El Rey de los Lanzadores de Satélites Pequeños – Una Comparación

Artículo original del 28 de mayo de 2021, por Trevor Sesnic para el sitio Everyday Astronaut.
Traducción del 9 de septiembre de 2021, por Juan Ignacio Morales Volosín.

Recuerda: puedes ir a las notas(?) del autor usando el índice en la columna de la derecha.


Intro


Debido al avance tecnológico en las décadas recientes, los productores han sido capaces de disminuir drásticamente el tamaño de la electrónica. Esto ha permitido que los satélites disminuyan su tamaño, causando que explotara el mercado de los satélites pequeños («small sats», en inglés). Para lanzar estos satélites, varias compañías han estado creando cohetes más pequeños y baratos. A estos cohetes se los llama lanzadores de satélites pequeños.

Los lanzadores de satélites pequeños tienen una cantidad de ventajas. Primeramente, pueden lanzar satélites pequeños en su propio cohete dedicado (o en un vuelo compartido chico), en lugar de en una misión de vuelo compartido con cientos de satélites, permitiendo al cliente ir a una órbita más deseada. Lo que es más, debido al menor tamaño, estos cohetes son inherentemente más baratos; no tiene sentido pagar por el rendimiento extra de un vehículo de lanzamiento de carga mediana o pesada, para un satélite pequeño.

Mientras más y más equipos son desarrollados y enviados a la plataforma, es hora de ver cómo se comparan los lanzadores de satélites pequeños. Este artículo abarcará al Alpha de Firefly, al LauncherOne de Virgin Orbit, al Rocket 3 de Astra, al Terran 1 de Relativity Space, al RS-1 de ABL y al Electron de Rocket Lab. Adicionalmente, se incluye al Falcon 1 y al Falcon 9 para comparación.

Esto no es de ninguna manera una lista completa de lanzadores de satélites pequeños, sólo lanzadores que están avanzados en su desarrollo.

¿Qué es un lanzador de satélites pequeño?


Un lanzador de satélites pequeño, más precisamente un vehículo lanzador de carga liviana, es una clase de cohete. Esta clase de cohete puede llevar hasta 2.000 kg a una órbita terrestre baja (OTB). Entre 2.000 kg y 20.000 kg a OTB es un vehículo lanzador de carga media, como el Soyuz, el Proton y el Falcon 9 recuperable. Entre 20.000 kg y 50.000 kg es un vehículo lanzador de carga pesada, como el Falcon 9 desechable o el Delta IV Heavy. Finalmente, cualquier vehículo que pueda lanzar por encima de 50.000 kg es un vehículo lanzador de carga súper pesada, como la Starship de SpaceX o el Saturn V.

Con el incremento en satélites pequeños, hay más demanda por estos vehículos lanzadores de carga liviana, menos capaces. Usar un cohete de más capacidad sería un exceso aun si el precio teórico por costo de kilogramo es más barato en un cohete más grande: para un satélite pequeño de 200 kg, un lanzador pequeño de satélites de USD 5 millones es más barato que un vuelo dedicado de USD 50 millones de un Falcon 9.

Los vuelos compartidos se están volviendo rutina cada vez más con las misiones dedicadas de vuelo compartido de Space Flight Inc. y SpaceX. Sin embargo, esto limita a un satélite pequeño a un conjunto limitado de órbitas.

Cohetes en Desarrollo

Hay varios lanzadores de satélites pequeños venideros que no están suficientemente avanzados en su desarrollo para ser incluídos en la comparación. Sin embargo, vale la pena mencionarlos debido a aspectos únicos y el futuro de cada uno.

Prime

Primero está el cohete Prime de Orbex. El Prime está usando un diseño único de tanque coaxial, lo que significa que el tanque de combustible, propano líquido, está almacenado dentro del tanque de oxígeno líquido. Esto disminuye el número de mamparos y aísla el combustible. Orbex espera hacer recuperable la primera etapa del Prime, pero se conoce muy poco sobre este vehículo.

