Cohete de sondeo

Un cohete sonda o cohete sonda , a veces llamado cohete de investigación o cohete suborbital , es un cohete portador de instrumentos diseñado para tomar mediciones y realizar experimentos científicos durante su vuelo suborbital . Los cohetes se utilizan para lanzar instrumentos desde 48 a 145 km (30 a 90 millas) ^[1] En otros usos, el cohete sonda sobre la superficie de la Tierra, la altitud generalmente entre los globos meteorológicos y los satélites ; la altitud máxima para los globos es de aproximadamente 40 km (25 millas) y la mínima para los satélites es de aproximadamente 121 km (75 millas). ^[2] Ciertos cohetes sonda tienen un apogeo entre 1000 y 1500 km (620 y 930 millas), como el Black Brant X y XII , que es el apogeo máximo de su clase. Para ciertos propósitos, los cohetes de sondeo pueden volar a altitudes de hasta 3.000 kilómetros para permitir tiempos de observación de alrededor de 40 minutos para proporcionar observaciones geofísicas de la magnetosfera, ionosfera, termosfera y mesosfera. ^[3] Los cohetes de sondeo se han utilizado para el examen de pruebas nucleares atmosféricas al revelar el paso de la onda de choque a través de la atmósfera. ^{[4] [5]} En tiempos más recientes, los cohetes de sondeo se han utilizado para otras investigaciones de armas nucleares. ^[6] Los cohetes de sondeo a menudo utilizan motores de cohetes excedentes militares. ^{[7] La ​​NASA vuela rutinariamente el} Orion mejorado potenciado por Terrier Mk 70 , elevando cargas útiles de 270 a 450 kg (600 a 1.000 libras) a la región exoatmosférica entre 97 y 201 km (60 y 125 millas). ^[8]

El origen del término proviene del vocabulario náutico sondear , que consiste en lanzar un cabo con peso desde un barco al agua para medir la profundidad del agua. El término en sí tiene su raíz etimológica en la palabra en lenguas romances para sonda , de la que existen los sustantivos sonda y sonde y verbos como sondear que significa "hacer un sondeo o un sondeo". Sondear en el contexto de los cohetes equivale a "tomar una medida". ^[7]

Los elementos básicos de un cohete sonda moderno son un motor de cohete de combustible sólido y una carga útil científica . ^[7] En ciertos cohetes sonda, la carga útil puede incluso ser nada más que una estela de humo como en el humo Nike , que se utiliza para determinar las direcciones y las intensidades del viento con mayor precisión que la que se puede determinar con globos meteorológicos . O un cohete sonda como el Nike-Apache puede depositar nubes de sodio para observar vientos de gran altitud. Los cohetes más grandes y de mayor altitud tienen múltiples etapas para aumentar la altitud y/o la capacidad de carga útil. La parte de caída libre del vuelo es una trayectoria elíptica con un eje mayor vertical que permite que la carga útil parezca flotar cerca de su apogeo . ^[2] El tiempo medio de vuelo es inferior a 30 minutos; normalmente entre cinco y 20 minutos. ^[2] El cohete consume su combustible en la primera etapa de la parte ascendente del vuelo, luego a menudo se separa y cae, dejando que la carga útil complete el arco, a veces descendiendo bajo una fuente de resistencia como un globo pequeño o un paracaídas . ^[7]

Los cohetes de sondeo han utilizado globos, aviones y artillería como "primeras etapas". El Proyecto Farside ^{[9] [10]} utilizó un Rockoon compuesto por un globo de 106.188 m3 (3.750 ft3), que elevaba un cohete de cuatro etapas compuesto por 4 cohetes Recrute como primera etapa con 1 Recruit como segunda etapa, con 4 motores Arrow II componiendo la tercera etapa y finalmente un solo Arrow II como cuarta etapa. Sparoair , lanzado desde el aire desde los cazas F4D y F-4 de la Marina, fueron ejemplos de cohetes de sondeo lanzados desde el aire. También hubo ejemplos de cohetes de sondeo lanzados desde artillería, incluidos los cañones de 5", 7" y 15" del Proyecto HARP , a veces con etapas de cohetes Martlet adicionales. ^[11]

Los primeros cohetes de sondeo fueron cohetes de propulsante líquido como el WAC Corporal , el Aerobee y el Viking . El V-2 alemán sirvió tanto en los EE. UU. como en el R-1 (misil) de la URSS como cohetes de sondeo durante los períodos inmediatamente posteriores a la Segunda Guerra Mundial. Durante la década de 1950 y más tarde, la disponibilidad económica de refuerzos militares excedentes como los utilizados por Nike , Talos , Terrier y Sparrow . Desde la década de 1960, los cohetes diseñados para este propósito, como la serie Black Brant (cohete), han dominado los cohetes de sondeo, aunque a menudo tienen etapas adicionales, muchas de ellas de excedentes militares.

