El programa lunar de ULA

Por Daniel Marín, el 14 septiembre, 2009. Categoría(s): Astronáutica • Constellation Program • Luna • NASA ✎ 12
La empresa ULA (United Launch Alliance) -una unión de Lockheed-Martin y Boeing para ofertar comercialmente los lanzadores Atlas V y Delta IV– acaba de publicar un estudio (Affordable Exploration Architecture) donde presenta un plan para viajar a la Luna usando cohetes de potencia media. Esta arquitectura lunar no requeriría el uso de un cohete gigante como el Ares V del Programa Constellation. Ni siquiera necesitaría un lanzador de tipo HLV o Ares IV. Para poder conseguir poner un hombre en la Luna con unos lanzadores tan modestos, el plan se basa en el uso de depósitos de combustible situados en el punto de Lagrange L2, un concepto que pudimos ver en numerosas propuestas presentadas ante la Comisión Augustine el pasado mes de agosto.
La idea de los depósitos orbitales se basa en un hecho muy simple: el 70-75% de la carga útil que se lanza a la órbita baja (LEO) es combustible. Usando múltiples lanzamientos de vectores medianos como el Delta IV o el Atlas V es posible poner en órbita el combustible necesario para una misión lunar sin necesidad de un cohete gigante. A cambio, se tendrían que realizar numerosos acoplamientos automáticos y trasvases de combustible en órbita.
Pero veamos en detalle en qué consiste la propuesta de misión lunar:
  • El núcleo de la arquitectura se basa en el empleo de etapas superiores del tipo ACES (Advanced Common Evolved Stage). Esta etapa es criogénica (emplea hidrógeno y oxígeno líquidos) y deberá sustituir en el futuro a las etapas superiores de los lanzadores de ULA. Viene en dos versiones: ACES 41 (41 toneladas de combustible) y ACES 71, una versión agrandada del ACES con 71 toneladas. En una misión lunar, las etapas ACES funcionarían como el módulo de servicio de la nave Orión, la etapa de descenso del módulo lunar Altair y como etapa de inyección translunar (sustituyendo a la EDS del Programa Constellation).


Etapa ACES 41 (ULA).


Etapa ACES 71 (ULA).

  • La nave Orión usaría una etapa ACES 41 como módulo de servicio, más un pequeño módulo con sistemas de soporte vital (módulo ECLSS). Esta nave sería lanzada por un cohete Atlas V.
  • El módulo lunar Altair también emplearía una ACES 41 como etapa de descenso, tanto en su versión tripulada como en la de carga. El diseño del Altair se vería profundamente modificado por el uso de esta etapa y tendría una apariencia muy distinta a las últimas propuestas, con una configuración en horizontal. Este tipo de configuración para el módulo lunar ya ha sido propuesto anteriormente por Lockheed-Martin. La etapa ACES 41 usada con el Altair tendría motores adicionales para facilitar la fase final de descenso. El módulo lunar sería lanzado mediante un Delta IV Heavy.


Módulo lunar Altair en versión de carga y tripulada (ULA).

  • Los siguientes elementos de la arquitectura lunar están formados por una etapa ACES 71 lanzada mediante un Atlas V para llevar combustible y dos depósitos espaciales, formados a su vez por una etapa ACES 41 reformada para transportar oxígeno líquido únicamente y una ACES 71 cargada con hidrógeno líquido. Habría dos depósitos de este tipo: uno en LEO (LEO Depot) y otro localizado en el punto de Lagrange L2 (L2 Depot). Ambos tendrían sistemas especiales para permitir el trasvase de combustible y mantener las bajas temperaturas del hidrógeno líquido. Serían lanzados por un Atlas V.


Concepto de depósito de combustible usado en órbita baja y en L2 (ULA).



Resumen de los vehículos de esta arquitectura lunar (ULA).

Una misión lunar seguiría la siguiente secuencia:

  1. Dos cohetes Atlas V (u otro lanzador privado) lanzarían sendas etapas ACES 71 hasta el depósito localizado en LEO para trasvasar combustible, con una carga de 26 toneladas por lanzamiento. Una tercera etapa ACES 71 se acoplaría para cargarse de combustible y seguir hasta el depósito L2. Allí trasvasaría al depósito unas 30 toneladas de combustible. Serían necesarias 40 toneladas para el viaje LEO-L2.
  2. El módulo lunar Altair, con una masa de 36 toneladas, sería puesto en órbita baja mediante un Delta IV Heavy. Allí se acoplaría al Depósito LEO y se cargaría con 30 toneladas de combustible para partir hasta L2, donde se acoplaría con el Depósito L2 para cargar más combustible. La masa de Altair en la superficie lunar sería de 40 toneladas y se podría usar parte de esta capacidad para crear un depósito de combustible en la Luna. La etapa de ascenso también usaría combustibles criogénicos, que se emplearían para abastecer las células de combustible durante la noche lunar.


