Opções de propulsão para o avião espacial sem foguetes AdMerk

Motores respiradores de ar pré-resfriados, como SABRE, ingerim oxigênio atmosférico em altitudes e velocidades mais baixas, e depois mudam para oxidante a bordo no ar. Um trocador de calor pré-frigorífico arrefece o ar de entrada de cerca de 1000°C para -150°C em cerca de 0,01 segundos, permitindo um compressor leve e combustão de alta pressão com hidrogênio líquido – produzindo um impulso específico eficaz muito acima dos foguetes convencionais enquanto em modo de respiração de ar.

SABRE é projetado para impulsionar um veículo de um único estágio para aproximadamente Mach 5+ em ~28 km em impulso de respiração de ar, em seguida, transição para modo de foguete de ciclo fechado para inserção orbital. Isso permite que um veículo movido a SABRE atinja a órbita com uma fração de carga mais alta do que um foguete puro, embora ainda precise de uma fase de foguete para fechar o intervalo de velocidade restante para orbitar.

Nenhum motor que respira ar em ciclo combinado voou até a velocidade hipersônica, mas os principais componentes são comprovados no solo: um pré-cooler em grande escala foi testado em condições de entrada Mach 3.3+ em 2019, e um demonstrador de núcleo SABRE passou em testes de queima no solo até 2022. Os estudos da NASA e da ESA confirmam a viabilidade do conceito, observando a complexidade de integrar trocadores de calor pesados e manuseio criogênico em um orbitador.

A propulsão térmica nuclear usa um reator de fissão para superaquecer um propelente (tipicamente hidrogênio líquido) e expulsá - lo através de um bico — substituindo a combustão química por calor de fissão. Executando o reator a temperaturas muito altas aproximadamente duplica impulso específico versus um motor químico do mesmo propulsor.

O programa NERVA dos EUA (1960) testou mais de uma dúzia de reatores e provou que os motores nucleares podem reiniciar e acelerar de forma confiável, atingindo um nível de prontidão tecnológica de aproximadamente 6-7 antes do cancelamento em 1973. O programa DRACO da NASA e DARPA visava demonstrar um estágio térmico nuclear em órbita terrestre até 2027.

Para um avião espacial, um motor nuclear iria realisticamente inflamar apenas acima da atmosfera — por exemplo, depois de um primeiro estágio de respiração de ar atingir Mach 5 e ~30 km — tanto por segurança como porque os motores de núcleo sólido não podem gerar impulso-a-peso suficiente para decolar sem assistência.

A propulsão de feixes de energia fornece energia externa ao veículo através de feixes de laser ou microondas, de modo que o veículo não carrega uma fonte de energia pesada a bordo ou oxidante — por exemplo, um foguete térmico laser poderia focar um feixe para aquecer o propulsor de hidrogênio para propulsão.

Em 2000, os experimentos "Lightcraft" usaram um laser de CO2 pulsado para lançar uma nave de 50 gramas para 71 metros de altitude. Um estudo de 2012 financiado pela NASA concluiu que o lançamento de energia irradiada é tecnicamente viável em princípio, mas requer novas tecnologias e grandes investimentos a longo prazo.

Demonstrações suborbitais são mais plausíveis a quase-termo do que a inserção orbital completa, uma vez que um feixe deve seguir continuamente e energizar a nave – o uso orbital precisaria de várias estações terrestres ou um relé no espaço como as curvas do veículo fora da linha de visão direta.

Os propulsores de plasma aceleram um propulsor — xenônio, argônio e similar — via campos elétricos e magnéticos, produzindo um escape de plasma de alta velocidade. Eles oferecem impulso específico muito alto, mas ao custo de baixo impulso e uma necessidade substancial de fonte de energia, então eles não são viáveis para o lançamento da superfície da Terra.

O protótipo VASIMR demonstrou impulso específico tunável até cerca de 5.000 segundos usando energia RF para aquecer o plasma em um bico magnético, mas seu artigo de teste VX-200 produz apenas cerca de 5 N de impulso a 200 kW de entrada – aproximadamente o peso de uma resma de papel.

Para um plano espacial, os propulsores de plasma são mais adequados para manobras orbitais – órbitas de ajuste fino ou manutenção de estações de longo prazo – em vez de propulsão de subida primária, pelo menos dentro de um horizonte de 5-10 anos.

Os propulsores Ion e Hall são os dispositivos de propulsão elétricos menores e bem comprovados usados em satélites e sondas por décadas — por exemplo, Deep Space 1 e a sonda Dawn usaram propulsão iônica para grandes manobras delta-V ao longo do tempo, e o propulsor NEXT da NASA funcionou por mais de 48 mil horas em testes terrestres.

Apesar da alta eficiência de combustível, o empuxo é pequeno — mesmo o mais poderoso propulsor elétrico testado até o momento (um propulsor de Hall aninhado de 100 kW) produzido apenas cerca de 5,4 N no laboratório, um recorde para o campo, mas ainda trivial para fins de lançamento.

Para um avião espacial, os propulsores elétricos são melhor tratados como um sistema complementar para aparar orbital uma vez já no espaço — não como um método de ascensão primária. Sua prontidão tecnológica é a mais alta de qualquer opção analisada aqui, mas sua aplicabilidade ao lançamento é a mais baixa.