Los otros transbordadores espaciales
por Daniel Marín

Durante los inicios de la era espacial, pronto quedó claro que el principal escollo para alcanzar el espacio era el enorme coste que suponía desechar un cohete en cada lanzamiento. Los lanzadores químicos convencionales están fuertemente restringidos por la ecuación de Tsiolkovsky, de ahí que aproximadamente sólo un 5% de la masa inicial de un cohete al despegue corresponda a la carga útil. Para hacernos una idea, viene a ser lo mismo que tirásemos un avión a la basura después de cada vuelo. Obviamente, con esas condiciones, el transporte aéreo nunca hubiese sido rentable.

Así podía haber sido el transbordador espacial de acuerdo con la propuesta más popular de 1970. ¿Habría sido rentable? Difícilmente (En la imagen, la propuesta NAR-130 de North American Rockwell).

Parecía obvio que la solución pasaba por diseñar una nave espacial reutilizable, aunque nadie sabía exactamente cómo. A principios de los años 60 surgieron las primeras propuestas de naves de este tipo, todas ellas muy distintas a la lanzadera que finalmente voló en los años 80. La gran pregunta es: ¿hubiese sido muy distinta la historia de los transbordadores con otro diseño?

Empecemos por lo básico, ¿cómo construir una nave reutilizable? Los cohetes convencionales están formados por varias etapas desechables, así que lo más lógico es emplear una sola etapa para alcanzar la órbita baja. Este concepto se conoce como de Una Sola Etapa a la Órbita, o SSTO (Single Stage To Orbit). El problema, una vez más, es la ecuación de Tsiolkovsky. Un vehículo SSTO con propulsión química debería ser inmenso y muy poco eficiente, así que desde un primer momento se estudiaron propuestas con tanques de combustible desechables o, mejor aún, con un mínimo de dos etapas, lo que se conoce como TSTO (Two Stage To Orbit).

Astrorocket, de la empresa Martin, un diseño TSTO de 1963 con dos naves dotadas de alas delta y propulsores aerospike (Lockheed-Martin).

La siguiente cuestión es elegir el aspecto que deben tener estas etapas. Y lo lógico es darle forma de avión. No en vano, la industria aeronáutica se había convertido en el paradigma de la rentabilización de diseños complejos. Además, todas las empresas que trabajaban en el programa espacial habían tenido o tenían importantes vínculos con la aviación, así que es normal que sus ingenieros pensasen en términos de naves aladas. Durante los años 60 surgieron en los EEUU muchas propuestas de vehículos TSTO. En algunas de ellas, la primera etapa debía estar formada por un avión hipersónico sobre el que viajaría el avión orbital u orbitador, propulsado bien por motores propios o bien por una etapa desechable adicional.

Sin embargo, los diseños de despegue en horizontal con primeras etapas hipersónicas presentaban un grave inconveniente, y es que la carga útil debía ser muy pequeña. A no ser, claro está, que construyésemos un avión hipersónico más grande que un Boeing 747 (y recordemos que por esa época ni siquiera existía un avión convencional de ese tamaño). Puesto que el objetivo del transbordador debía ser abaratar el transporte hasta la órbita baja, todo el mundo parecía estar de acuerdo en que el aparato debería tener cierta capacidad de carga, así que las propuestas se centraron en diseños TSTO de despegue vertical.

Una propuesta de orbitador con forma de cuerpo sustentador, en este caso, similar al HL-10.

Pero claro, si queremos que el orbitador sea capaz de llevar una carga decente, difícilmente podremos usar una primera etapa formada por un cohete convencional (reutilizable o no). Como resultado, no es de extrañar que los diseños de transbordador TSTO contemplasen el uso de dos naves aladas unidas entre sí. No obstante, semejante concepto planteaba varios inconvenientes. El más importante es el tamaño de las naves. Si vamos a usar los combustibles químicos más eficientes que existen para maximizar la carga útil -y más nos vale hacerlo-, nos vemos obligados a emplear propergoles criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos). Pero, debido a su baja densidad, el hidrógeno ocupa un gran volumen, así que al final nos quedamos con una nave enorme (especialmente la primera etapa). Ligera (el hidrógeno es poco pesado), pero enorme.

Otro problema tiene que ver con las alas. Casi todos los conceptos preveían emplear alas delta en ambas etapas, una excelente opción para un enorme rango de velocidades y algo que resulta fundamental para un vehículo orbital. Pero el caso es que una nave espacial no necesita “volar” en el espacio, así que las alas sólo son útiles durante la reentrada y el aterrizaje. Durante el resto del trayecto, son un simple peso muerto que el orbitador se ve obligado a arrastrar consigo. Una forma de evitar este lastre era dotar al orbitador de una forma de cuerpo sustentador, un diseño muy de moda a principios de los años 60. Una nave espacial con esta forma tendría una velocidad al aterrizaje muy elevada (y peligrosa), pero su masa sería menor.

