Los aviones espaciales son vehículos que pueden volar tanto en la atmósfera como en el espacio y aterrizar en pistas en lugar de usar paracaídas -como las cápsulas- para aterrizar en agua o en terreno plano. Un avión espacial, combina características de una aeronave y de una nave espacial, está diseñado para volar a altitudes extremas en el espacio y volver a la Tierra, por lo que son considerados vehículos espaciales reutilizables / reusable launch vehicle (RLV), y también se les considera de doble uso por su utilización en vuelos aéreos y viajes espaciales. Los aviones espaciales son más maniobrables durante el reingreso en la atmósfera, permiten una trayectoria de vuelo más suave, aunque más larga, y un aterrizaje más fácil para la tripulación y la carga que las cápsulas, la pista de aterrizaje también permite que los equipos de apoyo en tierra y la infraestructura estén listos en el punto específico de reentrada. Los aviones espaciales se han utilizado para una amplia variedad de propósitos, incluida la investigación científica, el transporte de astronautas y satélites en órbita y la reparación de satélites.
El primer avión espacial, el transbordador espacial / space transport system (STS) Columbia, lanzado por la NASA, voló en su primera misión STS-1 el 12 de abril de 1981. El Columbia fabricado por Rockwell International y operado por la NASA, realizó 28 misiones espaciales en el Space Shuttle Program Launch Vehicle (vehículo lanzador parcialmente reutilizable), el programa incluyó los transbordadores Challenger, Discovery, Endeavour y Atlantis. El Columbia fue el primero de los cinco transbordadores espaciales que volaron al espacio, con el vehículo lanzador Space Shuttle, y fue el segundo orbitador fabricado a escala real después del vehículo de pruebas Enterprise. Estos transbordadores espaciales fueron utilizados por la NASA para transportar astronautas y carga -suministros- a la Estación Espacial Internacional (EEI), lanzar satélites y realizar reparaciones a satélites en órbita. El accidente del transbordador espacial Columbia se produjo durante su reingreso el 1 de febrero de 2003 y causó la muerte de los siete tripulantes; previamente el 28 de enero de 1986 el Challenger (misión STS-51-L, décima del orbitador) se desintegró a los 73 segundos del lanzamiento con fatales consecuencias. El programa STS operó en órbita baja terrestre (LEO) durante 30 años antes de su retiro en 2011; de 1981 a 2011 el Space Shuttle Program voló un total de 135 misiones. Desde entonces, no había aviones espaciales estadounidenses en servicio.
Los aviones espaciales cayeron en desuso después de que el STS fue retirado en 2011, pero ahora en el marco de la nueva carrera espacial (NCE) y el New Space están resurgiendo. Actualmente, hay varias empresas privadas, agencias espaciales y gobiernos que están desarrollando aviones espaciales. Una de ellas es SpaceX, que desarrolla el Starship, diseñado para transportar astronautas y carga a la EEI, la Luna y Marte. Los aviones espaciales son parte importante de la exploración espacial ya que permiten a los humanos viajar al espacio de forma más segura y eficiente. A medida que la tecnología de estos aviones continúe desarrollándose, desempeñarán un papel crucial en la exploración espacial en el futuro inmediato. Los aviones espaciales de próxima generación son la evolución de vanguardia de su antecesor el transbordador espacial y se prevén para una variedad de misiones espaciales, incluida la exploración espacial, el transporte de carga y el turismo espacial. A medida que esta tecnología continúe desarrollándose, es probable que desempeñen un papel aún más relevante en la exploración espacial del futuro. Entre algunos de los beneficios y ventajas de los aviones espaciales en la exploración espacial destacan que son más eficientes que los cohetes tradicionales; son reutilizables, lo que reduce los costos; pueden transportar más carga útil que los cohetes, además de que pueden aterrizar en cualquier lugar, lo que los hace más versátiles.
No obstante, también existen desafíos en la utilización de estos aviones: son más complejos de construir y operar que los cohetes tradicionales; son más sensibles a las condiciones climáticas y deben poder soportar el calor y la radiación del espacio lo que requiere que estén hechos de materiales especiales, deben poder volar en dos entornos muy diferentes (atmósfera y el espacio), lo que les requiere características especiales, como alas que puedan cambiar de forma y, al menos hasta el momento, no pueden alcanzar órbitas tan altas como los cohetes, los aviones espaciales son más complejos y más pesados que una cápsula equivalente, la forma alada del cuerpo plantea desafíos específicos para el diseño de sistemas (escudos) de protección térmica, los materiales resistentes al calor que protegen la nave de temperaturas abrasadoras al reingreso a la atmósfera (cuando regresan del espacio, se calientan a más de 1,600 grados centígrados y viajan a velocidades hipersónicas de más de 25,200 kilómetros por hora, más de 20 veces la velocidad del sonido), estos costos adicionales se traducen en que no sea práctico diseñar un avión espacial para un solo vuelo, por lo que deben ser reutilizables para ser viables.
