Los remolcadores espaciales impulsan la economía cislunar

Hace pocos días escribí sobre la economía cislunar y por qué era importante. Leyendo a Simon Shuman, ingeniero de Ursa Major Technologies, en Spaces Taxis un interesante artículo que comparto aquí y que resumo a continuación.

Tiranía de la ecuación del cohete de Tsiolkovsky

Cuando un cohete se lanza desde la superficie de la Tierra, su física se guía en gran medida por la famosa Ecuación del Cohete de Tsiolkovsky. Como se ve a continuación, la ecuación mide cuánto «delta-V» o cambio de velocidad puede alcanzar un cohete. Para maximizar este delta-V, los cohetes se construyen para que sean lo más potentes y livianos posible, centrándose en las variables «m» o «Fracción de masa» que relaciona la masa del vehículo en el despegue y con su masa final una vez que se despliega la carga útil. .

Ecuación del cohete de Tsiolkovsky

Hay varias órbitas alrededor de la Tierra a las que enviamos satélites por varias razones. La órbita terrestre baja o LEO (<2000 km de la Tierra) es la órbita más cercana y accesible, lo que explica por qué más del 80 % de los satélites activos residen allí. Luego viene la Órbita Terrestre Media (2000 km a 35 786 km) donde viven nuestros satélites GPS. A esto le sigue la órbita geosincrónica a 35 786 km, donde los satélites orbitan la Tierra al mismo ritmo que la Tierra, una relación única y satisfactoria que nos permite monitorear puntos específicos del globo en todo momento. Para alcanzar con éxito cada una de estas órbitas, los cohetes y sus cargas satelitales deben generar una cantidad específica de delta-V.

Delta-V requerido entre LEO y órbitas superiores

El objetivo final de un cohete es transportar la mayor cantidad posible de masa útil a la órbita adecuada y, gracias al molesto problema matemático de Tsiolkovsky, solo hay unas pocas formas de optimizar la ecuación. Las empresas de lanzamiento y los operadores de satélites tienen tres opciones para lograrlo:

  1. Usa un cohete más grande y eficiente
  2. Volar un satélite más pequeño
  3. Reutilizar nave espacial en órbita

Como se puede ver en el gráfico de arriba. Requiere significativamente más delta-V para llegar a órbitas más altas. Como probablemente haya leído, compañías como SpaceX y Blue Origin ya están construyendo cohetes masivos para reducir significativamente el costo «por kilogramo» en órbita, pero tratar de lograr un rendimiento mejorado solo del cohete eventualmente se vuelve indeseable tanto desde el punto de vista tecnológico como económico. En conjunto, los satélites han seguido reduciéndose en las últimas dos décadas. Pero con los satélites más pequeños a menudo se reducen las capacidades. 

Entonces, ¿cómo se optimiza para la masa sin sacrificar el rendimiento? Ahí es donde la opción 3 y donde van a jugar los Remolcadores Espaciales. Si puedes tomar una porción significativa de la masa que normalmente se necesita en la etapa superior de un satélite o cohete (piense en propulsores, propulsores, rastreadores de estrellas, mecanismos, etc.) y los mueve a un vehículo secundario que se acopla y se mueve alrededor del satélite principal, usted puede impulsar una innovación notable que actualmente puede estar restringida por el pozo de gravedad de la Tierra.

¿Qué es un remolcador espacial?

Originalmente imaginado en la ciencia ficción desde la década de 1950, un remolcador espacial es una nave espacial cuyo único propósito es manipular otros satélites. Los remolcadores espaciales están construidos con un sistema de propulsión y la capacidad de transportar o reunirse con otras naves espaciales. Una vez que se une a otra nave espacial, el remolcador espacial tiene la tarea de realizar una gran cantidad de operaciones. Esto puede incluir mover la nave espacial principal a su órbita final deseada, reparar un satélite defectuoso o incluso sacar de órbita un satélite muerto. En el primer escenario, al utilizar un remolcador espacial, los requisitos delta-V para alcanzar órbitas de mayor energía se transfieren parcialmente del cohete al sistema de remolcador espacial. Esto permite que los cohetes lleven satélites a LEO (el requisito de energía más bajo) antes de entregar los requisitos de energía al remolcador espacial.