Los primeros intentos de desarrollar cohetes de sondeo se dieron en la Unión Soviética. Si bien todos los primeros desarrolladores de cohetes se preocuparon principalmente por desarrollar la capacidad de lanzar cohetes, algunos tenían como objetivo investigar la estratosfera y más allá. La Conferencia de toda la Unión sobre el estudio de la estratosfera [en Leningrado (ahora San Petersburgo)] en 1936. Si bien la conferencia se ocupó principalmente de radiosondas de globos , hubo un pequeño grupo de desarrolladores de cohetes que buscaron desarrollar "cohetes de grabación" para explorar la estratosfera y más allá. ^[12] Entre los oradores de la conferencia se encontraba SP Koroleve, quien más tarde fue de gran importancia en el desarrollo de cohetes de sondeo, satélites y vuelos espaciales tripulados.

La Academia de Ciencias de la URSS, el Instituto de Investigación de Propulsión a Chorro (RNII) del Comisariado del Pueblo de Fabricación de Maquinaria Pesada, la Sociedad de Asistencia a la Defensa, la Aviación y la Construcción Química de la URSS (Osoaviakhim) y la Sociedad de Aviación, Científica, Ingenieril y Técnica de toda la Unión participaron en el desarrollo de la cohetería. ^[12]

En particular, V. V. Razumov, del Grupo de Leningrado para el Estudio de la Propulsión a Reacción, estaba interesado en el diseño de cohetes de sondeo. AI Polyarny, que trabajaba en un grupo especial dentro de la Sociedad para la Asistencia a la Defensa, la Aviación y la Construcción Química de la URSS en Moscú, diseñó el R-06, que finalmente voló, pero no en el papel meteorológico. El cohete meteorológico AF Nistratov nunca voló. El cohete LS Dushkin y el MK Tikhonravov nunca volaron. El cohete independiente LS Dushkin tampoco voló. El cohete R-05 implicaba un sofisticado sistema de estabilización, pero todo su desarrollo se suspendió por la guerra. ^[12]

Los primeros esfuerzos soviéticos para desarrollar un cohete sonda fueron los primeros esfuerzos para desarrollar un cohete sonda y finalmente fracasaron antes de la Segunda Guerra Mundial ^[12]. PI Ivanov construyó un cohete de tres etapas que voló en marzo de 1946. A fines del verano de 1946, el desarrollo se terminó porque carecía de suficiente empuje para elevar una carga útil de investigación suficiente. ^[12]

El primer cohete sonda exitoso fue el producto de una confluencia de fuerzas. En el Instituto Tecnológico de California antes de la Segunda Guerra Mundial había un grupo de entusiastas de los cohetes liderado por Frank Malina , bajo la dirección de Theodore von Kármán , y conocido entre la gente del CIT como el "Escuadrón Suicida". El objetivo inmediato del Escuadrón Suicida era explorar la atmósfera superior, lo que requería desarrollar los medios para elevar los instrumentos a gran altitud y recuperar los resultados. Después del comienzo de la Segunda Guerra Mundial, los entusiastas de la cohetería del CIT se vieron involucrados en varios programas de defensa, uno de los cuales, llamado Corporal, estaba destinado a producir un misil guiado de bombardeo, el Corporal. Finalmente conocido como MGM-5 Corporal, se convirtió en el primer misil guiado desplegado por el Ejército de los EE. UU. Durante la Segunda Guerra Mundial, el Cuerpo de Señales creó un requisito para que un cohete sonda transportara 25 libras (11 kg) de instrumentos a 100.000 pies (30 km) o más. ^[13] Para alcanzar ese objetivo, Malina propuso un pequeño cohete de propulsante líquido para proporcionar al equipo GALCIT la experiencia necesaria para ayudar en el desarrollo del misil Corporal. ^{[14] [15]} Malina con Tsien Hsue-shen ( Qian Xuesen en la transliteración Pinyin), escribió "Análisis de vuelo de un cohete de sondeo con especial referencia a la propulsión por impulsos sucesivos". Como el cohete del Cuerpo de Señales se estaba desarrollando para el proyecto Corporal, y carecía de cualquier mecanismo de guía, no tenía control de actitud. Por eso se lo llamó WAC Corporal . El WAC Corporal sirvió como base de la cohetería de sondeo en los EE. UU. El WAC Corporal se desarrolló en dos versiones, la segunda de las cuales fue muy mejorada. Después de la guerra, el WAC Corporal compitió por la financiación de la misión de sondeo con el cohete V-2 capturado, mucho más grande , que estaba siendo probado por el ejército de los EE. UU. El WAC Corporal se vio eclipsado en su trabajo de levantar libras de experimentos a la altitud de manera rentable, por lo que efectivamente se volvió obsoleto. Los cabos WAC fueron posteriormente modificados para convertirse en la etapa superior del primer cohete de dos etapas, el RTV-G-4 Bumper .