A pesar de estos desafíos, los aviones espaciales son una herramienta valiosa para la exploración espacial. Una de las ventajas de los aviones espaciales es que pueden despegar y aterrizar horizontalmente, como los aviones normales. Esto significa que algunos de ellos no necesitan ser lanzados desde plataformas especiales, como los cohetes, lo que los convierte en una opción más flexible y económica para los viajes espaciales; una ventaja adicional es que pueden volar a velocidades mucho más altas que los cohetes, lo que significa que pueden llegar a su destino más rápido. Además del transbordador espacial entre los aviones espaciales en desarrollo actualmente destacan los siguientes:
El Dream Chaser (cazador de sueños), un avión espacial reutilizable que inició su desarrollo en 2006 por la compañía de defensa Sierra Nevada Corporation, su división aeroespacial se convirtió en la organización independiente Sierra Space. Está diseñado para transportar hasta siete astronautas y/o carga a destinos orbitales LEO como la EEI, para reabastecerla, se lanzará verticalmente en un New Glenn o un Vulcan en su versión de carga y aterrizará horizontalmente en pistas convencionales de manera autónoma. El Dream Chaser despegará dentro de un cono en la punta del cohete y si todo sale bien este año podría volar por primera vez. El DC – 100 Tenacity este avión espacial multi misión no tripulado entregará carga hacia y desde la EEI. El DC-200 transportará tripulación hacia y desde la estación espacial y otros destinos en la LEO. Sierra Space recibió un contrato de Servicios de Reabastecimiento Comercial 2 (CRS-2) de la NASA en 2016, según el cual la flota de aviones espaciales Dream Chaser (incluido Tenacity) proporcionará un mínimo de siete misiones de servicio de carga no tripuladas.
Según Sierra Space el Dream Chaser puede aterrizar en cualquier pista de aeropuerto estándar de 3.048 metros, contrario al transbordador espacial, que requería una pista de 4.572 metros con 305 metros adicionales extra para casos de emergencia, esta pista hará más sencilla la logística de cada misión. Su módulo de acompañamiento no reutilizable Shooting Star (estrella fugaz), le permite llevar 5.500 kilogramos (el transbordador espacial llevaba hasta 29.000 kilogramos) de material presurizado y sin presurizar a la EEI, incluyendo agua, comida, piezas y experimentos científicos. En comparación, la cápsula de carga Dragon de SpaceX (también reutilizable) puede llevar 6.000 kilos a la EEI y retornar a la Tierra con 3.000 kilogramos. Por su parte, el Automated Transfer Vehicle (ATV) de la Agencia Espacial Europea (ESA) puede llevar 8.000 kilos de carga (1.500 kilos de piezas, comida y experimentos, 840 kilos de agua, 100 kilos de dos gases -como nitrógeno, oxígeno o aire- y hasta 4.700 kilos de combustible para la EEI); mientras que la nave espacial de carga rusa Progress, similar a la Soyuz, solo puede llevar 1.700 kilogramos. A diferencia del Dream Chaser y Cargo Dragon, ni el ATV ni la Progress pueden retornar carga a la Tierra. Por su parte, el avión espacial SpaceShipTwo desarrollado por Virgin Galactic está diseñado para llevar turistas al espacio.
El Boeing X-37B es un avión espacial militar americano no tripulado, desarrollado para el ejército estadounidense y operado por la Fuerza Aérea de los EE. UU., tiene un peso aproximado de cinco toneladas al momento del lanzamiento, mide nueve metros de largo, se lanza utilizando un cohete convencional y aterriza de forma autónoma en una pista al concluir su misión. Se lanzó y puso en órbita por primera vez en 2010 desde Florida y aún está en servicio. El propósito del X-37B es clasificado, pero se cree que se usa para realizar pruebas de tecnología espacial militar. El X-37B, que ha sido comparado con un transbordador espacial a escala reducida, realiza misiones secretas para el Pentágono y posiblemente la CIA en la LEO.