Durante las últimas siete décadas, los planes para los remolcadores espaciales han seguido varios factores de forma y casos de uso final. Si bien los programas furon descartados, los estudios sobre el remolcador espacial continuaron durante la década de 1980, una vez que el transbordador volaba con éxito. Varios grandes contratistas principales lanzaron sus vehículos de transferencia orbital (Martin, Boeing) y vehículos de maniobra orbital (TRW) para varias misiones que involucraban el transporte de tripulación pero finalmente se cancelaron debido a sobrecostos.

Ir más allá

Mientras que los primeros conceptos de remolcadores espaciales se centraban en maniobrar grandes estructuras orbitales, como estaciones espaciales o paneles solares, los vehículos actuales se centran en una variedad de conjuntos de misiones. Con el resurgimiento de los lanzamientos espaciales comerciales y la miniaturización de los satélites durante la última década, se requiere un nuevo conjunto de funcionalidades para las operaciones en el espacio.

Satélites en funcionamiento por órbita (est.)

Ahora, cada año se lanzan miles de satélites y, aunque la mayoría todavía están destinados a la órbita terrestre baja, muchos todavía necesitan un impulso adicional para sus destinos orbitales preferidos. Los satélites heredados más grandes pueden necesitar una puesta a punto después de años en órbita. Otros aún pueden necesitar quitarse del camino una vez que se acercan al final de su vida. Para enfrentar los crecientes desafíos que acompañan el crecimiento de la industria de satélites comerciales, varios proveedores de remolcadores espaciales esperan dinamizar un ecosistema en el espacio con aplicaciones específicas para misiones y avances tecnológicos.

Remolcadores espaciales que dispensan

Representación del SHERPA de Spaceflight

El 3 de diciembre de 2018, se lanzó un cohete Falcon 9 desde la Base de la Fuerza Aérea de Vandenberg con una carga útil de «tercera etapa». En el carenado se encontraba un dispensador de carga útil conocido como SHERPA, construido por Spaceflight Inc. Después de desplegar la nave espacial SHERPA en una órbita sincrónica solar, la primera etapa del Falcon 9 regresó a la Tierra y aterrizó en una nave no tripulada. El SHERPA pasó a desplegar más de 70 cargas útiles de satélites pequeños de 18 países a distintas ubicaciones orbitales. Tres años más tarde, Spaceflight lanzaría un SHERPA mejorado con un propulsor de xenón capaz de mover cargas útiles alojadas para garantizar una ubicación final aún más precisa.

Nave espacial de Photon de Rocket Lab

Al ver el éxito de Spaceflight y la creciente demanda de despliegue preciso de satélites pequeños, surgió un aluvión de nuevas empresas de remolcadores espaciales «dispensadores». Después de lanzar su cohete Electron trece veces, Rocket Lab presentó la nave espacial Photon, que sirve como autobús de carga útil para el cohete y brinda a los clientes propulsión adicional en el espacio para alcanzar las órbitas finales deseadas. Otras compañías de vehículos de lanzamiento como Firefly, Launcher y Skyrora hicieron lo mismo al anunciar sus propios vehículos de transferencia orbital para crear una cadena completa de productos de «logística espacial». Startups como ExoLaunch y D-Orbit de Europa han desplegado con éxito satélites desde sus contenedores de viajes compartidos y ahora se están volcando hacia el desarrollo de remolcadores espaciales cada vez más avanzados para mejorar el rango de órbitas que pueden atender para sus clientes. Aunque no está exactamente alineado con la versión clásica de un remolcador espacial (que se despliega como un vehículo separado), este moderno remolcador espacial «dispensador» se ha vuelto cada vez más común y económicamente viable. Con el tiempo, es posible que veamos que estos dispensadores desarrollan subsistemas más sofisticados que permiten operaciones adicionales en órbita.

Remolcadores espaciales que diagnostican

La segunda cohorte de remolcadores espaciales sigue una definición más tradicional del término. Estos vehículos se lanzan como naves espaciales independientes con un conjunto completo de interfaces de propulsión, potencia, GNC y mecánicas destinadas a reunirse con los satélites existentes en órbita antes de realizar un conjunto específico de operaciones. Esto puede incluir reparar un panel solar roto, repostar, ayudar a corregir el rumbo o mover el satélite a una nueva órbita.

