Una breve historia de los cohetes de aterrizaje vertical

Por Daniel Marín, el 24 diciembre, 2015. Categoría(s): Astronáutica • Cohetes • Comercial • NASA • SpaceX ✎ 47

Desde el inicio de la era espacial la reutilización de los elementos de un vehículo espacial se vio como una necesidad para reducir el enorme coste de las misiones. De hecho, en un principio se pensaba que la forma más natural de regresar del espacio era aterrizar verticalmente en el mismo cohete con el que se había despegado (no hay más que ver obras como la icónica Tintín en la Luna, de 1953). Pero la realidad de la ecuación de Tsiolkovsky hizo que estos sueños se desechasen en favor de los lanzadores con etapas desechables, más eficientes y sencillos de construir. Por otro lado, la tecnología de los años 50 hacía simplemente imposible hacer aterrizar de forma automática las primeras etapas de un cohete a no ser que estuviesen tripuladas, e incluso así era un desafío mayúsculo. No es de extrañar que los primeros proyectos de reutilizar elementos de lanzadores espaciales pasasen por usar simples paracaídas o emplear vehículos alados que pudiesen aprovechar la atmósfera para regresar a casa.

El cohete nuclear de Tintín en la Luna, un ejemplo de sistema SSTO/VTOVL.
El cohete nuclear de Tintín en la Luna, un clásico ejemplo de cómo debía ser un sistema SSTO/VTOVL.

A pesar de todo, en los años 60 aparecieron los primeros proyectos de sistemas de lanzamiento orbital reutilizables de aterrizaje vertical. Los más famosos serían sin duda los conceptos creados por Phil Bono, de la Douglas Space and Missiles Company. Bono ideó una serie de naves capaces de alcanzar la órbita mediante una sola etapa -es decir, sistemas SSTO (Single Stage To Orbit)- y de despegar y aterrizar verticalmente -VTOVL (Vertical Take Off and Vertical Landing)-. El número de sistemas VTOVL/SSTO concebidos por Bono fue apabullante. Uno de los primeros proyectos fue ROOST (One-stage Orbital Space Truck), del que derivaron otros sistemas más ambiciosos y famosos como ROMBUS (Reusable Orbital Module Booster and Utility Shuttle), Ithacus, Hyperion o Pegasus.

Bono junto a una maqueta del sistema de lanzamiento SSTO/VTOVL Rombus.
Bono junto a una maqueta del sistema de lanzamiento SSTO/VTOVL Rombus.
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Otro diseño de ROMBUS (Wikipedia).

Todos ellos tenían en común el empleo de tanques de combustible externos para reducir las exigencias del sistema y sus potenciales aplicaciones militares (sin ir más lejos, Ithacus debía servir como un transporte de tropas suborbital). La mayoría usaban motores dispuestos en círculo alrededor de un cono central, un concepto conocido como aerospike que permite sacar el máximo rendimiento de los motores a cualquier altura. Además se trataba de sistemas realmente gigantescos: algunas versiones eran capaces de poner en órbita baja más de 450 toneladas. Por supuesto, Bono no sería el único en idear sistemas VTOVL. El famoso ingeniero de origen alemán Krafft Ehricke, de General Dynamics, concibió por la misma época Nexus, un inmenso cohete de 121 metros de altura capaz de lanzar 900 toneladas (!) de carga útil.

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Sistema VTOVL suborbital Ithacus para transporte de tropas.
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Ithacus aterrizando en zona de guerra. Los soldados saldrían por rampas y usando jetpacks (!) (era otra época).
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Sistema de transporte intercontinental VTOVL Pegasus.
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El inmenso cohete Nexus de Ehricke.

 

A partir de 1965 Boeing propuso unos ambiciosos sistemas de lanzamiento pesado de tipo VTOL denominados genéricamente como MLLV (Multipurpose Large Launch Vehicle) y AMLLV (Advanced Multipurpose Large Launch Vehicle), probablemente los sistemas de lanzamiento más bestiales jamás concebidos, con una capacidad en órbita baja comprendida entre las 900 y las 1800 toneladas (!!). El objetivo de estos colosos sería poner en órbita los elementos de estaciones orbitales de energía solar (SPS) que allá por 1970 parecían ser la panacea para resolver los problemas energéticos de la humanidad. Por su parte, Martin Marietta propondría RENOVA, un sistema VTOVL que emplearía ramjets para reducir la masa inicial al lanzamiento.

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Uno de los sistemas gigantes SSTO/VTOVL de Boeing propuestos para poner en órbita estaciones de energía solar (Boeing).