El X-37B es una de las recientes naves espaciales de reentrada más avanzadas del mundo, diseñado para operar en la LEO, entre 241,500 y 805,000 kilómetros sobre la Tierra. El vehículo es el primero -desde el transbordador espacial- con la capacidad de devolver experimentos a la Tierra para su posterior examen y análisis. Este vehículo espacial no tripulado de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos explora tecnologías de vehículos reutilizables que respaldan objetivos espaciales a largo plazo. El X-37B tiene un estilo de carrocería elevable y un perfil de aterrizaje similar al del transbordador espacial, pero el vehículo tiene un cuarto del tamaño de este último. El diseño del X-37B combina lo mejor de los aviones y las naves espaciales en un sistema asequible que es fácil de operar y mantener. La duración en órbita del X-37B varía según los requisitos de cada misión, pero tiene la capacidad de realizar vuelos con duración de hasta 270 días.
Por su parte, China tiene su propio avión espacial militar robótico el Shenlong (Dragón Divino), otras agencias espaciales desarrollaron también sus propios vehículos en las décadas de 1980 y 1990, la ESA el avión espacial Hermes (la agencia espacial francesa CNES desarrolló un pequeño avión espacial para ser lanzado en un cohete Ariane), y Japón, el vehículo HOPE X (vehículo de carga no tripulado para misiones logísticas hacia y desde la EEI, pero debido a problemas con el vehículo de lanzamiento se retiró a partir de 2004); ambos programas fueron cancelados debido a su costo. La entonces Unión Soviética (URSS) desarrolló también su vehículo tipo lanzadera llamado Buran (único avión espacial reutilizable o transbordador espacial soviético), que voló con éxito al espacio una vez en 1988; el programa fue cancelado tras el colapso de la URSS en 1989.
Por su parte, la India está desarrollando su avión espacial reutilizable, casi un año después de que la agencia espacial India - ISRO aterrizara con éxito un prototipo de avión espacial autónomo sin tripulación. La ISRO realizó la segunda misión de aterrizaje autónomo del vehículo de lanzamiento reutilizable (RLV LEX-02) de ISRO en el Aeronautical Test Range (ATR), de Chitradurga en Karnataka, el pasado 22 de marzo de 2024. El avión espacial denominado Demostrador de tecnología de vehículo de lanzamiento reutilizable (RLV-TD), el primer ministro indio lo llamó oficialmente Pushpak, en honor al carro volador de la mitología hindú. En 2016, la ISRO lanzó un Pushpak con escudo térmico a una altitud de 65 kilómetros y velocidades hipersónicas, se dirigió con éxito 450 kilómetros hacia abajo hasta un amerizaje en el mar en una zona objetivo.
Al igual que en la primera prueba, Pushpak fue lanzado desde una altura de 4.5 kilómetros por un helicóptero de la Fuerza Aérea de la India, de manera que su descenso simula una aproximación desde el espacio. A diferencia de la prueba anterior, el avión fue arrojado lejos de la pista, a cuatro kilómetros de distancia, el Pushpak corrigió su rumbo por sí solo y maniobró hasta la pista, donde desplegó un paracaídas para reducir gran parte de su velocidad (350 kilómetros por hora) y se detuvo de manera constante. Los ingenieros de la ISRO reforzaron la estructura del fuselaje y el tren de aterrizaje en la prueba para que pudiera tolerar cargas de aterrizaje más altas. Actualmente, la ISRO planea una tercera prueba de aterrizaje del avión espacial a finales de este año con condiciones de lanzamiento más estrictas. Si todo sale bien, en su próximo vuelo el Pushpak intentará un reingreso orbital después de ser lanzado en un cohete GSLV modificado.
Cuando esté operativo, el Pushpak un 60% más grande comprenderá la segunda etapa o equivalente de un vehículo de lanzamiento reutilizable (RLV) indio. De hecho, el vehículo y todos los sistemas de vuelo de la prueba de 2023 se reutilizaron en el vuelo de hace dos semanas, después de haber sido recertificados. La ISRO prevé que el Pushpak orbital pase hasta un mes en el espacio, opere de forma autónoma cargas útiles y experimentos a bordo, y luego salga de órbita para un reingreso a la atmósfera que conduzca a un aterrizaje en la pista. Los medios de comunicación con frecuencia comparan el RLV-TD/Pushpak con el transbordador espacial retirado de la NASA. Pero ISRO no está diseñando Pushpak para transportar humanos al espacio ni pretende ser un vehículo de lanzamiento de carga pesada. Como plataforma altamente autónoma, Pushpak será mucho más parecido al Boeing X-37B volador y al Dream Chaser de Sierra Space.