Skyrora XL

El segundo es el lanzador de carga liviana de Skyrora, Skyrora XL. También usará tanques coaxiales. Sin embargo, a diferencia del Prime, los motores quemarán peróxido de hidrógeno de alta concentración y RP-1 en un ciclo cerrado. El cohete usará un monopropelente para accionar la bomba, como el RD-107 y el RD-108 en el Soyuz. Sin embargo, a diferencia del Soyuz, el monopropelente que pasa por las bombas será redireccionado hacia la cámara de combustión.

Rocket-1

El Rocket-1 de Launcher utilizará un motor de ciclo cerrado rico en oxígeno alimentado con ‘querolox’(1). Este será el primer motor estadounidense de su clase, siendo el único otro motor de combustión escalonada rico en oxígeno el BE-4 de Blue Origin. El motor puede alcanzar los 365 s de impulso específico en vacío, lo cual se acerca al límite teórico para el RP-1.

Lanzadores de Satélites Pequeños


Electron

A la fecha de publicación, el cohete Electron de Rocket Lab es el único lanzador de satélites pequeño operacional en esta lista. El Electron voló por primera vez en 2017, en la misión «It’s a Test» (Es una Prueba), que acabó con la terminación del vehículo luego de una falla en el sistema de comunicación de tierra. Sin embargo, menos de un año más tarde, el 21 de enero de 2018, el Electron llegó exitosamente a órbita por primera vez.

Despegue del Electron durante la misión «As The Crow Flies»
Despegue del Electron durante la misión «As The Crow Flies» (Como Vuela el Cuervo) (créditos: Sam Toms y Simon Moffatt/Rocket Lab)

Características Únicas

El Electron tiene un montón de novedades y características únicas. Primero y principal, el cuerpo del Electron está hecho en compuestos de carbono sin revestimiento interno. Esto hace a los tanques livianos y fuertes. Otra parte única del Electron es su motor: el Rutherford. Este es un motor a ‘querolox’ de ciclo alimentado por bombas eléctricas. Esto significa que, a su vez, usa motores eléctricos para accionar las turbinas, en lugar de tener un prequemador o generador de gases, reduciendo significativamente la complejidad del motor. Lo que es más, como el motor es bastante pequeño, con nueve Rutherfords en la primera etapa y uno en la segunda, es posible imprimirlo enteramente en 3D. Esto reduce costos y disminuye el tiempo de manufactura.

Actualmente, el Electron se lanza desde el Complejo de Lanzamiento 1A (LC-1A, siglas en inglés) en la Península Mahia, Nueva Zelanda. Sin embargo, Rocket Lab tiene dos plataformas más por entrar en operación. Un par de cientos de metros a la derecha del LC-1A, Rocket Lab está construyendo una segunda plataforma de lanzamiento, LC-1B. Similarmente a SpaceX usando SLC-40 y LC-39A en el Cabo, Rocket Lab usará ambas plataformas para incrementar la cadencia de vuelo. Finalmente, Rocket Lab también está construyendo la Plataforma 0C de MARS en Wallops, Virginia, EEUU.

A pesar de que la plataforma de lanzamiento principal y mucho de la manufactura de Rocket Lab tenga lugar en Nueva Zelanda, son una compañía estadounidense. Las oficinas centrales de Rocket Lab están en los Estados Unidos, lo que les permite lanzar cargas útiles de la NASA y de la USSF, y evitar algunas restricciones de ITAR.

Reutilización

Adicionalmente, otra parte muy apasionante del futuro del Electron es la recuperación y la reutilización. Rocket Lab planea usar un paracaídas para frenar la etapa, antes de intentar capturarla con un helicóptero. (Entérate más sobre estos planes en este video.) A la fecha de publicación (del original en inglés), Rocket Lab ha recuperado exitosamente dos primeras etapas del Electron e incluso reutilizaron algunos de estos componentes. Por ejemplo, en la misión Running Out Of Toes Rocket Lab reutilizó el sistema de presurización de propelente, que había sido usado en la misión Return To Sender.