Otro proyecto reutilizable de aterrizaje vertical de Bono fue SASSTO (Saturn Application Single-Stage-To-Orbit), un concepto -o más bien serie de conceptos- más pequeños y realistas que hacían uso de la tecnología de la etapa superior S-IVB del Saturno V (construida por Douglas, la empresa de Bono). SASSTO serviría de inspiración para muchos otros proyectos de los años 70 y 80, entre los que habría que destacar BETA, Phoenix y SERV. Los vehículos de la serie Phoenix, algunos de ellos tripulados, empleaban combustibles criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos) para aumentar las prestaciones del sistema, por lo que hacían uso de motores RL-10 de la etapa Centaur o J-2 del Saturno V. Por su parte, SERV (Single-stage Earth-Orbital Reusable Vehicle) era una diseño de Charles Tharratt, de la empresa Chrysler Corporation. SERV formó parte de un estudio financiado por la NASA para buscar alternativas al transbordador espacial. Empleaba motores en aerospike y tenía una característica forma achatada que le hacía parecer más una cápsula Apolo que un cohete.

Sistema SERV.
Sistema de lanzamiento SERV.

En 1972 nació el el ATV (Aerospace Test Vehicle, posteriormente rebautizado como Aerospike Test Vehicle) del Centro Marshall de la NASA. Este lanzador, obra del ingeniero George Detko, parecido a Phoenix, era mucho más pequeño -y, por lo tanto, práctico- y también hacía uso de combustibles criogénicos y aerospike. Precisamente, a mediados de los años 80 el concepto Phoenix volvió a renacer, esta vez haciendo uso de motores criogénicos con aerospike.

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Sistema Phoenix.
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Cohete ATV (Aerospike Test Vehicle).
Sistema Phoenix.
Sistema Phoenix de mediado de los años 80.

Todos estos proyectos jamás vieron la luz, principalmente por ser demasiado ambiciosos y caros. Además, estaba claro que la tecnología de la época hacía tremendamente complejo los sistemas retulizables de aterrizaje vertical, de ahí que la mayoría de diseños prefiriesen el aterrizaje horizontal, más tradicional. Pero en los años 90 aparecieron las primeras fisuras en la visión tradicional de la reutilización en sistemas espaciales. Tras el fracaso del transbordador espacial a la hora de reducir el coste del acceso al espacio, la opinión dominante era que los cohetes del futuro debían ser más reutilizables que el transbordador espacial y al mismo tiempo ser más simples. ¿Y cómo hacer realidad estos dos requisitos contradictorios? Pues, precisamente, usando tecnologías SSTO y VTOVL.

El que sería el primer proyecto real para desarrollar un cohete orbital reutilizable capaz de aterrizar verticalmente fue el DC-X Delta Clipper de McDonnell Douglas. El proyecto nació en 1991 cuando la Oficina de la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDIO), más conocida como Star Wars, decidió otorgar a McDonnell Douglas un contrato de 58,9 millones de dólares para crear un vehículo de una sola etapa totalmente reutilizable capaz de situar en órbita pequeñas cargas militares de forma rutinaria (recordemos que por entonces la Unión Soviética aún no había desaparecido).

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El Delta Clipper (Boeing).

Delta Clipper tenía que ser un cohete de 38,7 metros de alto y una masa de unas 35 toneladas en seco capaz de cargar hasta 425 toneladas de hidrógeno y oxígeno líquidos. El cohete usaría entre 10 y 12 motores dispuestos en anillo alrededor de un cono central siguiendo el sistema aerospike. Como ocurre con todos los sistemas SSTO, la capacidad de carga en órbita baja sería modesta, del orden de diez toneladas solamente. Un simple vistazo a su diseño es suficiente para darse cuenta de que el Delta Clipper era heredero directo de proyectos anteriores como el Phoenix o el ATV. De hecho, el Delta Clipper no nació de la nada, sino que era una continuación del proyecto SSX (Spaceship Experimental) de Maxwell White Hunter, propuesto a finales de los años 80 tras el desastre del Challenger.

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Aplicaciones orbitales del Delta Clipper.

Una novedad importante respecto a conceptos anteriores es que la nave no reentraría en la atmósfera con la base por delante, sino con el morro, para usar así su forma como si fuera un cuerpo sustentador con el fin de maniobrar durante el regreso. Solo cuando la nave hubiese descendido hasta los seis kilómetros de altura aproximadamente se colocaría otra vez en posición vertical de cara al aterrizaje. Es decir, el Delta Clipper no solo sería un cohete capaz de aterrizar verticalmente, ¡sino que también podría volar! McDonnell Douglas llegó a planear misiones tripuladas usando módulos específicos para los astronautas.

El Delta Clipper era un vehículo muy ambicioso para la época, así que la empresa decidió construir primero un prototipo denominado DC-X -en honor al famoso avión DC-3- con un tercio del tamaño del vehículo final. Con unas dimensiones de 14 x 4,1 metros y una masa de 16,3 toneladas, el DC-X usaría cuatro motores criogénicos RL-10A-4 modificados (RL-10A-5), como sistema de propulsión. Su objetivo sería probar las tecnologías asociadas con el aterrizaje vertical para concretar el diseño final del Delta Clipper. Algunas de ellas, como era el caso de los tanques de hidrógeno hechos de materiales compuestos, resultaron ser tremendamente más complejas de lo previsto.

