El próximo gran salto de la aviación

A pesar de su aura como industria de vanguardia, la industria aeroespacial se ha estancado durante décadas. Los mismos tipos de aviones a reacción que entraron en servicio en la década de 1960 todavía prevalecen en los vuelos comerciales y militares. En los Estados Unidos, no ha habido un nuevo programa significativo de motores de cohetes desde que se desarrolló el motor principal del transbordador espacial hace 20 años. Nada en el Boeing 777 dejaría perplejos a los diseñadores de aviones de la era Eisenhower.



Hoy, sin embargo, la disponibilidad de motores de cohetes confiables y reutilizables podría hacer posible el próximo gran paso en el transporte aeroespacial: el aeroplano. Los cohetes combinan la propulsión de cohetes con la aviación, lo que permite a los aviones que despegan y aterrizan desde aeropuertos convencionales volar hacia arriba y hacia fuera de la atmósfera. Rocketplanes reducirá el costo del lanzamiento del satélite, acelerará la entrega de paquetes y, en última instancia, proporcionará una forma para que las personas se desplacen de un lado del mundo a otro en aproximadamente una hora. Aunque esta visión pueda parecer descabellada, la tecnología está a la mano.

La idea de un avión cohete no es nueva. El primer avión de este tipo, el alemán Heinkel He-176, voló en 1939. Fue en el X-1 propulsado por cohetes donde Chuck Yeager rompió por primera vez la barrera del sonido, hace 50 años en octubre pasado. Durante la década de 1980 y principios de la de 1990, la NASA y el Departamento de Defensa de EE. UU. Cooperaron en el Proyecto de Avión Aeroespacial Nacional, un esfuerzo, desde que se canceló, para desarrollar tecnologías que hicieran posible un vehículo que despegaría como un avión ordinario, aceleraría a la órbita alrededor tierra, luego regrese a través de la atmósfera para un aterrizaje en la pista.





Pero los avances recientes en tecnología, desde cohetes más eficientes hasta escudos térmicos más confiables y robustos, han acercado el aeroplano a la realidad práctica. Al mismo tiempo, está creciendo el mercado de los servicios que podría ofrecer un vehículo de este tipo. La necesidad de lanzar satélites de forma económica puede proporcionar el primer estímulo para desarrollar un aeroplano. Sin embargo, en el futuro, el principal uso diario de estos vehículos hipersónicos bien puede residir en la entrega de pasajeros y paquetes valiosos en todo el mundo.
No es ningún misterio por qué los diseñadores de aviones han tardado tanto en adoptar la tecnología de motores de cohetes. Primero, los cohetes son ineficientes, consumen combustible siete veces más rápido que un turborreactor a plena potencia. Y mientras que un motor a reacción respira aire de la atmósfera para quemar su combustible, los cohetes están diseñados para funcionar en el vacío del espacio y, por lo tanto, deben transportar no solo combustible sino también oxidante, generalmente en forma de oxígeno líquido. Este requisito impone una carga de peso mayor a un cohete que a un jet.

En segundo lugar, los cohetes generalmente no han demostrado ser tan confiables como los motores de turbina de gas. Esta falta de fiabilidad se debe en parte al hecho de que estos motores funcionan a temperaturas extremadamente altas. Además, los diseñadores e ingenieros de aviones tienen relativamente poca experiencia con cohetes, en comparación con sus miles de millones de horas de experiencia con motores a reacción.

Pero los cohetes tienen una ventaja compensatoria. Aunque engullen combustible, pesan solo una fracción de lo que pesan las turbinas de gas. Los mejores motores a reacción actualmente en desarrollo generan aproximadamente 9 veces más empuje que el peso del motor. Por el contrario, incluso un motor de cohete muy pesado produce una relación empuje / peso de 50. Además, con la tecnología actual, solo un cohete puede alcanzar la velocidad de Mach 25 necesaria para superar el tirón de la gravedad y entrar en la órbita terrestre. (Mach 1 es la velocidad del sonido en el aire, aproximadamente 740 mph, o 1200 kilómetros por hora). Incluso el motor a reacción que respira aire más rápido avanza con dificultad a solo Mach 4.



Levantarse al salvaje negro allá

Los aeroplanos cohete comercialmente exitosos dependerán del desarrollo de dos tecnologías clave: un motor cohete confiable y reutilizable y un sistema de protección térmica robusto para evitar daños durante el reingreso. En ambos casos, se dispone de soluciones avanzadas.