Un concepto que intentaba solucionar estos dos inconvenientes al mismo tiempo fue el Starclipper de la empresa Lockheed. Propuesto en 1966, era un cuerpo sustentador con tanques externos desechables que debía despegar en horizontal y que además contaba con una carga útil de unas 11 toneladas. El Starclipper no salió adelante, pero alcanzó una enorme popularidad a finales de la década.

Starclipper de Lockheed.

Las cosas se pusieron serias en 1967 y 1968, cuando la fuerza aérea norteamericana (USAF) inició una serie de estudios de naves reutilizables dentro del programa ILRV (Integral Launch and Reentry Vehicle). El programa ILRV dio a luz propuestas muy interesantes que intentaban paliar las deficiencias de un diseño TSTO “clásico”. Por ejemplo, para reducir el tamaño de la primera etapa se sugirió dividir esta fase en dos naves de menor tamaño. De este modo, el transbordador estaría formado por tres vehículos distintos. Este concepto recibió el explícito nombre de Triamese y fue estudiado muy seriamente por varias compañías, en especial por General Dynamics. Por supuesto, la complejidad adicional de introducir otro vehículo añadido no ayudó a popularizar la idea. Triamese incluía además alas rectas plegables para reducir las cargas aerodinámicas durante el lanzamiento.

Concepto Triamese de General Dynamics.

Uno de los Triamese aterrizando. Nótese los reactores en el morro y las alas plegables.

Propuesta de McDonnell-Douglas para el programa ILRV con tanques externos desechables y alas plegables.

En 1969, coincidiendo con el alunizaje del Apolo 11, la NASA tomaría el relevo del programa ILRV de la USAF al proponer formalmente el desarrollo de la lanzadera espacial (space shuttle) para sustituir a los complejos y caros cohetes convencionales. Durante esta primera etapa de estudio (Fase A), varias empresas propusieron diseños TSTO muy similares a los ya conocidos por entonces, aunque con interesantes modificaciones. De entrada, casi todas las propuestas incorporaban grandes y pesadas alas para contentar así a los militares. La USAF se había comprometido a colaborar con la NASA en el programa del transbordador a cambio de que el diseño final pudiese planear casi 2000 kilómetros en perpendicular durante la reentrada (crossrange) para aterrizar en la Base Aérea de Vandenberg después de una sola órbita. Este requisito requería el uso de enormes alas, a lo que había que sumar el deseo del Pentágono de disponer de una bodega de carga de gran tamaño para transportar la nueva generación de satélites espías. 

Propuesta de shuttle TSTO de McDonnell-Douglas de 1969 con un orbitador dotado de alas plegables.

El orbitador de McDonnell-Douglas de 1969.

Sin embargo, la propuesta más llamativa vendría de la mano de North American Rockwell y su DC-3. El DC-3 era un transbordador TSTO que seguía las directrices de diseño de la NASA apuntadas por Max Faget, el creador de la cápsula Mercury. Faget no hizo caso a los militares e introdujo en su diseño alas rectas para ambos vehículos. El DC-3 no tenía el alcance de los modelos con alas en delta, pero alcanzaba menores temperaturas durante la reeentrada y, al mismo tiempo, permitía aterrizar a poca velocidad.

El orbitador del DC-3 se separa a 70 km de altura y 3,29 km/s según la propuesta de North American de 1969.

El orbitador con alas en delta de McDonnell-Douglas.

La primera fase de la propuesta de McDonnell-Douglas.

Todos los diseños de la Fase A requerían que el orbitador se separase de la primera etapa a gran altura y a gran velocidad. De este modo se minimizaba el tamaño del orbitador, la parte más compleja y cara del sistema. A cambio, la primera etapa era un gigantesco vehículo que también debía incorporar un escudo térmico para soportar las altas temperaturas generadas por la fricción atmosférica. Y ahí estaba precisamente el talón de Aquiles de la lanzadera. A principios de los años 60, la mayor parte de compañías habían decidido usar algún tipo de escudo térmico basado en exóticas aleaciones metálicas, pero la complejidad de este sistema aumentó exponencialmente cuando los militares impusieron el requisito del crossrange. Sólo los diseños con alas en delta eran capaces de llevar a cabo esta maniobra, pero su uso implicaba un aumento de las temperaturas durante la reentrada. De ahí que el diseño de Faget ganase popularidad pese a no seguir los criterios de la USAF. A finales de 1969, casi todas las compañías habían decidido utilizar materiales cerámicos en sus diseños “por si acaso”, al ser más resistentes a las altas temperaturas comparados con las aleaciones metálicas.

El NAR-130 despegando.

Detalles del NAR-130.

