Cuenta regresiva para aviones cohete

La ciudad de Mojave, CA, bañada por el sol, con una población de solo 3.700, cuenta con un aeropuerto que ocupa casi tanta área como Los Ángeles International. El vasto y aislado sitio, en el borde bordeado de montañas de una amplia extensión de llanura desértica alta, ha sido el hogar de varias compañías aeroespaciales inconformistas. La Voyager, el avión extremadamente liviano que en 1986 se convirtió en el primero en volar sin escalas alrededor del mundo sin repostar, se generó aquí. Ahora, en un modesto edificio bajo en el borde del aeropuerto, el futuro del transporte espacial está, posiblemente, naciendo.

Eso sí, ese futuro no parece mucho todavía: un pequeño avión de dos asientos que se asemeja a un caza a reacción con la cola cortada y unas aletas rechonchas instaladas cerca de su nariz. En julio pasado, esta nave liviana, denominada EZ-Rocket, alcanzó un nuevo hito en la aviación cuando el piloto Dick Rutan, que también había pilotado la Voyager, puso sus motores gemelos de cohetes en una maniobra fundamental de toque y marcha: despegar, apagar los motores, aterrizar, encendiendo los motores de nuevo y despegando sin parar. Esto representó un nuevo punto culminante al dar flexibilidad y capacidad de control similares a las de un avión a una nave propulsada por cohetes, un hecho que tiene una mayor importancia desde que la catástrofe del transbordador espacial Columbia planteó nuevas preguntas sobre la viabilidad del programa espacial tripulado del gobierno de los EE. UU.

Cada uno de esos dos vuelos duró menos de 15 minutos y nunca alcanzó altitudes superiores a los 3.000 metros. Pero demostraron que Xcor Aerospace, la compañía detrás de EZ-Rocket, puede tener la mejor oportunidad hasta ahora de darle al mundo un avión cohete reutilizable que lleve operaciones rutinarias similares a las de una aerolínea al mundo de los cohetes y reduzca los costos de lanzamiento a tan solo una décima parte de los del lanzamiento del transbordador espacial y los cohetes desechables de hoy. Una nave de este tipo podría, en varios años, permitir el despliegue de satélites económicos para la investigación y las comunicaciones y poner en marcha el turismo espacial. Durante un período de tiempo más largo, la nave sucesora podría proporcionar un vuelo de pasajeros de la ciudad de Nueva York a Tokio que demore menos de tres horas. Y debido a que liberarse de la gravedad de la Tierra es el mayor costo de cada misión espacial, los lanzamientos más baratos son requisitos previos esenciales para empresas visionarias como los colectores solares espaciales que enviarían energía a la Tierra las 24 horas del día y la extracción de metales preciosos de los asteroides.

Por supuesto, la gente ha intentado durante décadas realizar la visión de un avión cohete reutilizable, con poco éxito. La ciencia espacial se ha convertido en sinónimo de tecnología avanzada, pero el hecho es que ha habido muy poco desarrollo de nuevos cohetes desde principios de la década de 1960, dice el presidente de Xcor Aerospace, Jeff Greason, ex ejecutivo de Intel. Lo que es diferente ahora, dicen él y otros, es que incluso antes de que Columbia se separara el 1 de febrero, la gente estaba empezando a construir y probar nuevos diseños. De hecho, más de dos docenas de empresas en todo el mundo, sin mencionar a la NASA y otras agencias espaciales nacionales, están desarrollando activamente aviones cohete. Y con la pérdida del Columbia, la muerte de siete astronautas y la subsiguiente puesta a tierra de los transbordadores restantes, es probable que aumente tanto el número de desarrolladores como la urgencia de su tarea. La necesidad de encontrar alguna forma de obtener nuevas tecnologías y nuevos enfoques para el transporte espacial es probablemente mucho más clara que antes, dice Greason.

Muchos jugadores privados se sienten estimulados por la perspectiva de capturar el X-Prize de $ 10 millones. Esta recompensa, ofrecida por una fundación con sede en St. Louis, MO financiada por impulsores del turismo espacial, se otorgará a la primera nave espacial con financiación privada que transporta a tres personas al borde del espacio (una altitud de al menos 100 kilómetros), regresa a salvo a la Tierra, y lo vuelve a hacer en dos semanas. Ya se han apuntado 24 jugadores para realizar el intento.