Acoplamiento MEV-1 con Intelsat 901

Hay varias compañías compitiendo para construir el principal negocio de «manitas» en el espacio. El contratista principal Northrop Grumman ha tenido el éxito más tangible con su programa Mission Extension Vehicle (MEV). Lanzado por primera vez en 2019, el MEV es una nave espacial de reabastecimiento de combustible en el espacio a pequeña escala diseñada para acoplarse con los activos espaciales existentes para prolongar su vida útil. El concepto inicial fue diseñado en 2011 por Vivisat, una empresa conjunta entre US Space y ATK, que se convirtió en Orbital ATK, que se convirtió en Northrop Grumman Space Systems, que se convirtió en… (se entiende). En 2019, la misión MEV-1 de Northrop se acopló con éxito al satélite Intelsat 901 y reposicionó tele-robóticamente el satélite para mejorar su rendimiento y extender su vida «útil» hasta 5 años (proporcionando uno de los GIF espaciales más geniales de todos los tiempos). El año siguiente,

Quizás la más intrigante de las compañías de remolcadores espaciales (y la única que participó en el Space SPAC Madness 2021) es Momentus. Fundada por los empresarios rusos Mikhail Kokorich y Lev Hasis, Momentus tiene como objetivo diseñar un conjunto de remolcadores espaciales que brinden a los operadores de satélites acceso a energía, comunicaciones y mantenimiento de estaciones para permitir cambios en la inclinación orbital y el plano. Comenzando con su nave espacial Vigoride, que ahora se lanzará en 2022, Momentus espera ofrecer una operación similar a un dispensador antes de pasar a versiones mejoradas de Vigoride (y Ardoride y Fervoride más grandes) que proporcionarán operaciones en el espacio como reabastecimiento de combustible, acoplamiento, reparación e inspección.

Representación de la nave espacial Vigoride de Momentus

Como empresa, Momentus ha tenido un viaje difícil después de presentar su solicitud para cotizar en bolsa a través de SPAC en 2020. Inicialmente, tuvieron que superar una batalla con la SEC por afirmaciones de que engañaban a los inversores en su sistema de propulsión de microondas a base de agua. Luego, los departamentos de Defensa y del Tesoro de EE. UU. obligaron a Kokorich y Hasis a vender sus porciones de Momentus debido a conflictos geopolíticos derivados de su linaje ruso. A pesar de estos contratiempos, Momentus ahora parece haber vuelto a la normalidad y ha reservado varios cohetes SpaceX Falcon 9 para los próximos años para lanzar sus misiones preliminares Vigoride.

Varias nuevas empresas más pequeñas se han unido a la carrera de remolcadores espaciales en los últimos años. Con sede en Denver, Atomos busca construir un vehículo de transferencia orbital para encontrarse con satélites en órbita y ayudar a moverlos a un plano o inclinación preferidos. Starfish Space de Seattle está construyendo un remolcador espacial con software de acoplamiento autónomo para ayudar a reabastecer, reparar y retirar satélites. Los veteranos de la industria como el ingeniero de SpaceX Tom Mueller (Impulse Space) y el ex CTO de Momentus Joel Sercel (TransAstra) han ingresado al juego del remolcador espacial buscando aprovechar sus décadas de experiencia espacial comercial.

Las empresas también buscan comercializar la economía cislunar habilitada para remolcadores espaciales mediante la creación de servicios que facilitarán los complicados procesos en órbita, como el acoplamiento y el reabastecimiento de combustible. SCOUT está desarrollando instrumentos ópticos que pueden integrarse fácilmente en las plataformas satelitales existentes para ayudar en los entornos visuales complejos necesarios para la observación de otras naves espaciales. Orbit Fab está diseñando «Estaciones de servicio» en el espacio para el reabastecimiento de combustible en órbita (ya escribí sobre ellos en Logística e infraestructuras en el Espacio). También están trabajando para estandarizar los puertos de acoplamiento en los satélites para simplificar futuras misiones de reabastecimiento de combustible. Empresas como MDA, Altius Space Machines y Motiv Space Systems se centran en los brazos robóticos y las interfaces necesarias para la captura y manipulación de naves espaciales en órbita. A medida que los costos de lanzamiento más bajos continúan promoviendo la creatividad en órbita,