La empresa alemana Polaris Spaceplanes recientemente completó la primera serie de vuelos de prueba de su prototipo de avión espacial MIRA-light, paso crucial en el desarrollo de AURORA, una nave que promete cambiar los viajes espaciales para siempre con su motor aerospike. Este motor, diseñados en la década de los 70, permite reducir el peso total del avión a la vez que aumentan la carga útil que pueden transportar, ahorra combustible y aumentan su velocidad. Este diseño puede ser una mejor solución para los vehículos de lanzamiento espacial e hipersónicos que los motores actuales, sin embargo, funcionan mejor para los aviones espaciales planos como los que propone Polaris. Polaris llevó a cabo 15 vuelos de prueba de su prototipo entre el 22 de agosto y el 8 de septiembre de 2023.
El MIRA-light mide solo dos metros y medio de largo y lleva cuatro motores eléctricos de aspas. En las últimas pruebas (de la 10 a la 15), la compañía equipó al avión con un motor aerospike simulado para medir el rendimiento de la nave con un peso similar al real. El MIRA-light estuvo un total de 40 minutos en el aire, lo que fue suficiente para obtener datos de la aerodinámica del avión y de su sistema de control de vuelo. Una vez analizados esos datos, los ingenieros de Polaris los usarán en el controlador de vuelo del vehículo MIRA, un prototipo de 4,25 metros de largo y más pesado cuyas pruebas están realizándose y servirán para desarrollar un prototipo más, el NOVA, que medirá 6,7 metros de largo y que Polaris quiere probar este año a una altura mucho mayor. Ambos prototipos ayudarán a Polaris Spaceplanes a construir su avión espacial definitivo, el AURORA, una nave espacial polivalente y un sistema de transporte que puede alcanzar velocidades hipersónicas.
Estas aeronaves espaciales pueden despegar y aterrizar como un avión cuando están en la Tierra y moverse como una nave espacial cuando están en el espacio. Construir una aeronave con estos motores es un reto que nadie ha superado hasta la fecha. El STS de la NASA tenía forma de avión, pero no era capaz de salir de la órbita terrestre sin ayuda de cohetes que se desprendían y se desechaban una vez que la nave alcanzaba la altura necesaria. Aunque los motores aerospike han demostrado su eficiencia, reducen hasta un 30% el consumo de combustible y pueden adaptarse a diferentes presiones de aire a distintas altitudes, están diseñados para funcionar con eficacia a una altitud determinada, pero no para todas, lo que requiere de varias etapas de cohetes que impiden reducir la masa de la nave y elevar cargas útiles mayores de las que llevan ahora. Según Polaris, dependiendo de la misión, estos motores permiten una mayor masa de carga útil, reducen la masa de despegue del vehículo y aumentan el rendimiento, la velocidad y la altitud y autonomía de vuelo; cuando Aurora está listo podrá transportar una carga útil de hasta 10 toneladas a velocidades suborbitales y hasta una tonelada a una órbita de cualquier inclinación.
La compañía Dawn Aerospace (Países Bajos, Nueva Zelanda, EUA), originalmente nació como una compañía de motores orbitales, quiere que su avión Aurora (distinto del Polaris) vuele al espacio hasta dos veces al día, cumpliendo el viejo sueño irrealizado del transbordador espacial norteamericano. Dawn Aerospace probó con éxito el primer avión espacial equipado con un motor de propulsión química desde el transbordador espacial de la NASA. El Aurora tiene un perfil aerodinámico más agresivo, el modelo MK-II de tamaño reducido controlado remotamente despega y aterriza como un avión convencional. Su arquitectura, según Dawn Aerospace, le permitirá volar dos veces al día con un costo muy reducido usando un motor de cohete. El diseño de este avión espacial permite lanzamientos varias veces al día sin tener que pasar por el proceso de reacondicionamiento que condenó el space shuttle a su cancelación. Aurora MK-II, pudo volar tres veces en tres días (en sus pruebas), lo que demuestra la rápida reutilización y confirma que los vehículos propulsados por cohetes pueden operar al igual que los aviones a reacción comerciales.