El DC-X durante su primer vuelo (Boeing).
El DC-X durante su primer vuelo (Boeing).

El DC-X volaría tres veces entre agosto y septiembre de 1993 desde la base de White Sands, alcanzando una altura máxima de 870 metros, pero las pruebas fueron canceladas por falta de presupuesto (lógico, pues la Guerra Fría ya había terminado). Tras volver a recibir financiación, entre 1994 y 1995 el prototipo realizaría cinco vuelos más, algunos de ellos bastante accidentados, probando por primera vez que era posible aterrizar verticalmente un cohete tras despegar como en los cómics de Flash Gordon. En 1995 la NASA se hizo cargo de la financiación del proyecto y nació de esta forma el DC-XA (Clipper Advanced/Clipper Graham), que incorporaba mejoras al diseño original, incluyendo un tanque de oxígeno líquido suministrado por la empresa rusa RKK Energía. Lamentablemente, solo realizaría tres vuelos. Tras dos pruebas iniciales en las que superó los tres kilómetros de altura, el 31 de julio de 1996 el prototipo resultó destruido al caer de costado y explotar después de que no se desplegase una de las patas del tren de aterrizaje (uno de los puntos débiles de todo sistema VTOVL).

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Primer aterrizaje del DC-XA (NASA).

Vídeo de uno de los vuelos del DC-XA:

El sucesor de esta intrépida nave, denominado DC-X2, no salió adelante, como tampoco lo hizo el DC-Y, un verdadero sistema de lanzamiento orbital que sería el paso previo antes de la construcción del Delta Clipper operativo. Una variante del Delta Clipper fue presentada al concurso de la NASA organizado con el fin de elegir un diseño para el proyecto de nave SSTO X-33, pero fue rechazada a favor de la propuesta de Lockheed Martin, un vehículo con alas más tradicional (que tampoco salió adelante).

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Propuesta de McDonnell Douglas para el X-33 basada en el Delta Clipper (NASA).

El DC-X/Delta Clipper sirvió para demostrar que un cohete podía aterrizar de forma vertical como en las películas de ciencia ficción, pero poco más. Los sistemas SSTO habían pasado de moda a finales de los años 90, principalmente por culpa de los enormes desafíos técnicos para hacerlos realidad y su limitada capacidad de carga (el mercado estaba en la órbita geoestacionaria, no en la órbita baja). No obstante, hubo un último intento, bastante extravagante denominado Roton. Esta extraña criatura creada por Gary Hudson y Bevin McKinney, de la empresa Rotary Rocket, era un sistema SSTO/VTOVL que recordaba al Delta Clipper, pero en vez de aterrizar usando sus motores empleaba aspas de helicóptero. Esta idea, que puede parecer loca, ha sido sugerida varias veces a lo largo de la historia de la exploración espacial (sin ir más lejos, Serguéi Koroliov propuso algo similar para hacer aterrizar la nave Vostok de forma segura). Aunque llegó a construirse un prototipo, el ATV (Atmospheric Test Vehicle), que voló hasta los 23 metros de altura, Rotary Rocket desapareció en 2001 al no encontrar financiación y Roton no volvió a levantar el vuelo.

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Prototipo del ROTON en acción (Rotary Rocket).

Vídeo del ROTON:

Más recientemente, la empresa Armadillo Aerospace de John Carmack desarrolló entre 2006 y 2009 los pequeños cohetes VTOVL Pixel y Mod de cara a una misión lunar dentro del marco del Ansari X-Prize que nunca llegó a concretarse. En 2011 Armadillo crearía el Super Mod a partir de estos prototipos. Los diminutos cohetes de Armadillo han sido concebidos para misiones en cuerpos sin atmósfera como en la Luna más que para lanzamientos terrestres.

Cohete Pixel de Armadillo Aerospace (Armadillo Aerospace).
Cohete Pixel de Armadillo Aerospace (Armadillo Aerospace).

Vídeo de un vuelo de Pixel:

Y así llegamos a la actualidad, dominada por los intentos de las empresas SpaceX y Blue Origin por crear un sistema de lanzamiento de aterrizaje vertical. Atrás quedan los intentos de desarrollar un vector SSTO. Ahora el objetivo es crear una primera etapa reutilizable para abaratar los costes operacionales (que se pueda conseguir es otra historia). Como ya sabemos, SpaceX ha intentado desde un primer momento recuperar las primeras etapas de lanzadores Falcon 9 en misiones orbitales, mientras que Blue Origin se ha decantado por comenzar con vuelos suborbitales para turistas espaciales.