Pero $ 10 millones es una gota en el balde en comparación con el premio real: el turismo espacial. El año pasado, una encuesta encargada por la NASA concluyó que si se dispusiera de naves confiables, 15,000 adinerados buscadores de emociones anualmente se inscribirían en vuelos suborbitales que cuestan alrededor de $ 50,000 cada uno. Eso representa un mercado de $ 750 millones. Y aunque no igualaría al principal negocio espacial actual de lanzamiento de satélites (en 2001, 39 lanzamientos en todo el mundo generaron casi $ 3.300 millones en ingresos), podría marcar el comienzo de algo mucho más grande. El turismo espacial tiene el potencial de convertirse en una nueva industria tan importante como la aviación civil, dice Patrick Collins, economista de la Universidad de Azabu en Fuchinobe, Japón, y defensor de la comercialización del espacio desde hace mucho tiempo. A corto plazo, agrega, no hay otra aplicación del espacio con un potencial ni remotamente similar. Y ya sea que ese mercado se materialice rápidamente o no (es posible que las escalofriantes imágenes de la ruptura de Columbia pongan nerviosos a los turistas espaciales en los próximos años), la tecnología en sí está claramente madurando. En noviembre pasado, el informe de una comisión presidencial sobre la industria aeroespacial de EE. UU. Dijo que los vehículos de lanzamiento reutilizables que podrían, al menos, reducir sustancialmente los costos de colocar satélites en el espacio, están a nuestro alcance en esta década.

Historia de fracasos

La creación de aviones cohete reutilizables debería haber sido trabajo de la NASA. Pero el esfuerzo de la NASA, el X-33, un concepto ambicioso para un avión cohete reutilizable que en 2005 se suponía que demostraría tecnologías que eventualmente podrían reemplazar el programa del transbordador espacial, se convirtió en el elefante blanco más grande jamás producido por el programa espacial de EE. UU. Entre 1997 y 2001 se gastaron casi 1.300 millones de dólares en la nave propulsada por hidrógeno, y prácticamente no hay nada que mostrar. Afortunadamente, la NASA eligió un plan que empleaba una serie de tecnologías técnicamente desafiantes (léase: riesgosas), incluidos motores de cohetes únicos, tanques de combustible y escudos térmicos, y un diseño de vehículo complejo. Cada una de esas tecnologías habría tenido que funcionar para que la nave liderara con éxito el camino para desbancar a la flota del transbordador espacial, que ahora tiene más de dos décadas, para misiones que incluyen transportar astronautas a la Estación Espacial Internacional y lanzar cargas útiles científicas como el Hubble. Telescopio espacial.

Pero una parte, un tanque de combustible compuesto de hidrógeno líquido construido por Lockheed Martin, falló en las pruebas. En 2001, la NASA, enfrentando la perspectiva de esperar un año más por una nueva versión, se alejó del esfuerzo y comenzó algo nuevo, dice la ex administradora asociada de política y planificación de la agencia, Lori Garver. Cada vez que haces eso, pierdes terreno. Ahora, dos años después de la cancelación del X-33, no se espera que el nuevo esfuerzo aún indefinido de la NASA produzca un reemplazo del transbordador espacial antes de dos décadas a partir de ahora. Sin embargo, indudablemente habrá presión después de Columbia para acelerar ese calendario.

Un resultado de la debacle del X-33 fue poner un serio freno a la inversión privada en el campo. La sabiduría convencional sostenía que si la NASA no podía construir un cohete reutilizable, nadie podría hacerlo, dice Collins. Pero el mundo carece de un avión cohete no porque sea difícil de construir, dice. Es solo que prácticamente toda la investigación de cohetes ha sido realizada por una agencia gubernamental monopolista. Buzz Aldrin, quien en 1969 se convirtió en el segundo hombre en caminar sobre la luna, dice que Estados Unidos simplemente carece de un programa nacional coherente para desarrollar tecnología de lanzamiento asequible y reutilizable. Y aunque el terrible destino de Columbia podría agudizar el enfoque, Aldrin dice que por el momento, de todos modos, estamos en un lío.