Una nave Orión y el módulo lunar Altair acoplados al Depósito L2 (ULA).


Alunizaje del Altair (ULA).


Despegue desde la superficie lunar en la etapa de ascenso del Altair (ULA).


Resumen de la compleja arquitectura lunar (ULA).

Si el plan se ejecuta sin problemas, los lanzamientos con combustible se podrán realizar de forma independiente de las actividades tripuladas con la Orión. Antes de efectuar una misión tripulada, se llevarían a cabo varias misiones del Altair en modo automático. Llegado el momento, la Orión/ACES despegaría en un Atlas hacia la LEO, donde se acoplaría al depósito de la órbita baja. De allí viajará hasta L2 en una trayectoria rápida, tardando cuatro días. La Orión trasvasaría el combustible restante al Depósito L2, para minimizar así las pérdidas por evaporación. Durante el periodo que el Orión/ACES permanezca acoplado al depósito, éste será el encargado de suministrar energía eléctrica y otras funcionalidades. La tripulación se trasladaría (¿mediante EVAs?) al Altair, que estaría también acoplado al Depósito L2.

Tras su estancia en la superficie de nuestro satélite -cuya duración estaría limitada por la cantidad de combustible extra que puede llevar el Altair-, la tripulación volvería a L2 en la etapa de ascenso. Esta etapa usaría 12 pequeños motores criogénicos de 500 kg de empuje cada uno. Mientras, la nave Orión/ACES debería ser cargada de combustible al 10% de su capacidad, suficiente para partir hacia la Tierra. En caso de emergencia, la Orión sería enviada hacia la órbita lunar en modo automático con más combustible del habitual, donde se acoplaría con la etapa de ascenso del Altair antes de poner rumbo a la Tierra de forma directa, de modo similar a una misión Apolo.

El diseño de esta arquitectura lunar es sólido, pero también lo son los inconvenientes. Uno de los principales escollos es el desarrollo de la tecnología necesaria para mantener propergoles criogénicos en estado líquido durante largos periodos, especialmente en lo que respecta a la estancia en la superficie lunar. ULA afirma que es capaz de desarrollar estas tecnologías en poco tiempo y dentro de un presupuesto razonable, aunque habrá que ver si esto es cierto.

Pero es el alto número de lanzamientos la causa principal de que esta arquitectura tenga un alto número de detractores. De hecho, el estudio reconoce esta debilidad y sugiere que el empleo de un lanzador de 50-80 toneladas de capacidad en LEO sería ideal para estas misiones. Si observamos los datos del estudio, vemos que durante el primer año serían necesarios nada más y nada menos que 22 lanzamientos para preparar la infraestructura, incluyendo dos módulos Altair (uno de carga y otro tripulado). El segundo año de operaciones se necesitarían 30 lanzamientos para efectuar tres misiones tripuladas a la Luna de cuatro meses de duración cada una. Las misiones se llevarían a cabo de forma continuada y durante diez días conviviría la tripulación entrante con la saliente. Durante el tercer año de operaciones la estancia podría ampliarse a 5 meses, aunque el ritmo de lanzamientos sería similar. Y, por supuesto, no nos olvidamos del tema económico. Aunque esta propuesta puede resultar más barata en un principio según ULA -algo que está por demostrar-, requeriría igualmente un aumento del presupuesto de la NASA.

Sin más datos, resulta complicado evaluar la viabilidad de esta arquitectura, pero está claro que ahora más que nunca es necesario buscar alternativas al Proyecto Constellation si queremos salir de la órbita baja.

Año uno: lanzamientos requeridos (ULA)

Lanzamientos del segundo año (ULA).



Lanzamientos del tercer año (ULA).


Presupuesto de la propuesta (ULA).



12 Comentarios

  1. Una arquitectura interesante… con tantos visos de convertirse en realidad como el viaje a Júpiter en la nave soviética “Leonov” el próximo año. ;-/
    Dejando de lado el aspecto presupuestario de una arquitectura que requiere un número tan elevado de lanzamientos (a pesar de las ventajas de contar con una infraestructura ya en funcionamiento y muy fiable) y sin tomar en cuenta el desarrollo de tecnologías de conservación del combustible y las propias operaciones de trasvase de los propergoles por medio de automatismos, está claro que habría que contar con las sempiternas trabas de la NASA a los proyectos externos.
    De todos modos, no deja de ser alentador que surjan proyectos como éste.
    Por cierto, ¿no existía un proyecto de desarrollo del Delta IV Heavy capaz de poner en LEO 70 toneladas?
    Un artículo estupendo, como siempre.
    Un saludo!