Los investigadores estadounidenses se han centrado en mejorar las tecnologías de los componentes y los materiales avanzados, no en la fabricación de productos de motores de cohetes reales. En la ex Unión Soviética, sin embargo, los investigadores han seguido avanzando en el desarrollo de familias de motores de cohetes. En particular, el programa de transbordadores espaciales soviéticos condujo a una nueva generación de motores de cohetes avanzados y reutilizables alimentados con queroseno (es decir, combustible para aviones convencional), hidrógeno o una combinación de los dos. Por ejemplo, el RD-120 reutilizable, un motor de queroseno desarrollado como motor de etapa superior para el amplificador Zenit, ha sido certificado por su importador estadounidense Pratt and Whitney como bueno para 10 vuelos, más otros 10 después de una revisión general.

Los ingenieros aeroespaciales también reconocen que el sistema de protección térmica del transbordador espacial no es adecuado para un vehículo verdaderamente robusto. Aunque la lanzadera es reutilizable, su escudo térmico se daña fácilmente. Además, las condiciones climáticas normales, como la lluvia y el polvo impulsado por el viento, dañan el escudo térmico. Después de cada aterrizaje, el transbordador debe someterse a una restauración costosa y que requiere mucho tiempo que involucra productos químicos tóxicos y procedimientos especiales, para reemplazar las baldosas perdidas y dañadas para que la nave espacial pueda ascender de manera segura a la órbita nuevamente.



Los esfuerzos de la NASA para corregir estos problemas han dado resultados impresionantes. Los diseñadores tienen una selección mucho más amplia de azulejos, mantas, superficies metálicas y compuestos y cerámicos avanzados, todos los cuales pueden hacer aeroplanos de nueva generación capaces de resistir el viento y el clima que quitaría el escudo térmico del transbordador en minutos. Uno de los nuevos materiales, la loseta de protección térmica AETB-TUFI-C desarrollada por el Centro de Investigación Ames de la NASA, ha sobrevivido sin daños a un vuelo de prueba en un F-15. Este resultado fue aún más notable porque el caza voló a través de una tormenta que limpió la pintura de su superficie.

Estos avances han fortalecido las perspectivas de construir un avión cohete reutilizable. Pero quedan otras cuestiones de diseño antes de que este tipo de artesanía se vuelva práctica. Primero, para aprovechar los billones de dólares de la infraestructura aeroportuaria existente, un aeroplano necesita poder despegar y aterrizar de manera horizontal y convencional.

Además, un motor de cohete funciona mejor en el vacío del espacio; cuanto más denso es el aire, más combustible debe quemar el cohete para desarrollar la misma cantidad de empuje. La espesa sopa de aire de la atmósfera también impone una penalización de arrastre, lo que obliga al cohete a desperdiciar grandes cantidades de combustible. Así, una aeronave propulsada por cohetes necesita algún otro medio de propulsión para elevarla desde el suelo hasta los tramos superiores de la atmósfera; una vez que alcanza los límites de la atmósfera, el cohete podría encenderse e impulsar la nave al espacio.

Los ingenieros aeronáuticos han desarrollado tres esquemas principales para lograr esto. En uno, el aeroplano está unido a la panza de un avión a reacción, que despega y vuela a gran altura. Luego, el aeroplano desciende para completar su vuelo. Chuck Yeager utilizó esta técnica en 1947 para lograr el primer viaje humano a velocidad supersónica.

En una variación moderna de este enfoque, un avión a reacción remolca un cohete a gran altura con una correa, de manera muy similar a como los aviones convencionales lanzan planeadores. Este esquema se está desarrollando en Kelly Space and Technology en San Bernardino, California. El avión Eclipse de Kelly es remolcado por un Boeing 747 a una altitud de unos 14 kilómetros. Allí, el Eclipse enciende su motor cohete, se desconecta de la línea de remolque y asciende a unos 150 kilómetros. El Eclipse luego se desliza hacia un aterrizaje sin motor.

Una ventaja de estas dos técnicas es que el propio aeroplano solo necesita un motor: el cohete. Por otro lado, cualquier vehículo que dependa de otra aeronave para lanzarlo tiene un serio inconveniente. Si el aeroplano aterriza en el lugar equivocado, por ejemplo, tendrá que esperar la llegada de un avión de carga o remolque antes de que pueda despegar nuevamente. Además, el despegue en una configuración en tándem de este tipo requeriría pistas más largas y más anchas que las de los aeropuertos existentes. Además, si el motor del cohete no se enciende después de desconectarse del avión de transporte, el avión del cohete probablemente se perderá.