El orbitador de alas rectas NAR-130 durante la reentrada.

Compleja y delicada maniobra de regreso a la base de la primera etapa del NAR-130.

El aterrizaje de la primera etapa en Puerto Rico hubiese permitido simplificar las maniobras de regreso, a costa de emplear órbitas muy inclinadas.

Distintos escudos térmicos metálicos estudiados durante el programa antes de decantarse por los materiales cerámicos.

En mayo 1970 la NASA dio comienzo a la Fase B del programa del transbordador seleccionando dos diseños, uno de North American Rockwell y otro de McDonnell-Douglas. El diseño de North American era una variante del DC-3 de Faget con alas rectas, ahora denominado NAR-130. Por su parte, McDonnell-Douglas propuso un orbitador con alas delta siguiendo los dictados de la USAF. En 1971 el diseño en alas rectas de Faget sería descartado para siempre y North American contraatacaría con un transbordador TSTO dotado de alas delta en sus dos etapas. En realidad, para entonces nadie dentro de la NASA creía que el diseño de Faget se pudiese construir.

Diseño del shuttle con alas delta de North American Rockwell de 1971. Se aprecian los reactores en el orbitador para minimizar la velocidad de aterrizaje.

El orbitador de North American de la Fase B.

La primera fase de la propuesta de North American era un gigantesco vehículo hipersónico.

También se estudiaron otras configuraciones TSTO, como es el caso de esta propuesta de Grumman y Boeing con vehículos con alas en forma de flecha.

Lockheed siguió estudiando diseños similares al Starclipper hasta principios de los 70.

Otro concepto de Lockheed con alas en delta de finales de 1971.

Concepto “triamés” de Lockheed.

Pese a los progresos, el principal escollo del transbordador seguía siendo una primera etapa que resultaba demasiado grande a todos los efectos. Porque, para complicar el asunto del escudo térmico, la primera etapa debía regresar a la base de lanzamiento para aterrizar como un avión convencional. Esto implicaba que el vehículo debía dar un giro de 180º en plena trayectoria suborbital, una maniobra que podía partir fácilmente la nave en dos a no ser que su estructura se reforzase considerablemente (aumentando su peso y reduciendo sus prestaciones), por no hablar del alto riesgo de perder a la tripulación en un accidente.

Para finales de 1971 estaba claro que el diseño TSTO era insostenible, a no ser que el gobierno aumentase significativamente el presupuesto de la NASA para buscar nuevas tecnologías que solucionasen estos problemas. Pero si algo no tenía la agencia norteamericana en esos momentos era dinero. La administración Nixon amenazaba con eliminar todo el programa espacial tripulado de un plumazo, así que a la agencia no le quedó más remedio que abandonar el sueño de la reutilización total. Las nuevas propuestas de los contratistas incluyeron entonces una primera etapa desechable y tanques externos para el orbitador, lo que permitía reducir su masa y tamaño.

Propuesta de 1971 con una primera etapa desechable. 

Posibles primeras etapas para el shuttle.

Las ventajas de incluir tanques externos de combustible queda patente en esta imagen.

El diseño evolucionaría hasta que en 1972 se presentó la configuración final del shuttle de la mano de la empresa Rockwell, con sus ya familiares cohetes de combustible sólido. En realidad, se trataba de la opción más barata que permitía el magro presupuesto de la agencia.

Concretando el diseño final en 1971 con cohetes acelerados desechables y un tanque externo.

Propuesta final del shuttle en 1972.

Pero no pudo ser. El sistema nunca fue rentable. Desde que el accidente del Challenger demostró en 1986 que el shuttle era un fracaso económico, los partidarios de las naves reutilizables han reiterado que el diseño final del transbordador era poco eficiente. Si se hubiese seleccionado uno de los diseños de la Fase A o Fase B de finales de los 60 -proponen los defensores-, la lanzadera habría sido un éxito. Pero, como hemos visto, esto es difícilmente creíble. El concepto TSTO presentaba una serie de problemas gigantescos, entre ellos la seguridad, y hoy en día nadie cree que se pueda crear una nave así con la tecnología actual que sea al mismo tiempo rentable.

Así pues, ¿son acaso las naves tripuladas totalmente reutilizables una quimera? Puede, aunque existe una propuesta de finales de los años 80 que podría haber revolucionado el panorama de la exploración tripulada. Hablamos del Shuttle II, un diseño TSTO que solucionaba la mayor parte de inconvenientes de la lanzadera y que fue sopesado seriamente por la NASA antes de la caída de la URSS.

Desgraciadamente, no creo que veamos una nave como el Shuttle II -ni ninguna otra parecida- en muchos, muchos años. 

El Shuttle II, ¿la última esperanza de las naves tripuladas reutilizables?

Fuente: danielmarin.naukas.com