  2. Es importante que USA no renuncie a la luna. Si el programa ACES es un sustituto del programa Constelación, posibemente sea un buen sustituto. Ya que el ISS no durara para siempre, ya que para la decada del 2020, posiblemente termine el funcionamiento de la ISS, y termine en el pacifico como terminó la famosa estación rusa MIR. A parte que puede ser victima de la basura espacial y por que cuesta dinero mantenerla en el espacio, y eso lleva recursos humanos, materiales y económicos. Y es que hay algunos despistados que si desaparecen el ISS, se construya otra igual, pero yo no veo avences importantes en ese programa, ni provecho. En la luna por lo menos, podrán utilizar una base lunar internacional para desarrollar experimentos de nuevos métodos de producción de alimentos y la fabricación de agua que puede servir a la humanidad en la tierra, ante la creciente población mundial.

  3. ¿Y no será mejor que se dediquen a diseñar un módulo lunar reutilizable, por lo menos el módulo de ascenso, o todo si es de una etapa con trasvase de combustible en órbita lunar?
    Ahí va mi propuesta:
    Una estación espacial en órbita lunar de 40T en la que habría dos módulos lunares, uno para operaciones y otro de emergencia.
    La nave “Orion” se acoplaría a la estación espacial lunar. Traería el combustible necesario que trasvasaría al módulo lunar. Se desacoplarían de la estación y aterrizarían en la Luna. Posteriormente ascenderían, se acoplarían a la estación y volverían en la nave Orion sin el módulo de combustible de reposición al Altair.
    La estación espacial estaría habitada permanentemente, y por supuesto se necesitaría un cohete gigante porque sino un viaje Lunar es irrealizable, necesitándose un solo cohete por misión.
    Y si encuentran la dichosa agua en la Luna, la carga de combustible se realizaría en la superficie, con una planta de procesamiento de agua para fabricar H2 y O2 por electrólisis.
    Seguro que es una chorrada, pero más aún me parece esta propuesta de lanzar no-se-cuantos cohetes por misión. Porque como los AtlasV y los Delta IV Heavy son tan baratitos, y como montar toda una estructura de suministro de combustible en L2 y LEO no significa un coste de diseño de ningún tipo, que si se optara por este Proyecto hasta 2050 no se llegaría a la Luna…

  4. Un bonito estudio teórico, pero su implementación real está muy lejos de ser tan “bonita”. Los problemas ya los apuntas tú, pero son bastante graves. Por un lado, se requieren un gran número de lanzamientos y acoplamientos en el espacio, con el riesgo de que el fallo de cualquiera de ellos (y dentro de “fallo” incluyo cualquier retraso significativo, algo que es el día a día de la actividad espacial) puede echar por tierra toda la misión, con la pérdida de todo lo lanzado hasta entonces. Esto está relacionado con la segunda parte, el almacenamiento de propulsantes criogénicos en órbita: la tecnología está muy verde (¡si hasta nos cuesta mantenerlos en la Tierra! Por eso los cohetes se cargan horas antes de los lanzamientos); esos depósitos sólo podrían mantenerse unos pocos días, por lo que cualquier retraso significativo, como comentaba, puede hacer que ya se haya evaporado todo el combustible cuando se llegue allí.

    Por supuesto, no digo que sea imposible, y en general yo siempre soy optimista y estoy convencido de que casi cualquier tecnología puede llegar a dominarse si se invierte tiempo y dinero. En ese sentido, claro que podría llegarse a disponer de almacenamiento de combustibles criogénicos en órbita. Pero para ello habría que empezar a desarrollar y probar esas tecnologías. Es algo a medio-largo plazo, no inmediato. Y con fuertes inversiones de por medio, como cualquier desarrollo.

    No digo que no sea bueno ir por este camino. De hecho, probablemente sería un magnífico camino para el desarrollo futuro de los vuelos interplanetarios. Pero venderlo como una alternativa real e inmediata al problema actual es una falacia, desde mi punto de vista.

    ¡Saludos!

  5. A mi me parece que el problema es “soltar” presupuesto. Si este año o el siguiente la NASA no recibe presupuesto para proyectos mastodónticos va a ser muy dificil recuperarlo más adelante (Irak, reforma sanitaria, etc…).