A este lío llegan Xcor Aerospace y sus competidores. Su visión: construir una nueva generación de cohetes. A diferencia de todos los cohetes lanzados hasta ahora, esta nave volaría al espacio y regresaría a casa intacta. (Algunos diseños requieren un proceso de dos etapas en el que el cohete se eleva inicialmente a cuestas sobre un jet). Incluso los transbordadores espaciales, la primera y única nave espacial reutilizable del mundo, descartan partes de los cohetes impulsores gemelos y todos los enormes cohetes externos. tanque de combustible con cada lanzamiento.

Hacer realidad esta visión parece relativamente sencillo sobre el papel. Los motores de cohete son básicamente cámaras de combustión con bombas que aportan combustible y oxidante-oxígeno o un químico rico en oxígeno que permite que el combustible se queme incluso en el vacío del espacio. No necesitan los turboventiladores y compresores de alta velocidad de un motor a reacción, que proporcionan oxígeno del aire para quemar combustible y representan aproximadamente el 80 por ciento del tamaño, el peso y la complejidad del motor. Y como resultado, los cohetes pueden volar mucho más alto que los aviones a reacción, que no pueden exceder altitudes de 16 kilómetros porque el aire se vuelve demasiado delgado para quemar combustible de aviación y proporcionar sustentación a sus alas.

Nadie está diciendo que advenedizos como Xcor Aerospace puedan llegar al espacio en un solo paso. Alcanzar la órbita significa alcanzar velocidades de 27.800 kilómetros por hora, transportar enormes cantidades de combustible y soportar tensiones extremas. Afrontar estos desafíos, a todas luces, llevará al menos una década. Mientras tanto, sin embargo, se puede aprender mucho mientras se apunta a un objetivo mucho más modesto: construir una nave propulsada por cohetes capaz de alcanzar el borde del espacio, una altitud de 100 kilómetros, sin entrar realmente en órbita. Alcanzar esa altitud requiere una velocidad de aproximadamente 4.500 kilómetros por hora, no mucho más rápido que las velocidades máximas de los aviones de combate actuales, por lo que los diseñadores de la nave deberían poder adaptar los sistemas y procedimientos de ingeniería relativamente probados de los aviones de combate a la nueva tarea.

El presidente de Xcor Aerospace, Greason, dice que alcanzar el objetivo de diseño es posible en los próximos años. De hecho, hace unos seis años dejó la floreciente industria de los microchips porque vio que el negocio espacial era el lugar donde las computadoras habían estado en la década de 1970: algunas empresas controlaban un mercado de hardware exclusivo, grande y costoso, y eran ajenas a la tecnología. Un cambio radical a punto de ser provocado por algunos desertores universitarios obsesionados que trabajan en garajes, utilizando repuestos listos para usar para producir nuevos e increíbles sistemas de computadoras personales. Es muy similar a los primeros días de la PC, dice Peter Diamandis, presidente y fundador de la Fundación X-Prize. Los vehículos suborbitales que pueden realizar miles de vuelos al año crearán un mercado al cambiar la perspectiva del espacio: no es solo para los gobiernos, sino para el público.

Competencia pequeña y ágil

El EZ-Rocket de Xcor Aerospace es como esas primeras PC: simple, básico y, desde el punto de vista del negocio aeroespacial habitual, prácticamente microscópico. Sus motores de cohetes gemelos, alimentados por alcohol y oxígeno líquido, producen por separado solo una milésima parte del empuje de cada uno de los tres motores principales del transbordador espacial. Pero a diferencia de sus contrapartes del transbordador, los motores EZ-Rocket pueden controlarse por completo e incluso apagarse y reiniciarse en vuelo. Aún así, el EZ-Rocket es solo un vehículo de demostración. La pequeña nave está diseñada para acumular experiencia para construir un avión espacial suborbital de dos asientos, llamado Xerus, que ahora está en desarrollo.

Para el Xerus, Xcor Aerospace está desarrollando un motor de cohete con cinco veces la potencia del EZ-Rocket, un motor que puede acelerarse hacia arriba y hacia abajo a través de una amplia gama de velocidades. Un grupo de cuatro o cinco de esos motores elevaría el avión cohete a una altitud de 100 kilómetros; luego, cohetes más pequeños permitirían a la nave mantener la estabilidad durante una excursión al borde del espacio.