Photon

Finalmente, el Electron tiene una tercera etapa opcional. Esta podría ser su etapa de inyección(2) o la Photon. Esta última tiene dos variantes: una versión interplanetaria que puede viajar a Venus, como también una para órbita terrestre. La Photon tiene en ella un solo motor llamado Curie. Este viene en tres variantes: una versión monopropelente de gas frío, una versión bipropelente y la versión bipropelente específica para espacio profundo “Hyper Curie” que funciona con alguna clase de propelentes hipergólicos verdes que Rocket Lab aún no ha dado a conocer. Al día de hoy, el Curie casi siempre es usado en la configuración bipropelente y el Hyper Curie sólo se presenta en la versión de espacio profundo de la Photon. Adicionalmente, la Photon puede usarse como «bus» satelital.

LauncherOne

A continuación está el LauncherOne de Virgin Orbit. Éste es lanzado desde el aire, lo que significa que usa un 747 tanto de plataforma móvil de lanzamiento, como de mini primera etapa. El lanzamiento aéreo tiene un número de ventajas, como la capacidad de volar para lanzar desde cualquier inclinación y para evitar mal clima. Sin embargo, tiene también un montón de desventajas, ya que limita el tamaño del cohete e incrementa la complejidad.

El cohete es lanzado desde un Boeing 747-400 modificado, llamado Cosmic Girl. La aeronave 747 fue elegida por un número de razones. Primero, a diferencia de la aeronave Stratolaunch, única en su tipo, hay miles de pilotos, mecánicos e ingenieros que están entrenados para volar y trabajar en el vehículo. También, el 747 fue diseñado para llevar un quinto motor bajo su ala izquierda, para transporte de motores de recambio alrededor del mundo. Esto dio a Virgin Orbit un lugar genial donde montar el cohete ya que, con alguna modificación a la estructura, el avión podría admitir la masa del cohete.

LauncherOne después de despegar
LauncherOne después de despegar (créditos: Jack Beyer)

El Cohete

El LauncherOne es un lanzador de carga liviana de dos etapas a ‘querolox.’ La primera está equipada con un solo motor Newton 3, que es de ciclo abierto. La segunda etapa también está equipada con un solo motor, aunque es una versión optimizada para vacío llamada Newton 4. Como el RS-68 en el Delta IV, la serie de motores cohete Newton usa el escape del generador de gases para rolar(3) el vehículo.

El LauncherOne se lanzó por primera vez en 2020, pero falló poco después de la ignición de su motor. En enero de 2021 se lanzó por segunda vez, llegando exitosamente a la órbita deseada.

El Rocket de Astra

El Rocket es un vehículo de lanzamiento de carga liviana transportable de dos etapas. El cohete puede caber dentro de un contenedor de carga estándar; toda la infraestructura y equipo de soporte de tierra también pueden ser transportados por contenedores de carga. Estos, a su vez, pueden ser cargados en una aeronave C-130 y llevados a cualquier lugar del mundo.

Similarmente a los cohetes antes mencionados, el cohete de Astra funciona con ‘querolox.’ La primera etapa está equipada con cinco motores Delphin, los cuales, como el Rutherford, están alimentados por bombas eléctricas y son impresos en 3D. La segunda etapa está equipada con un único motor Ether alimentado por presión.

El cohete de Astra ha hecho tres pruebas hasta la fecha, con las tres terminando en falla. La primera prueba, Rocket 3.0, falló durante chequeos prevuelo cuando se desató un incendio destruyendo el cohete. Durante el segundo, un vuelo, el oficial de seguridad del campo de lanzamiento(4) apagó los motores luego de que empezó a virar fuera de curso. Finalmente, en diciembre de 2020 el Rocket 3.2 pasó la línea de Kármán, pero se quedó corto por 500 m/s de llegar a órbita, debido a una mezcla incorrecta de combustible en la segunda etapa. Como estuvieron tan cerca, Astra tiene ~10 clientes listos para lanzar en su cohete empezando por la próxima misión.

