Lanzar, aterrizar y volver a volar: la importancia de la reutilización

El 21 de diciembre de 2015, SpaceX lanzó un cohete Falcon 9 FT (v.1.2) desde la plataforma SLC-40 de Cabo Cañaveral con 11 satélites a bordo pertenecientes a la compañía Orbcomm. Sin duda, este día será recordado en la historia de la astronáutica, no como un lanzamiento “rutinario” más sino porque esta empresa americana había logrado lo que nadie hasta ahora había hecho: recuperar la primera etapa de un lanzador orbital y, más aún, aterrizarlo en su punto de partida.

Pese a que SpaceX ya había intentado esta proeza varias veces antes (y sin éxito total, aunque si parcialmente) ésta era la primera vez que lo lograban y, además, coincidía con que su anterior lanzamiento (la misión SpX-6) había fracasado por la explosión en vuelo de la segunda etapa. La empresa resurgía de las cenizas, como otras veces, y esta vez a lo grande.

¿Por qué es tan importante este hito para SpaceX y para la astronáutica en general?

Sin duda, el uso de la reutilización en vehículos espaciales (segmento de los lanzadores) ha sido estudiado desde hace muchos años y materializado en vehículos como el Transbordador espacial. Sin embargo, en éste último, el elevado coste de las operaciones de mantenimiento y puesta a punto para su reutilización hacía inviable su operativa, quizá por un muy poco preciso dimensionado comercial (se proyectaron al inicio del programa en torno a 50 misiones por año, y al final de la vida del Transbordador, solo se llegó a una baja media de 4,5 al año). Entonces, si previamente esta aproximación tecnológica no funcionó, ¿qué hace tan importante este acontecimiento de SpaceX en favor del acceso frecuente y sobre todo económico al espacio?

Sin duda, que un cohete pueda ser lanzado de nuevo a un coste asumible por la empresa y atractivo para el cliente; esto es, que las labores de puesta a punto sean más económicas que fabricar uno nuevo y que se mantenga la fiabilidad del vehículo. Esta pregunta, todavía no ha sido respondida por SpaceX, que llevó a cabo su primer ensayo de cohete reusado en julio de 2016 desde la rampa de ensayos de McGregor (Texas) y prevé lanzar un Falcon 9 reutilizado durante este año.

Recordemos que a día de hoy, todos los medios de transporte usados o inventados por la humanidad son reutilizables, desde un caballo hasta un avión. Todos, excepto los cohetes.

Diferencias entre un avión-cohete y un cohete

Volvamos al punto de inicio. ¿Cómo pretende SpaceX separarse de las tendencias pesimistas generadas por el Shuttle en el ámbito de la reutilización? Para responder a esta pregunta debemos analizar las “sutiles” diferencias entre un avión-cohete y un cohete. A nivel tecnológico, la estrategia de reutilización de SpaceX y la del transbordador es bien distinta. También son muy distintas las condiciones ambientales de cada vehículo, así como por supuesto su geometría y configuración. Todo ello hace que la estrategia y el objetivo final puedan ser diferentes y la reutilización tenga sentido hoy en día.

Para un lanzamiento espacial orbital (como la del Transbordador) se requiere alcanzar velocidades orbitales, lo que significa una velocidad mínima estimada de ocho kilómetros por segundo. Éste factor es crucial para entender las dificultades de retornar desde el espacio un vehículo. En este caso, la diferencia principal entre el transbordador espacial y la primera etapa del cohete Falcon 9 es que el transbordador reentra desde órbita y la etapa de Falcon 9 sigue una trayectoria suborbital a alta velocidad.

Por un lado, el Transbordador era un vehículo alado y con tres motores cohete (llamados RS-25 o SSME) que volvía desde órbita como una cápsula espacial, es decir, enfrentando su escudo térmico a la dirección del movimiento con un ligero ángulo de ataque. La reentrada del transbordador se llevaba a cabo desde velocidad orbital hasta aterrizaje, con el único apoyo de su escudo térmico y las superficies de control aerodinámico. Para ello, el escudo térmico, basado en losetas cerámicas era el encargado de “frenar” contra la atmósfera mientras el resto del vehículo hacía sus funciones para planear hasta la pista de aterrizaje, por un corredor muy estrecho y con un escaso margen de maniobra.