Xcor Aerospace está persiguiendo al Xerus de dos personas a pesar de que no cumplirá con el criterio de tres personas del X-Prize. Con premio o sin premio, Greason, Rutan y su puñado de compañeros de trabajo ven muchos incentivos de mercado. Greason dice que el Xerus podría lanzar una carga útil de un pequeño satélite (unos 10 kilogramos) a una órbita baja utilizando un cohete propulsor en el satélite. Estos pequeños satélites se utilizan para proyectos de investigación universitarios, que a menudo deben esperar años para incorporarse al lanzamiento de un satélite más grande. Y el propio Xerus también podría usarse para investigación, como la recopilación de datos atmosféricos o la realización de experimentos de ingeniería que requieren breves períodos de tiempo en entornos de gravedad cero.

Sin embargo, el verdadero objetivo es el turismo. Greason dice que el Xerus podría proporcionar a los turistas viajes de placer de media hora (tres minutos de ingravidez y la oportunidad de ver la curvatura de la Tierra y la oscuridad del espacio) y luego aterrizar en una pista de aterrizaje ordinaria. Un solo Xerus, dice, podría ganar $ 24 millones al año en ingresos turísticos con costos de desarrollo de menos de $ 10 millones. Impulsado por tales visiones, Xcor Aerospace espera en tres años haber volado y probado Xerus y haber preparado la nave para la producción. Decidimos dar los pasos más pequeños que pudimos, con la mayor cantidad posible de ellos generando ingresos, explica Greason. Si Xerus funciona y las ganancias de los turistas llegan, dice, los desarrolladores de la compañía comenzarían a abordar la tarea final: entrar en órbita.

La idea de los pasos más pequeños, por supuesto, tiene cierta resonancia histórica cuando se trata de tecnología espacial. Pero mientras Xcor Aerospace se enfoca en el enfoque incremental, varias compañías competidoras ya están persiguiendo la gran visión: una nave que puede llegar hasta la órbita. Un jugador es Pioneer Rocketplane en Solvang, CA. La compañía ha diseñado un híbrido de cohete y jet llamado Pathfinder, que despegará con motores a reacción tradicionales. Una vez a una altitud de crucero de unos 5.500 metros, un avión cisterna de combustible se reunirá con el Pathfinder y bombeará oxígeno líquido a un tanque vacío a bordo de la nave. Luego, propulsado por una combinación de oxígeno líquido y queroseno, el Pathfinder encenderá su motor cohete y se elevará a una altitud de 139 kilómetros, donde lanzará una etapa superior no tripulada para poner en órbita una carga útil de 2280 kilogramos.

Al igual que Xcor Aerospace, Pioneer está comenzando con una versión más pequeña, el Rocketplane XP, que competirá por el X-Prize. Aunque ni el XP ni el Pathfinder han alcanzado ni siquiera la etapa de prototipo, Pioneer Rocketplane se considera un jugador serio. Su CEO, Mitchell Burnside Clapp, fue responsable de un diseño de la Fuerza Aérea de un cohete reutilizable similar a un avión que luego evolucionó hacia el concepto Pathfinder. Debido a ese diseño, Pioneer Rocketplane es un competidor líder para un proyecto de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa para desarrollar un lanzador de satélites propulsado por cohetes de bajo costo. (Se espera que la agencia anuncie la adjudicación de dos contratos de diseño final el 1 de marzo).

La mayoría de los jugadores de cohetes reutilizables piensan en términos de transportar personas, tanto pilotos como turistas. Pero Astrium de Alemania está excluyendo expresamente la carga humana. En cambio, está desarrollando un cohete autónomo llamado Hopper, diseñado para proporcionar lanzamientos de satélites baratos. El primer paso en esta dirección es el Phoenix, una versión a escala de un sexto del Hopper.

El Phoenix es principalmente un banco de pruebas para la tecnología de aterrizaje autónomo. Los diseñadores de la nave están incorporando altímetros (sensores de altitud) basados ​​en láser y equipo del Sistema de Posicionamiento Global digital junto con algoritmos de navegación inteligente que permiten que la nave realice un aterrizaje en una pista de planeo sin la ayuda de humanos o equipos en tierra. La primera prueba del vehículo, que está en construcción, se espera el próximo año: un helicóptero dejará caer al Phoenix desde una altitud de unos 1.400 metros, dejándolo para que aterrice solo. Astrium estima que el Hopper de tamaño completo podría lanzar satélites en 15 a 20 años, a la mitad de los costos de lanzamiento actuales.