Lanzamiento del Rocket 3.1
Lanzamiento del Rocket 3.1 (créditos: John Kraus/Astra)

Alpha

Debido a la historia de Firefly, la compañía y el cohete no son muy conocidos. En 2014, Firefly Space Systems fue fundada y varios años después, en 2017, la compañía fue a bancarrota y se convirtió en Firefly Aerospace. A lo largo de este cambio, el Alpha fue de su forma impulsada por un «aerospike»(5) a la actual: el cohete en compuestos de carbono más grande a la fecha con cuatro motores «Reaver» en la primera etapa y un «Lightning» en la segunda.

Ambos motores funcionan con ‘querolox’ y usan un peculiar ciclo «tap-off»(6). Esto significa que la presión de la cámara de combustión es usada para accionar las turbinas. El ciclo «tap-off» es ventajoso porque permite que se queme todo el combustible y el oxidante en la cámara de combustión; sin embargo, el ciclo vuelve más complicada la ignición del motor.

El cohete Alpha de Firefly posado en la plataforma de lanzamiento SLC-2W
El cohete Alpha de Firefly posado en la plataforma de lanzamiento SLC-2W (créditos: Firefly)

RS-1

ABL Space Systems tiene el objetivo de hacer el cohete más simple y más redituable jamás hecho con su RS-1. Como otros en la lista, el RS-1 está equipado en la primera etapa con nueve motores a ‘querolox’ E2 impresos en 3D. Un motor E2 optimizado para vacío puede encontrarse en la segunda etapa. El motor E2 es de ciclo abierto, en línea con su objetivo de tener un cohete simple.

Como el cohete de Astra y el LauncherOne, el RS-1 puede lanzarse desde cualquier lado. El cohete, el «GSE»(7) y otra infraestructura de lanzamiento es empacada en un contenedor de transporte estándar.

Un «mock-up» del cohete RS-1
Un «mock-up» del cohete RS-1 (créditos: ABL)

Terran-1

Al igual que con los otros cohetes mencionados hasta aquí, Relativity Space va a imprimir en 3D los motores en el Terran-1. A diferencia de los otros cohetes, el Terran-1 va a estar impreso enteramente en 3D. Haciendo esto, Relativity Space puede reducir la cantidad de partes requeridas por el cohete en dos órdenes de magnitud (100 veces), simplificando la producción y reduciendo el tiempo de entrega.

La primera etapa del Terran-1 tiene nueve motores Eon 1. La segunda tiene un solo motor Eon 1 optimizado para vacío. Los motores son de ciclo abierto y funcionan con gas natural líquido y oxígeno líquido. Como el Raptor y el RS-25, el motor Eon 1 será utilizado para presurizar autógenamente lo tanques. Esto elimina la necesidad de tener helio almacenado en el vehículo. Como el helio es usado sólo para el arranque de los motores, nada de helio es almacenado en el vehículo, ya que es provisto por los equipos de servicio en tierra.

El Terran-1 se lanzará desde el Complejo de Lanzamiento 16 (LC-16) en la Estación de la Fuerza Espacial de Cabo Cañaveral, en Florida, Estados Unidos.

Terran-1

Terran-1 (créditos: Caspar Stanley)

Comparación


Primero, se puede comparar el tamaño de todos los lanzadores de carga liviana. Haciéndolo, queda claro por qué estos vehículos son llamados así, dado que son significativamente menores al Falcon 9 de carga mediana.

Comparación de alturas de todos los lanzadores de carga liviana y el Falcon 9
Comparación de alturas de todos los lanzadores de carga liviana y el Falcon 9 (créditos: Everyday Astronaut)

Lo que es más, el diámetro de cada cohete también puede ser comparado:

Ancho de los seis lanzadores de carga liviana antes mencionados
Ancho de los seis lanzadores de carga liviana antes mencionados (créditos: Everyday Astronaut)

A continuación, se puede comparar la capacidad de carga útil de cada cohete a órbita sincrónica al Sol (OSS). Ésta es una órbita terrestre baja, excepto que a una inclinación alta entre 96,6° y 142,1°. Estas órbitas aseguran que el satélite pase sobre cada punto de la Tierra en el mismo horario solar medio cada día. Es importante notar que estos números de carga útil actualmente son estimativos. Muchos de estos cohetes no están operacionales y todavía se encuentran en desarrollo. Estos números seguramente variarán bastante en el futuro al continuar su desarrollo y al entrar en disponibilidad variantes adicionales.