El objetivo de Dawn Aerospace es escalar este modelo a una versión más grande que contará con dos etapas. Su plan es invertir la filosofía del transbordador espacial de la NASA: en lugar de lanzar el transbordador sobre dos cohetes para que llegue a la órbita y despliegue los satélites, el Aurora MK-III volará en modo suborbital hasta la línea Karman (a 100 kilómetros de altura sobre la superficie terrestre) para lanzar desde ahí un satélite de 250 kilogramos usando una segunda etapa, un cohete de 650 kilogramos. Según Dawn Aerospace su plan hasta ahora nadie lo ha intentado y garantiza que el 96% del sistema es reutilizable de forma inmediata. La velocidad será superior a Mach 3 y volará en una trayectoria parabólica sin entrar en órbita, sólo hasta la línea Karman. En ese momento, la nave volará invertida y abrirá su compartimento de carga para exponer sensores de observación o realizar experimentos robotizados para compañías de todo tipo que ahora mismo tienen que usar los servicios comerciales disponibles en la EEI. Según Dawn Aerospace en el futuro este avión revolucionará por completo la economía del acceso al espacio.
Talon-A de Stratolaunch es pionero en pruebas hipersónicas, el pasado 9 de marzo de 2024, logró un exitoso vuelo inaugural de su vehículo Talon, alcanzando velocidades supersónicas durante una prueba no tripulada. El Talon-A (TA-1) despegó acoplado al avión Roc en el puerto aéreo y espacial de Mojave en California antes de ser lanzado sobre el Pacífico, la prueba cumplió sus objetivos, incluido el lanzamiento seguro desde el aire, el encendido del motor y el aterrizaje controlado. El Talon-A representa un salto adelante en el vuelo supersónico, ofreciendo autonomía, reutilización y versatilidad para avanzar en las tecnologías aeroespaciales. Los volúmenes de carga útil y la instrumentación personalizables permiten misiones personalizadas para satisfacer necesidades y objetivos específicos. Stratolaunch está desarrollando el TA-3, el segundo vehículo reutilizable de la línea Talon-A, y mejorando su plataforma de lanzamiento, el Spirit of Mojave, su vinculación con el programa MACH-TB indica una mayor expansión hacia aplicaciones militares. Stratolaunch ahora tiene por objetivo desarrollar vehículos hipersónicos lanzados por Roc, propulsados por turbofan Pratt & Whitney.
El continuo interés en los aviones espaciales, debido a su capacidad para devolver la tripulación y la carga a una pista, cuenta con atractivo interesante en la NCE y el New Space. Si los costos de los lanzamientos al espacio continúan cayendo y la expansión de la industria en el espacio aumenta la demanda, se convertirán en una alternativa cada vez más viable respecto de las cápsulas. Por ejemplo, la nave espacial Orión de la NASA está construida para llevar a los seres humanos al espacio en las misiones Artemis, Orión llevará a la tripulación durante el viaje espacial y proporcionará una reentrada segura desde velocidades de retorno del espacio profundo. Orión se lanzará en el nuevo cohete de carga pesada de la NASA, el Space Launch System (SLS), que remplazó al STS, y volvió al diseño de cápsula cónica familiar de las misiones Apolo, debido a que la NASA pretende que esta nueva nave se use para explorar objetivos en el espacio profundo, como la Luna.
En el futuro cercano, también existe potencial para los aviones espaciales reutilizables capaces de alcanzar la órbita después de despegar de una pista, utilizando únicamente propulsores y fluidos, sin usar tanques, motores u otro hardware importante; el desafío es desarrollar estos vehículos etapa-órbit / single-stage-to-orbit a (SSTO). Los desarrollos actuales como el avión espacial Skylon están conduciendo a desarrollos técnicos que eventualmente podrían apoyar el desarrollo de una nave SSTO. El SKYLON del Reino Unido es un concepto de vehículo en órbita de una sola etapa desarrollado por Reaction Engines Ltd. Está diseñado para despegar y aterrizar en una pista con una carga útil de 15 toneladas en órbita baja, en la actual configuración D-1. El programa ha recibido financiamiento del gobierno británico y de la ESA para construir un prototipo a escala real del motor. El proyecto es técnicamente viable, pero tendrá que superar algunos años de fabricación y los elevados costes de puesta en marcha.
Debido a que diversos gobiernos, agencias espaciales y empresas privadas de todo el mundo, alentados por la NCE y el New Space, están invirtiendo fuertemente en la investigación y el desarrollo de aviones espaciales, es previsible que en el futuro los aviones espaciales por sus nuevas técnicas de diseño, materiales mejorados para el escudo de protección térmica / Thermal Protection System (TPS), modelado por computadora avanzado, herramientas de simulación para optimizar diferentes aspectos del diseño, parámetros de vuelo y mejoras continuas en los sistemas de propulsión, posibiliten que los vuelos con estos vehículos se vuelvan rutinarios y revolucionen la industria espacial.
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