Esta maniobra, que podría imaginarse igual de sencilla que el planeo de un avión, fue uno de los mayores quebraderos de cabeza de la historia de la astronáutica. Una vez que el transbordador volvía desde el espacio, eran necesarios miles de ingenieros, varios meses de trabajo y operaciones millonarias para ponerlo a punto para volar de nuevo. Sin duda (y lamentablemente), este vehículo estaba lejos de ser eficientemente reutilizable, sobre todo, desde el punto de vista comercial.

Por otro lado, Falcon 9 es un lanzador con geometría tradicional (núcleo central sin motores aceleradores) cuya primera etapa vuelve desde el espacio tras realizar un vuelo suborbital, y una vez ha hecho la maniobra de staging (separación de la primera etapa del resto del cohete).

Este cohete, ejecuta una serie de maniobras en el espacio que le hacen enfrentar sus motores a la dirección del movimiento, usando como apoyo al control de su actitud motores de control por gas frío (con nitrógeno) y aerofrenos para control aerodinámicos, llamados grid fins. En una misión nominal a órbita baja, Falcon 9 lleva a cabo tres eventos de encendido de motores para volver a tierra, que le permiten frenar de una velocidad cercana a tres kilómetros por segundo hasta aterrizaje, conocidas como boostback burn, reentry burn y landing burn.

La primera de ellas, permite al lanzador “frenar” desde la elevada velocidad que tiene tras la separación de etapas y volver a tener un ángulo de ataque propicio para el descenso. Esta maniobra también sirve para reducir el alcance (o downrange) de la etapa. La segunda maniobra de frenado, permite al lanzador reducir su velocidad desde unos dos kilómetros por segundo hasta un kilómetro por segundo en una maniobra que, además, permite generar un halo de protección contra la atmósfera para la estructura y los motores (una especie de escudo térmico de gases de combustión).

Finalmente, el último evento de encendido de los motores permite el frenado final y control preciso para aterrizar suavemente sobre la zona prefijada. Todo ello ejecutado de manera muy precisa con algoritmos de control desarrollados para controlar el vehículo en lo que se conoce como retropropulsión supersónica, algo generalmente llevado a cabo por sondas de reentrada planetaria, en misiones de exploración del sistema solar.

Como el lector puede apreciar claramente, ambos vehículos tienen grandes diferencias para poder lograr un mismo fin. Una de las principales diferencias es sin duda la misión: Orbital vs. Suborbital que hace que claramente las velocidades y ambientes a los que ambos se enfrentan sean distintas. Por tanto, pese a que la misión de SpaceX es a priori más sencilla y a que ambos vehículos se han diseñado para ser reutilizados:

¿SpaceX podría lograr una reutilización del Falcon 9 varias veces?

La respuesta no es trivial, pero sí, podría hacerlo. Para poder estudiar esta pregunta más en detalle, es necesario estudiar la no menos desdeñable proeza llevada a cabo por otro actor en juego, Blue Origin. La empresa de Jeff Bezos, fundador de Amazon, ya ha logrado lanzar y aterrizar en cinco ocasiones seguidas el cohete NewShepard desde su base de lanzamiento en Texas.

Pese a que el NewShepard es un cohete mucho más modesto que Falcon 9, alguno de los problemas a resolver son intrínsecamente los mismos: principalmente, “frenar sin que el cohete se queme en la atmósfera o choque contra suelo”. Para poder lograr este objetivo, NewShepard usa una combinación de aerofrenos y motor cohete, del mismo modo que Falcon 9, aunque por supuesto a menor escala (con un único motor cohete funcionando menos tiempo, y con superficies aerodinámicas más pequeñas).

