Dos arquitecturas (de arriba a abajo), configuraciones fly-back y glide-back. Fuente: Balesdant, M. et al. (2023)
Los vehículos de lanzamiento reutilizables han sido una bendición para la industria espacial comercial. Al recuperar y restaurar las primeras etapas de los cohetes, los proveedores de cohetes han reducido drásticamente el costo de enviar cargas útiles e incluso tripulaciones al espacio. Además de los propulsores de la primera etapa, se están haciendo esfuerzos para que los cohetes sean completamente reutilizables, desde la segunda etapa hasta los carenados de carga útil. Ahora existen muchas estrategias de recuperación de amplificadores, incluida la recuperación aérea mediante helicópteros y redes. Sin embargo, el método preferido es que los impulsores regresen al lugar de aterrizaje por sus propios medios (maniobra de impulso y aterrizaje).
Esta estrategia requiere combustible de cohete adicional para que el propulsor aterrice nuevamente, a costa del peso de la carga útil y el rendimiento de la misión de ascenso. Como alternativa, investigadores de la Oficina Nacional de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales (ONERA) proponen dos nuevos tipos de estrategias que permitirían a los propulsores volver al punto de partida. Estas se conocen como arquitecturas de “deslizamiento hacia atrás” y “retroceso aéreo”, las cuales incluyen propulsores con superficies de elevación (aletas y alas) que realizan maniobras de despegue vertical y aterrizaje horizontal (VTVL).
La investigación fue dirigida por Mathieu Balesdent, científico senior de la Unidad de Métodos Multidisciplinarios y Conceptos Integrados del Departamento de Sistemas y Procesamiento de Información ONERA (DTIS). A él se unieron científicos del Departamento de Materiales y Estructuras (DMAS), Aerodinámica, Aeroelasticidad, Departamento de Acústica (DAAA) y DTIS de ONERA, con el apoyo de la Dirección de Lanzamientos del Centro Nacional de Investigaciones Espaciales (CNES). Un artículo que describe su propuesta apareció en una revista. Acta Astronáutica.
En su artículo, Balesdent y sus colegas describen cómo el combustible adicional podría ahorrarse y usarse en la misión Return To Launch Site (RTLS) a través de técnicas de optimización de diseño multidisciplinario que incorporan tecnologías espaciales y aeroespaciales en propulsores. Estos incluyen superficies de elevación (aletas, alas, etc.), propulsión de respiración de aire (motores turborreactores) y otros métodos probados en vuelo. Primero identificaron dos arquitecturas que se basan en algunas o todas estas técnicas, conocidas como “deslizamiento” y “retroceso”.
La primera configuración combina tecnologías espaciales y aeroespaciales para recuperar la primera etapa. Estos incluyen la nariz aerodinámica, las superficies de elevación, los engranajes y la aviónica de potencia adecuada agregada a la configuración inicial. Después de realizar un despegue vertical y un ascenso, la segunda etapa se expulsa mientras que la primera etapa reinicia algunos motores para realizar un aterrizaje motorizado (similar a los cohetes Falcon 9 y Heavy de SpaceX). Luego, el vehículo realiza un retorno aerodinámico y se desliza de regreso al lugar de aterrizaje, donde aterriza nivelado.
La segunda arquitectura evita por completo el uso de combustible para cohetes y combina los elementos aeroespaciales anteriores con varios motores turborreactores y sus sistemas de propulsión para la misión RTLS. Después de separarse de la segunda etapa, la primera etapa realiza una reentrada balística en la atmósfera con un alto ángulo de ataque. Luego, los motores turborreactores montados en la nariz se encienden para realizar un vuelo de crucero y aterrizar el nivel del vehículo. Balesdent y sus colegas también describen un “kit reutilizable” que contiene los componentes necesarios para adaptar los propulsores de la primera etapa a ambas configuraciones de vuelo.
Afirman: “Estos conjuntos, que consisten en superficies de elevación, una nariz (incluido un sistema de propulsión de aire de retorno) y subsistemas adicionales (por ejemplo, realizar varias misiones reutilizables, luego se retiran e instalan en otra primera etapa si la actual es utilizado para una última misión de una sola vez”.
Estos kits son reutilizables y permiten que los propulsores de la primera etapa se adapten a maniobras de “deslizamiento” y “retroceso”, ofreciendo a los proveedores de lanzamiento comercial la oportunidad de recuperar sus cohetes o ahorrar combustible adicional. Los beneficios incluyen la expansión del alcance de las operaciones mineras, la capacidad de lanzar cargas útiles más pesadas y (sobre todo) servicios de lanzamiento más rentables. Esto está en línea con el objetivo principal de la industria espacial comercial (el llamado NewSpace) de reducir los costos de lanzamiento, permitir un mayor acceso al espacio y “comercializar la órbita terrestre baja (LEO)”.
Este estudio fue el resultado de una colaboración entre la Agencia Espacial Francesa, la Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) y el laboratorio aeroespacial francés – la Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA) – sobre vehículos de lanzamiento reutilizables (RLV). ).