Remolcadores espaciales que ordenan

Visualización del entorno LEO congestionado

Hay otra clase de naves espaciales que pueden caer en la categoría de remolcadores espaciales, pero en lugar de mantener los satélites en órbita, trabajan para traer satélites muertos o peligrosos de regreso a la atmósfera de la Tierra. En los últimos años, el término «basura espacial» ha causado sensación en los medios de comunicación, el gobierno, el Departamento de Defensa y las empresas espaciales comerciales. A medida que se lanzan más satélites, las zonas habitables de estos activos se llenan. A pesar de los mejores esfuerzos de los operadores civiles, militares y comerciales, algunos satélites fallan. Un satélite muerto corre el riesgo de colisionar con otra nave espacial y provocar un efecto de cascada de escombros, conocido como Síndrome de Kessler. Para evitar este escenario catastrófico, varias empresas se enfocan en capturar y sacar de órbita objetos espaciales peligrosos.

Representación de ELSA-d de Astroscale

El líder en este esfuerzo es Astroscale, que lanzó su misión de demostración ELSA-d en 2021. ELSA-d se implementó con dos naves espaciales distintas, un «servicio» y un «cliente», ambos equipados con sistemas de acoplamiento electromagnéticos. Las naves espaciales demostraron con éxito técnicas de captura de desechos orbitales en agosto de 2021 y Astroscale todavía está trabajando en varios procedimientos de captura en órbita. Astroscale planea lanzar sus primeras misiones activas de eliminación de escombros, ADRAS-J, en 2023 en un vehículo Rocket Lab Electron, que intentará analizar la etapa superior de un cohete japonés que está dando vueltas en órbita. A través de su asociación con JAXA, Astroscale espera lanzar una misión de seguimiento para capturar y sacar de órbita formalmente los restos del cohete.

Hay participantes adicionales en el campo de la eliminación activa de desechos, como ClearSpace y Orbuta, que están construyendo pequeñas naves espaciales para combatir el síndrome de Kessler. Aún más populares son las empresas de análisis e identificación, como LeoLabs y Privateer (fundada por Steve Wozniak de Apple), con la esperanza de mejorar la detección y catalogación de los innumerables objetos que orbitan la Tierra. A pesar de los claros desafíos sociales y logísticos asociados con los desechos orbitales, será fascinante ver cómo se desarrolla el caso comercial con nuevos incentivos que surgen para las capacidades comerciales de la Fuerza Espacial , la Fuerza Aérea y las agencias intergubernamentales.

¿Que sigue en remolcadores espaciales?

A medida que SpaceX lideró el lanzamiento y aterrizaje de cohetes, se volvió más barato y accesible enviar algo al espacio. Sin embargo, a pesar de sus esfuerzos, todavía existe una barrera natural entre la Tierra e incluso nuestras órbitas estables más cercanas. La ecuación del cohete de Tsiolkovsky impone restricciones sobre la cantidad de masa que podemos enviar al espacio y, una vez allí, los satélites son esencialmente inaccesibles. Los remolcadores espaciales esperan cambiar esto aprovechando la economía de lanzamiento mejorada y desatando la economía cislunar de la que a menudo se habla. Al proporcionar arquitecturas para reabastecimiento de combustible, reparación y ajustes orbitales, los remolcadores espaciales permiten mayores capacidades operativas para prácticamente todos los operadores de satélites, grandes y pequeños. 

Aunque en su mayoría todavía están en sus etapas iniciales, las empresas de remolcadores espaciales están trabajando para madurar y estandarizar lo que significa trabajar en el espacio. Si todo sale según lo planeado, con suerte veremos un grupo de «remolcadores espaciales» de marca en los próximos años que pueden volar rápidamente para ayudar a reparar un sensor roto, proporcionar el combustible que tanto se necesita o empujar un satélite a una nueva órbita antes. deslizándose para ayudar a su próximo cliente feliz.

Credit: Lockheed Martin Concept

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