el Sol hacia el exterior del sistema solar.
Las naves espaciales que pretendan realizar viajes interestelares necesitarán métodos de propulsión más eficientes, pues dada la magnitud de las distancias interestelares, se necesitará de una gran velocidad para recorrerlas en un intervalo de tiempo razonable hasta llegar al destino. Adquirir estas velocidades es un reto tecnológico hoy en día.
Efectividad de los sistemas de propulsión
La masa de la Tierra genera un pozo gravitatorio: para que un cuerpo pueda escapar de esta fuerza gravitatoria ha de alcanzar una velocidad superior a los 11.2 km/s. Esta velocidad se denomina velocidad de escape. Si la nave es tripulada, su aceleración no debería diferir mucho del valor de 1 G (9.8 m/s²), pues es la aceleración a la que el cuerpo humano está acostumbrado. Si bien se han descrito casos de personas capaces de soportar aceleraciones hasta los 15 G, cuando se somete al cuerpo a periodos prolongados de caída libre se producen náuseas, debilidad muscular, reducción del sentido del sabor, falta de asimilación del calcio, y otros síntomas.«Medicina aeroespacial», artículo en español en el sitio web FECYT. Consultado el 3 de julio de 2010
Cinemática de la propulsión
Una nave espacial modifica su velocidad v mediante su sistema propulsor. Debido a la inercia, cuanta más masa posea la nave, más difícil será acelerarla. Por ello se suele hablar del momento de una nave, y para cuantificar el cambio de momento se habla de impulso. De esta manera, el objetivo de la propulsión en el espacio es crear impulso. Cuando la nave espacial es lanzada desde la Tierra, el método de propulsión empleado deberá superar la fuerza gravitacional para obtener una aceleración neta positiva. Ponerse en órbita consiste en alcanzar una velocidad tangencial tal que genere una fuerza centrípeta suficiente para compensar el efecto del campo gravitatorio de la Tierra.
La razón de cambio de la velocidad se denomina aceleración, y la razón de cambio de momento se denomina fuerza. De esta manera, para alcanzar una cierta velocidad, se puede imprimir una pequeña aceleración durante un periodo largo de tiempo, o puede imprimirse una gran aceleración durante un periodo corto de tiempo. De manera similar, se puede lograr un mismo impulso con una gran fuerza aplicada durante un corto período, o con una fuerza menor, pero aplicada más tiempo. En ausencia de fuerzas externas, según las leyes de conservación del momento, para acelerar un cuerpo en el vacío parte de su masa deberá desplazarse en sentido opuesto al resto. Esta masa que se desplaza en sentido opuesto es el propelente, y su masa se denomina «masa de reacción».
Requerimientos de la propulsión a chorro Para lograr que un cohete funcione son necesarias dos cosas:
Masa de reacción Energía
El impulso proporcionado al expulsar una partícula de masa reactiva, si esta posee una masa de m a una velocidad v, es igual a m•v. Pero esta partícula se expulsa con una energía cinética igual a m•v2/2, que debe proceder de alguna parte. En un cohete de combustible sólido, líquido, o híbrido, el propelente debe quemarse, proporcionando energía, y los productos de la reacción se permite que fluyan hacia el exterior por la parte trasera de la nave espacial, proporcionando masa reactiva. En un propulsor iónico, se emplea la electricidad para acelerar los iones y expulsarlos. Existen otros dispositivos que proporcionan energía eléctrica como los paneles solares o un reactor nuclear, mientras que los iones son los encargados de proporcionar la masa reactiva.
Parámetros de la eficiencia de la propulsión
Cuando se menciona la eficiencia de un sistema de propulsión a chorro, los diseñadores a menudo se centran en el empleo adecuado de la masa reactiva. La masa reactiva debe llevarse necesariamente en el cohete y debe ser consumida irreversiblemente al ser usada. Una manera de medir la cantidad de impulso que es posible obtener de una cantidad dada de masa reactiva es lo que se denomina el impulso específico, llamando así a la cantidad de impulso por unidad de peso en la Tierra (se designa típicamente como ). La unidad para este valor es segundos. Como el impulso específico se mide con relación de peso en la tierra, a menudo no es importante cuando se habla de vehículos en el espacio, por esta razón se habla a veces de impulso específico en términos de unidades de masa. Esta manera alternativa de medir el impulso específico empleando unidades de masa (kg) hace que tenga unidades de velocidad (m/s), y en realidad es igual a la velocidad de las partículas (velocidad de evacuación) del motor cohete (denominado de manera típica como ). Resulta confuso que ambos conceptos de impulso específico se denominan de manera similar. Aunque los dos valores difieren en un factor igual a la G, la aceleración de la gravedad sobre la superficie terrestre ().
Un cohete con una velocidad de evacuación alta puede alcanzar el mismo impulso empleando una masa de reacción menor. Por lo tanto la energía requerida para impulsar es proporcional al cuadrado de la velocidad de evacuación de la masa reactiva, de esta manera se necesita imprimir mucha energía a la masa reactiva. Esto es un problema si es un requerimiento que el motor proporcione una gran cantidad de empuje. Para generar una gran cantidad de impulso por segundo, se debe emplear una gran cantidad de energía por segundo. De esta manera un motor altamente eficiente requiere grandes cantidades de energía para proporcionar grandes cantidades de empuje. Como resultado, la mayoría de los motores se diseñan para proporcionar bajos niveles de empuje.
Cálculos de la propulsión a chorro Quemar el propelente de un cohete de una nave espacial es la mejor manera de producir un cambio neto de velocidad en el espacio; a esta variación la denominamos 'delta-v'. La variación total de velocidad la representamos como de un vehículo y representa una de las incógnitas a resolver cuando se emplea la ecuación cinemática de un cohete, donde M es la masa de combustible (o de propelente), P es la masa de la carga útil (incluyendo la masa estructural del cohete), y es la velocidad de evacuación de propelente por la tobera. Todos estos parámetros forman parte de la ecuación de Tsiolkovsky:
Por razones históricas, la velocidad se escribe a menudo como