Los V-2 capturados dominaron los cohetes sonda estadounidenses y otros desarrollos de cohetería durante la década de 1940. ^{[16] Para satisfacer la necesidad de reemplazo, la} Aerojet Corporation desarrolló un nuevo cohete sonda para cumplir con un requisito del Laboratorio de Física Aplicada y el Laboratorio de Investigación Naval . Más de 1000 Aerobee de varias versiones para diversos clientes volaron entre 1947 y 1985. ^{[17] : 57  [18]} Un motor producido para el Aerobee finalmente impulsó la segunda etapa del Vanguard (cohete) , el primero diseñado para el propósito del vehículo de lanzamiento de satélites , Vanguard. El motor AJ10 utilizado por muchos Aerobee eventualmente evolucionó hasta convertirse en el AJ10-190 que formó el Sistema de Maniobra Orbital del Transbordador Espacial. ^[19]

El Viking (cohete) fue concebido desde el principio por la Armada no sólo como un cohete sonda capaz de reemplazar, e incluso superar, al V-2, sino también de hacer avanzar la tecnología de misiles guiados. ^[20] El Viking estaba controlado por un sistema de guía multieje con motor Reaction Motors XLR10-RM-2 con cardán. El Viking se desarrolló a través de dos versiones principales. Después de que Estados Unidos anunciara su intención de lanzar un satélite en el Año Geofísico Internacional (1957-1958), el Viking fue elegido como la primera etapa del Vehículo de Lanzamiento de Satélites Vanguard. Los dos últimos Vikings fueron lanzados como Vehículos de Prueba Vanguard 1 y 2. ^[21]

Durante la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, la URSS también persiguió los cohetes de sondeo de bases V-2. Los dos últimos R-1A volaron en 1949 como cohetes de sondeo. Fueron seguidos entre julio de 1951 y junio de 1956 por 4 R-1B, 2 R-1V, 3 R-1D y 5 R-1E, y 1 R-1E (A-1). ^[22] El descendiente mejorado del V-2, el R-2A, podía alcanzar 120 millas y voló entre abril de 1957 y mayo de 1962. ^[23] Quince R-5V volaron desde junio de 1965 hasta octubre de 1983. Dos R-5 VAO volaron en septiembre de 1964 y octubre de 1965. ^[24] S El primer cohete de sondeo soviético de combustible sólido fue el M-100. ^[25] Entre 1957 y 1990 se lanzaron unos 6.640 cohetes sonda M-100.

Otros usos tempranos de los cohetes sonda fueron en Gran Bretaña, Francia y Japón.

Gran Bretaña desarrolló la serie Skylark (cohete) y la posterior Skua para el Año Geofísico Internacional . ^[17]

Francia había comenzado el diseño de un Super V-2, pero ese programa había sido abandonado a fines de la década de 1940 debido a la incapacidad de Francia para fabricar todos los componentes necesarios. Aunque el desarrollo del Veronique (cohete) comenzó en 1949, no fue hasta 1952 que se lanzó el primer Veronique a escala real. Las variantes del Veronique volaron hasta 1974. ^{[17] [26]} La familia Monica (cohete) , un cohete de combustible sólido que se desarrolló en varias versiones y luego fue reemplazado por la serie de cohetes ONERA. ^[17]

Japón fue otro de los primeros en utilizar el Kappa (cohete) . Japón también utilizó el Rockoon. ^[17]

La República Popular China fue la última nación en lanzar un nuevo cohete sonda de combustible líquido, el T-7. ^[27] El primero fue lanzado desde un sitio de lanzamiento muy primitivo, donde el "centro de mando" y el generador de energía prestado estaban en una choza de paja separada del comedor por un pequeño río. No había equipo de comunicaciones, ni siquiera un teléfono entre el puesto de mando y el lanzacohetes. El T-7 dio lugar al T-7M, T-7A, T-7A-S, T-7A-S2 y T-7/GF-01A. El T-7/GF-01A se utilizó en 1969 para lanzar las misiones de desarrollo de tecnología satelital FSW. Así, el I-7 dio lugar al primer satélite chino, el Dong Fang Hong 1 (El Este es Rojo 1), lanzado por un DF-1. Vital para el desarrollo de la cohetería china y del Dong Feng-1 fue Qian Xuesen (Tsien Hsue-shen en la transliteración de Wade Guiles) quien con Theodore von Kármán y el "Escuadrón Suicida" del Instituto Tecnológico de California creó el primer cohete sonda exitoso, el WAC Corporal .