Además de probar la recuperación de la primera etapa en vuelos orbitales convencionales, SpaceX ha puesto a prueba la tecnología de aterrizaje vertical mediante los vuelos de los prototipos Grasshopper 1 y 2, durante los cuales se llegó a alcanzar un kilómetro de altura.

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Prototipo Grasshopper 2 (SpaceX).

Vídeo de uno de los vuelos del Grasshopper 2:

Vídeo del primer intento de amerizaje de la primera etapa del Falcon 9 en julio de 2014 (no se intentó recuperarla):

Vídeo del intento fallido del aterrizaje de la primera etapa del Falcon 9 de la misión CRS-5:

https://youtu.be/4Z7EXf2Sr7k

El 23 de noviembre de 2015 la empresa Blue Origin se convirtió en la primera en lograr hacer aterrizar verticalmente un cohete en una misión espacial que superó los cien kilómetros de altura, a pesar de que se trató de una trayectoria suborbital. El lanzador New Shepard, de una sola etapa, consiguió posarse usando un motor criogénico BE-3. Finalmente, el 22 de diciembre, apenas un mes más tarde, la primera etapa de un Falcon 9 FT de SpaceX logró aterrizar en una rampa situada en Cabo Cañaveral en el transcurso de una misión orbital (aunque la trayectoria de la etapa también fue suborbital, la Delta-V de las maniobras fue muy superior a las del New Shepard de Blue Origin).

El cohete New Shepherd tras el aterrizaje (Blue Origin).
El cohete New Shepherd tras el aterrizaje (Blue Origin).

Primer aterrizaje vertical del cohete New Shepard de Blue Origin:

Aterrizaje de la etapa (SpaceX).
Aterrizaje de la primera etapa del Falcon 9 durante la misión ORBCOMM-2 (SpaceX).

Vídeo del primer aterrizaje de la primera etapa del Falcon 9:

Y así se abre una nueva etapa en la que el aterrizaje vertical de un cohete lanzado en una misión real ya no es algo propio de un relato de ciencia ficción. El futuro determinará si se trata de una mera anécdota en la historia de la exploración espacial o estamos ante el inicio de una nueva era.

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La etapa del Falcon 9 tras el aterrizaje (SpaceX).

 

Referencias:

  • http://www.spacefuture.com/archive/history_of_the_phoenix_vtol_ssto_and_recent_developments_in_single_stage_launch_systems.shtml
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Douglas_SASSTO


47 Comentarios

  1. El Delta Clipper cautivo mucho mi imaginación. Una vez tuve una loca idea al respecto: lanzar un Shuttle directo a la Luna mediante una fase de propulsión puesta en orbita para ello. Luego de entrar en orbita lunar, un Delta Clipper saldría de la Bodega de Carga del Shuttle para alunizar. Posteriormente, este despegaría al encuentro del Shuttle para ser guardado de nuevo en la Bodega de Carga, encender los Motores Principales y volver a la Tierra con este. ¿Que les parece la idea?

  2. Algo curioso del prototipo del DCX-A es que quien estaba al mando de los controles a distancia del vehiculo era nada menos que Charles Pete Conrad, ex astronauta del Gemini y Apolo. Veterano en hacer descender naves verticales, sobretodo el Modulo Lunar «Intrepid» del Apolo 12

    1. Coño, pues eso no me sonaba de nada. ¿Estamos seguros? (Léase: las referencias son bienvenidas). Hubiera jurado que era automático, un piloto humano malgastaría MUCHO combustible comparado con un ordenador… claro que explicaría los aterrizajes violentos que tuvo el modelo de pruebas.

  3. Buena entrada pero me quedo con ganas de que Daniel se moje más, en el sentido de si ve viable este tipo de sistemas, economica y técnicamente.

    Solo muestra, no valora.

    1. Es fácil mojarse: los sistemas reutilizables son rentables con una elevada tasa de lanzamientos (por encima de 10-20 al año). ¿Logrará SpaceX tener suficientes clientes como para hacer rentable este sistema? Ah, esa es la gran pregunta. Y no sé la respuesta.

  4. Añadiendo a la primera etapa motores sabre, laterales exteriores o algo que consuma oxígeno del aire en buena parte del trayecto ¿se reduciría mucho la masa, requerimientos y consumo de oxidante y por tanto de combustible?

    O sería igualmente poco rentable además del costo de todos esos añadidos, mantenimiento y su peso?

  5. Una vez lancé la pregunta sin tener respuesta, espero ahora si tenga alguna.
    ¿Por que no usar grandes paracaidas para frenar la caida y luego usar solo los motores para equilibrio y reposo suave en el suelo?

    Saludos..!!!

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Por Daniel Marín, publicado el 24 diciembre, 2015
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