Aun así, NewShepard reduce su velocidad desde unos 1.100 metros por segundo hasta cero en pocos kilómetros. Obviamente las maniobras de reentrada y las actuaciones del motor de Blue Origin no son conocidas, al igual que en el caso de SpaceX. Desde el punto de vista propulsivo, por ejemplo, los motores cohete encienden en condiciones de funcionamiento fuera de lo nominal (con propelentes en microgravedad o turbobombas en el límite del régimen nominal de enfriado para el arranque).

Lo que sí está claro es que se puede hacer y, que si se demuestra que impacta en el coste del acceso al espacio, se seguirá haciendo. Ni que decir tiene que para Blue Origin el cohete ha sido totalmente amortizado tras cinco reutilizaciones continuadas. Aquí está la clave de la reutilización, amortizar la tecnología.

Lanzador totalmente o parcialmente reutilizable

SpaceX tendrá que responder a la siguiente pregunta considerando cómo de reutilizable es el Falcon 9: ¿Totalmente reutilizable o reutilizable solo una parte?

No es lo mismo cambiar un motor o una pata de aterrizaje, que todos los motores de la etapa o poner una estructura nueva. Esto se conoce como ratio de reutilización y, por supuesto, tampoco es conocido para el Falcon 9 o NewShepard, pero se podría conocer cuando se hagan públicos los precios de los cohetes reutilizados. A día de hoy, se prevé reducciones de hasta un 40% sobre el precio base.

Finalmente, ¿Podría ser la primera etapa de un cohete ser totalmente reutilizable? Sin duda no (y obviamente asumiendo que el resto de etapas son desechables). Esta afirmación tiene en cuenta que la misión principal de diseño de un lanzador es el ascenso y no el descenso, que obviamente introducen entornos de vuelo muy distintos. Aunque las condiciones ambientales en ambos casos son conocidas y están totalmente controladas, el descenso introduce un gran estrés termo-mecánico sobre la sección donde se albergan los motores y la base de la estructura, lo cual hace más difícil la completa reutilización.

PLD Space y los Arion 1 y 2

Otra pregunta a responder sería: ¿Esto también aplica a un lanzador más pequeño? La respuesta es, claramente, sí. PLD Space está trabajando con la ESA en los sistemas de recuperación de los lanzadores Arion 1 y Arion 2. En el caso de Arion 1, un cohete que alcanzará un apogeo nominal de 220 kilómetros, el perfil de reentrada es complejo, aunque más sencillo que el de la primera etapa de un cohete orbital.

Arion 1 reentra a una velocidad cercana de dos kilómetros por segundo y dado que no usa retropropulsión supersónica deberá frenar mediante paracaídas. Pese a que la solución no es a día de hoy definitiva, se estima que Arion 1 podría usar una combinación de tres paracaídas, supersónicos y subsónicos, para poder volver sano y salvo desde el espacio.

Sin embargo, Arion 2 deberá frenar con los mismos motores usados para el ascenso, debido a que la velocidad, ángulo de ataque y alcance, están fuera de los parámetros asumibles para un sistema de recuperación por paracaídas.

Si las diferentes iniciativas a nivel mundial consiguen que el coste de lanzar un cohete se reduzca a la mitad sobre el precio de un cohete nuevo (manteniendo razonablemente la fiabilidad), será todo un éxito para el acceso científico y comercial al espacio. Desde mi punto de vista no considero que sea una tendencia, sino más bien una clara apuesta por democratizar el acceso al espacio, haciéndolo asumible para centros de investigación, agencias espaciales y empresas privadas.

Está claro que este nuevo camino abierto no es trivial y que hay ciertos aspectos muy complejos. Quizá no todas las iniciativas tendrán éxito en la hazaña y seguro que se seguirán viendo “fallos” (o en mi opinión, éxitos parciales) derivados de la recuperación. De lo que sí estoy totalmente convencido es de que llegará el día en que estas maniobras sean igual de rutinarias que enviar cargas de pago al espacio.

Fotografía: PLD Space