Y la NASA no se queda al margen. Aunque la forma exacta de un programa sucesor del desafortunado X-33 aún está siendo elaborada por el administrador de la agencia Sean O'Keefe, quien tomó el timón a fines de 2001, la NASA había comenzado a diseñar planes a largo plazo para un programa más grande, nave más ambiciosa antes del desastre de Columbia. El avión espacial orbital es solo una hoja de papel en blanco en este momento, pero la idea es que esté listo para entregar tripulación y pequeñas cantidades de carga a la Estación Espacial Internacional en 2012.

Si vuela para 2012 o antes, el Plano Espacial Orbital llegaría a orbitar sobre un cohete prescindible convencional. Pero la NASA espera eventualmente reemplazar ese cohete con un sistema reutilizable. Para hacer esto, los investigadores del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, AL, están simplificando y optimizando el diseño de motores de cohetes e incorporando sistemas de diagnóstico integrados para detectar problemas como grietas, fugas y válvulas atascadas. Dichos sistemas producirían enormes ahorros en comparación con los transbordadores espaciales, cuyos motores son desmantelados e inspeccionados después de cada misión por cientos de ingenieros. El objetivo es llevar la confiabilidad de los motores de cohetes a la misma categoría que los motores a reacción actuales, dice Garry Lyles, quien está a cargo de los sistemas de propulsión para el programa de la NASA para desarrollar tecnología para futuros vehículos de lanzamiento. En este momento, de todos modos, los planes de la NASA exigen un reemplazo del transbordador espacial totalmente reutilizable para 2025.

Empuje privado

A pesar de su pobre historial con aviones cohete, la NASA sigue siendo un competidor serio a largo plazo. Pero el calendario algo relajado de la agencia ha dejado el campo abierto para el sector privado. Y está creciendo el entusiasmo por el potencial de las pequeñas empresas para producir un cohete espacial reutilizable. Una victoria del Premio X de una de estas empresas disiparía el escepticismo y también podría impulsar la inversión. Es un paso psicológico, dice Rand Simberg, ingeniero y consultor aeroespacial. Las pequeñas empresas están volviendo atrás y haciéndolo como debería haberse hecho en primer lugar.

De hecho, anticipándose a la capacidad de las pequeñas empresas para abrir nuevos caminos, una empresa está reservando vuelos turísticos en aviones cohete que hoy en día solo existen en papel. Space Adventures, de Arlington, VA, ya envía turistas en vuelos en aviones de gravedad cero en Rusia, y organizó vuelos espaciales rusos, cada uno con un precio de 20 millones de dólares, a la Estación Espacial Internacional para el empresario estadounidense Dennis Tito en 2001 y Sudáfrica. El magnate de Internet Mark Shuttleworth el año pasado. Ahora la compañía apuesta por Xcor: ha contratado 600 vuelos turísticos de Xerus, e incluso ha recibido depósitos en efectivo de más de 100 clientes.

Estamos impresionados con el equipo de personas de Xcor y su capacidad para producir hardware de vuelo real y realizar demostraciones con un presupuesto bajo, dice Eric Anderson, presidente de Space Adventures. Y aunque Anderson inicialmente temió que la aterradora desaparición de Columbia pudiera hacer que algunos de sus clientes se lo pensaran dos veces antes de viajar al espacio, ninguno había pedido reembolsos en los primeros días después de la pérdida del transbordador, un hecho que, según él, muestra un fuerte compromiso humano con los vuelos espaciales. . En lugar de asustar a la gente, agrega, lo que le sucedió a Columbia servirá como una llamada de atención. Dentro de diez años, las personas se sentirán más seguras, estarán más seguras al entrar en órbita como resultado de las mejoras que inevitablemente resultarán de la investigación del accidente.

El respaldo de Space Adventure a Xcor y otras compañías de cohetes proporciona una sinergia que podría ser crucial para hacer realidad las visiones de hace décadas de los cohetes reutilizables, dice Bruce Lusignan, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford y director del Centro para la Cooperación Internacional en el Espacio, un consorcio mundial de universidades. Él dice que los ingresos del turismo relacionado con el espacio podrían usarse para financiar una nueva generación de vehículos de lanzamiento orientados al turismo, y ese podría ser el núcleo para desarrollar la capacidad. Ese podría ser el camino correcto a seguir. Y eso significa que el EZ-Rocket, ese vehículo de prueba poco imponente en el vasto aeropuerto de Mojave, podría terminar siendo la primera PC de una nueva era espacial.

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