Es más, se pueden comparar los precios de cada lanzador de satélites pequeño. Todos los precios se ajustaron por inflación y están en USD de 2021. Como estos números también son estimativos, deberían tomarse a la ligera dado que sus costos verdaderos no se conocerán hasta que estén operacionales. Debido al alto grado de incertidumbre en la estimación de carga útil y el costo de lanzamiento, una comparación del precio por kilogramo no sería precisa ni justa. Es importante recordar que los lanzadores de satélites pequeños nunca van a ser tan redituables como los cohetes más grandes en la métrica de costo por kilogramo, dado que su único objetivo es proveer un viaje dedicado a órbita.

Capacidad estimada de carga a OSS, precio estimado y ciclo de motor para cada lanzador
Capacidad estimada de carga a OSS, precio estimado y ciclo de motor para cada lanzador (créditos: Everyday Astronaut)

Resumen


En general, está claro que de los venideros vehículos lanzadores de carga liviana el RS-1 y el Terran-1 van a ser los más capaces, pudiendo colocar 1.000 kg en OSS. Esta capacidad definitivamente tiene un precio, sin embargo, ya que estos dos cohetes son significativamente más caros que el cohete de Astra y el Electron.

El Electron de Rocket Lab tiene una ventaja considerable sobre los otros lanzadores de carga liviana, dado que ya se lanzó 20 veces, enviando más de 100 naves espaciales a órbita. Similarmente, LauncherOne también es un cohete probado y tiene la capacidad de lanzar una carga útil a cualquier inclinación, un requerimiento que algunas cargas útiles pueden pedir. Firefly está en la misma posición con el Alpha, dado que tienen un cohete en la plataforma esperando para lanzar.

Finalmente, es realmente increíble lo que SpaceX fue capaz de lograr hace más de una década con el Falcon 1. Con menos financiación, SpaceX pudo crear un cohete más capaz y más barato que algunos de los lanzadores de satélites pequeños que aún están por volar.


Notas del traductor

  1. Querolox: palabra que surge de combinar otras dos: querosén y “LOx” u oxígeno líquido. Es una denominación coloquial de los propelentes que utilizan algunos motores cohete.
  2. Etapa de Inyección: Rocket Lab la denomina en inglés como «kick-stage», en el sentido de que le ‘da un empujón’ a la carga útil para que entre en la órbita buscada.
  3. Rolar: un cohete puede girar alrededor de tres ejes principales. Si su nariz ‘sube o baja,’ se habla de movimiento de cabeceo o cabecear. Si va de ‘derecha a izquierda,’ se habla de movimiento de guiñada o guiñar. El último giro es alrededor de su eje más largo, cuando se habla de movimiento de rolido o rolar.
  4. Campo de lanzamiento: en inglés suele llamárselo «range» y es una área controlada, tanto en tierra como en el aire, donde se llevan a cabo lanzamientos de cohetes. Allí hay autoridades que velan por la seguridad de los que intervienen en las operaciones, como de terceros.
  5. Aerospike: palabra conformada por ‘aero’ (prefijo que significa aire) y ‘spike’ (punta, espina). En este caso designa un tipo de tobera para motores cohete. Presenta la ventaja de adaptarse “automáticamente” a la presión externa bajo la cual opera, pero acarrea otras dificultades, como pudiera ser el peso de un motor que la utilizara.
  6. Tap-off: equivale a sangrado o derivación, haciendo referencia a que toma gases de la cámara de combustión y los desvía hacia la turbobomba.
  7. GSE: siglas en inglés para Ground Support Equipment o Ground Service Equipment; equipo de soporte/servicio en tierra. Se refiere a la infraestructura que asiste al cohete en todo momento mientras está en tierra y también pronto a ser lanzado.

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