A principios de la década de 1960, el cohete sonda se convirtió en una tecnología establecida.

Los cohetes sonda son ventajosos para algunas investigaciones debido a su bajo costo, ^[2] un tiempo de fabricación relativamente corto (a veces menos de seis meses) ^[7] y su capacidad para realizar investigaciones en áreas inaccesibles para globos o satélites. También se utilizan como bancos de pruebas para equipos que se utilizarán en misiones de vuelo espacial orbital más costosas y riesgosas . ^[2] El tamaño más pequeño de un cohete sonda también hace posible el lanzamiento desde sitios temporales, lo que permite estudios de campo en lugares remotos, e incluso en medio del océano, si se dispara desde un barco. ^[28]

Las observaciones meteorológicas , hasta una altitud de 75 km, se realizan con cohetes sonda , una especie de cohete sonda para observaciones atmosféricas que consta de un cohete y una radiosonda . La sonda registra datos sobre temperatura , humedad , velocidad y dirección del viento, cizalladura del viento , presión atmosférica y densidad del aire durante el vuelo. También se pueden registrar datos de posición ( altitud y latitud / longitud ).

Los cohetes meteorológicos más comunes son el Loki y el Super Loki , que suelen tener una altura de 3,7 m y están propulsados ​​por un motor de combustible sólido de 10 cm de diámetro . El motor del cohete se separa a una altitud de 1500 m y el resto de la sonda del cohete se desplaza hasta el apogeo (punto más alto). Este puede ajustarse a una altitud de entre 20 km y 113 km.

Los cohetes de sondeo se utilizan habitualmente para:

• Investigación en aeronomía , el estudio de la atmósfera superior , que requiere de esta herramienta para realizar mediciones in situ en la atmósfera superior.
• Astronomía ultravioleta y de rayos X , que requieren estar por encima de la mayor parte de la atmósfera de la Tierra.
• Investigación en microgravedad que se beneficia de unos minutos de ingravidez en cohetes lanzados a altitudes de unos cientos de kilómetros.
• La teledetección de los recursos de la Tierra utiliza cohetes sonda para obtener una visión sinóptica prácticamente instantánea del área geográfica bajo observación. ^[29]

Debido a la gran relevancia militar de la tecnología de misiles balísticos, siempre ha existido una estrecha relación entre los cohetes de sondeo y los misiles militares. Se trata de una tecnología típica de doble uso , que puede utilizarse tanto con fines civiles como militares. ^[30] Durante la Guerra Fría , la República Federal de Alemania cooperó en este tema con países que no habían firmado el Tratado de No Proliferación de Armas Nucleares en ese momento, como Brasil, Argentina e India. En el curso de las investigaciones del movimiento pacifista alemán , esta cooperación fue revelada por un grupo de físicos en 1983. ^[31] El debate internacional que así se puso en marcha condujo al desarrollo del Régimen de Control de Tecnología de Misiles (MTCR) a nivel de los estados del G7. Desde entonces, en el marco del MTCR se han elaborado listas de equipos tecnológicos cuya exportación está sujeta a estrictos controles.