Nuestra empresa, Pioneer Rocketplane, favorece un esquema de asistencia de lanzamiento diferente. En el enfoque Pioneer, el avión Pathfinder despegaría de manera convencional y ascendería a nueve kilómetros con la potencia de los motores a reacción turbofan convencionales. Allí se encontraría con una gran aeronave subsónica, como un transporte KC-135 o un Boeing 747, que serviría como avión cisterna. Para prepararse para la segunda fase de vuelo, el aeroplano atracaría con este petrolero y succionaría alrededor de 290.000 kilogramos de oxígeno líquido. Tales transferencias son una práctica común en la aviación militar, aunque el propulsor que se mueve es combustible para aviones en lugar de oxígeno líquido.

Después de desconectarse del petrolero, la aeronave encendería su motor de cohete y ascendería a 150 kilómetros, alcanzando una velocidad de Mach 12. El avión de cohete viajaría por encima de las franjas más externas de la atmósfera, tiempo durante el cual un satélite conectado a un pequeño cohete superior la etapa podría ser liberada para su transferencia a órbita. Luego, la aeronave descendería de nuevo a la atmósfera. Después de reducir la velocidad a una velocidad subsónica, los motores turboventiladores se reiniciarían, impulsando la aeronave a un campo de aterrizaje. Debido a que podría despegar desde cualquier aeródromo de tamaño mediano, el cohete Pioneer proporcionaría una gran flexibilidad en la elección del sitio de lanzamiento y las opciones de aborto.

Montar un aeroplano por diversión y ganancias

Lo primero que les viene a la mente a muchas personas al pensar en aviones cohete es el potencial para viajes personales rápidos. Si bien existe esa posibilidad, otras aplicaciones prometen un flujo de ingresos más estable y probablemente se desarrollarán primero.

Lanzamiento de satélites: A pesar de que el lanzamiento de satélites gubernamentales y comerciales ha sido un buen negocio, la industria internacional de lanzamientos espaciales ha sufrido durante las últimas dos o tres décadas un período de estancamiento tecnológico casi completo. La mayoría de los sistemas de lanzamiento actualmente en uso, incluidos Delta, Atlas, Titán, Soyuz, Molniya y Proton, ya volaban en más o menos sus formas actuales a mediados de la década de 1960. Si bien algunos sistemas adicionales, como el Ariane europeo, se han introducido en las décadas intermedias, las mejoras tecnológicas han sido tan pequeñas que los sistemas más antiguos siguen siendo competitivos. Como resultado, las tarifas de transporte desde la superficie de la tierra hasta la órbita se mantienen entre $ 10,000 y $ 20,000 por kilogramo, lo mismo que en la década de 1960. Este costo persistentemente alto inhibe severamente el desarrollo comercial del espacio.

¿Pueden los ratones ver en la oscuridad?

Creando una nueva industria espacial

Dado que los aeroplanos son una tecnología a corto plazo con una amplia aplicación comercial, debería ser posible financiar su desarrollo principalmente con inversión privada. Sin embargo, el desarrollo de sistemas de vuelo novedosos siempre implica un riesgo comercial significativo, que podría mitigarse con la participación del gobierno.

La referencia a nuestra era actual como la era espacial es un nombre inapropiado para llamar a la década de 1910 la era del aire. A excepción de los militares, el mundo no sintió realmente el impacto de los viajes aéreos hasta que la tecnología se convirtió en una rutina, un lugar común y asequible para más de una élite. Del mismo modo, si va a llegar una era espacial real, es necesario que exista un mercado para la tecnología de vehículos cohete que respalde la fabricación de componentes de naves espaciales no en montones o de dos en dos, sino en cientos o miles.

Los productores de estos aviones tendrán que empezar a utilizar los métodos de producción habituales en la aviación comercial en lugar de las costosas técnicas de producción de lotes pequeños que dominan la industria espacial en la actualidad. Además, necesitaremos una infraestructura de lanzamiento mundial que admita no cientos de vuelos por año, sino cientos de vuelos por día. Los únicos mercados lo suficientemente grandes como para estimular la inversión en dicha capacidad de producción e infraestructura de lanzamiento son la entrega de paquetes a larga distancia y el transporte de pasajeros.

Por la misma razón que las aeronaves militares y luego las postales precedieron a las aeronaves de pasajeros, los cohetes de lanzamiento de satélites, militares y de entrega rápida de paquetes sin duda precederán a los cohetes de pasajeros. Sin embargo, seguramente llegará el día en que miles de aeroplanos crucen el mundo diariamente, sirviendo a viajeros de negocios y de vacaciones desde Nueva York a Tokio, quizás incluso en órbita.

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