    Supongo que si se abandona el programa tripulado habrá más recursos para sondas automáticas.

  6. Basta de forzar la tecnología fuera de su ambito natural de aplicación, por favor! Se puede dar la vuelta al mundo en carreta pero eso no es practico ni ayuda a desarrollar nuevas tecnologías… Creo que los cohetes tradicionales tocaron su techo de rendimiento, y es inútil seguir tratando de exprimirles jugo… A la larga, lo único que nos dará acceso al sistema solar son los cohetes nucleares y/o medios de lanzamiento alternativos (Ascensor espacial, catapulta magnetica, lo que sea) Proponer un ares V ya era de por si pensar de manera retrógrada, pero usar lanzadores de potencia media directamente raya el absurdo… Ademas, recuerdo una entrada de este blog “A Marte con el Ares V” donde se criticaba dicha propuesta porque requería 5 lanzamientos para una sola misión… Que queda por decir de esta, que exige DECENAS de lanzamientos!

  7. Totalmente de acuerdo con el último anónimo.
    Salvo por un detalle: como siempre, el problema está en el presupuesto necesario para el adecuado desarrollo de otras opciones a los lanzadores químicos (supeditado a las pertinentes decisiones políticas, of course).
    Los cohetes nucleares no quieren utilizarlos ni para abandonar la órbita, el ascensor espacial es una quimera teniendo en cuenta el desarrollo tecnológico actual, y en cuanto a los lanzadores electromagnéticos… también existen muchas dudas.
    Supongo que para desarrollar un lanzador electromagnético (quizás la opción alternativa mas viable), la cuestión es contar con los fondos suficientes (deberían ser enormes, teniendo en cuenta que diseñar un cohete químico de potencia media cuesta miles de millones de dólares).
    Si continúa creciendo el número de lanzamientos de cohetes químicos al ritmo actual (con excepción de los que utilicen combustibles criogénicos Lox/LH2, que producen vapor de agua como producto de desecho de la combustión), las asociaciones ecologistas acabarán poniendo el grito en el cielo, pues determinados tipos de propelentes generan residuos bastante peligrosos para el medio ambiente.
    De modo que como continúen por la senda de abaratar el acceso al espacio utilizando tecnologías obsoletas, acabaremos viendo lo difícil que se pondrá viajar incluso a la órbita baja…
    ;-/
    Un saludo!

  8. Puede ser que el ascensor espacial y la catapulta magnetica sean inalcanzables dada nuestra capacidad tecnologica actual, pero la propulsion nuclear ciertamente no…
    Nunca voy a entender porque se prohibe detonar artefactos nucleares en el espacio pero se permite tener bombas listas para ser arrojadas sobre una ciudad… curioso no?

  9. xerman: efectivamente, hay un proyecto para hacer una versión pesada del Delta IV, denominada Delta IV HLV. Para desarrollarla, ULA debería tener el apoyo de la NASA, porque ya sabemos que no sería muy rentable en el mercado de comsats actual.

    FoxMulder: hay proyectos que se parecen a tu propuesta de estación espacial en órbita baja. Y algunos de ellos han tenido cierta popularidad en Rusia en los últimos años. El problema de una estación espacial en órbita lunar es que para mandar una nave allí el Delta V requerido es mayor que en el caso de una misión a L2, de ahí la insistencia en los últimos años por usar los puntos de Lagrange como base de operaciones.

    Javier: no sé si será una falacia, pero tienes razón en que esta propuesta está creando unas expectativas que difícilmente podrán ser satisfechas. No sé hasta que punto se trata de un movimiento de ULA para “pillar cacho” presupuestario de la NASA aprovechando la marejada de la Comisión Augustine.

    Un saludo.

  10. ¿No sería más económico usar el peso de cada módulo a enviar a a La Luna, para presionaruna palanca basculante de 2º género que impulsase el módulo a poca velocidad hasta órbita lunar, allí dar la vuelta y moderando la fuerza aplicada a las palancas, descender suavemente sobre la agradable superficie lunar, que como La Luna tiene un sexto de gravedad, y una composición semejante, tiene también una atmósfera de un sexto de la terrestre? Así se ahorrarían cientos de toneladas de combustible, docenas de naves y lanzamientos, muchos años de desarrollo, y podría, por fin empezar la colonización lunar: La Luna, un Nuevo Mundo para La Mujer.

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Por Daniel Marín, publicado el 14 septiembre, 2009
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