• El Centro Espacial Andøya , en Noruega, opera dos sitios de lanzamiento de cohetes de sondeo, uno en Andøya y otro en Svalbard. Ha lanzado cohetes de sondeo desde 1962.
• Poker Flat Research Range es propiedad de la Universidad de Alaska Fairbanks .
• El programa británico de cohetes sonda Skylark comenzó en 1955 y se utilizó para 441 lanzamientos entre 1957 y 2005. El Skylark 12, de 1976, podía elevar 200 kilogramos (440 libras) a 575 kilómetros (357 millas) de altitud. ^[32]
• Los británicos también desarrollaron el cohete sonda Falstaff como parte del programa Chevaline . Se realizaron ocho lanzamientos entre 1969 y 1979 desde el campo de pruebas de Woomera , en Australia.
• Cedar, un programa de la Sociedad de Cohetes del Haigazian College, Ceadar 8 cruzó la línea Karman ^[33]
• El VSSC de ISRO desarrolló la serie de cohetes de sondeo Rohini a partir de 1967, que alcanzaron altitudes de 500 km ^{[34] [35]}
• El programa de cohetes de sondeo Stratos, que alcanzó los 21,5 km en 2015, está a cargo del departamento de ingeniería de cohetes aeroespaciales de la Universidad Tecnológica de Delft .
• Exela Space Industries está desarrollando el cohete de sondeo Aims-1 que se lanzará a 100 km en 2035.
• Evolution Space opera el cohete sonda Gold Chain Cowboy con lanzamiento a 124,5 km el 22 de abril de 2023. ^[36]
• El Instituto Australiano de Investigación Espacial ( ASRI ) opera un Programa de Cohetes de Sondeo Pequeños (SSRP) para lanzar cargas útiles (principalmente educativas) a altitudes de aproximadamente 7 km.
• En mayo de 2012, el Instituto Indio de Ciencia y Tecnología Espaciales (IIST) lanzó un cohete sonda (Vyom), que alcanzó una altitud de 15 km. El Vyom Mk-II se encuentra en la etapa de diseño conceptual y su objetivo es alcanzar una altitud de 70 km con una capacidad de carga útil de 20 kg. ^[37]
• La Universidad de Queensland opera cohetes de sondeo Terrier-Orion (capaces de alcanzar altitudes superiores a 300 km) como parte de su investigación hipersónica HyShot .
• La Agencia Espacial Iraní operó su primer cohete sonda en febrero de 2007.
• UP Aerospace opera el cohete sonda SpaceLoft XL que puede alcanzar altitudes de 225 km.
• TEXUS y MiniTEXUS, programas de cohetes alemanes en Esrange para los programas de investigación de microgravedad del DLR y la ESA .
• Astrium opera misiones con cohetes de sondeo de forma comercial, como contratista principal de la ESA o del Centro Aeroespacial Alemán (DLR).
• MASER , programa sueco de cohetes en Esrange para los programas de investigación de microgravedad de la ESA.
• MAXUS , programa de cohetes germano-sueco en Esrange para los programas de investigación de microgravedad de la ESA .
• SUPARCO de Pakistán lanzó la serie de cohetes de sondeo Rehbar , basados ​​en la serie de cohetes estadounidenses Nike-Cajun , entre 1962 y 1971.
• REXUS, programa de cohetes germano-sueco en Esrange para los programas de experimentos estudiantiles del DLR y la ESA.
• El Programa de Cohetes Sondeo de la NASA .
• La JAXA opera los cohetes de sondeo de la serie S : S-310 / S-520 / SS-520.
• La empresa estadounidense/neozelandesa Rocket Lab desarrolló la serie de cohetes sonda Ātea, altamente adaptables, capaces de transportar cargas útiles de entre 5 y 70 kg a altitudes de 250 km o más, y fueron lanzados una vez el 30 de noviembre de 2009.
• Los cohetes Meteor se construyeron en Polonia entre 1963 y 1974.
• El cohete Kartika I fue construido y lanzado en Indonesia por LAPAN en 1964, convirtiéndose en el cuarto cohete de sondeo en Asia, después de los de Japón, China y Pakistán.
• La Unión Soviética desarrolló un amplio programa utilizando cohetes como el M-100 , el más utilizado nunca; su sucesor por parte de su estado sucesor, Rusia, es el MR-20 y posteriormente el MR-30.
• Brasil lanza sus propios cohetes sonda desde 1965. La familia de cohetes más grande y actual es la Sonda , que constituye la base de investigación y desarrollo del lanzador de satélites VLS que Brasil lanzará próximamente. Otros cohetes incluyen el VSB-30
• El cohete Paulet I fue construido y lanzado en Perú por la Comisión Nacional de Investigación y Desarrollo Aeroespacial (CONIDA) en 2006, convirtiéndose en el primer cohete sonda del país y el tercero en Sudamérica, después de los de Brasil y Argentina.
• La Asociación de Cohetes de Sondeo Experimentales (ESRA) es una organización sin fines de lucro con sede en los Estados Unidos que ha organizado la Competencia Intercolegial de Ingeniería de Cohetes (IREC) desde 2006. ^[38]
• La ONERA de Francia lanzó un cohete sonda llamado Titus , desarrollado para la observación del eclipse solar total en Argentina el 12 de noviembre de 1966. Titus era un cohete de dos etapas con una longitud de 11,5 m, un peso de lanzamiento de 3,4 toneladas y un diámetro de 56 cm. Alcanzó una altura máxima de 270 kilómetros. Fue lanzado dos veces en Las Palmas, Chaco durante el eclipse, en colaboración con la agencia espacial argentina CNIE. ^[39]
• La Base de Cohetes Móviles del Centro Aeroespacial Alemán ( DLR MORABA ) diseña, construye y opera una variedad de tipos de cohetes de sondeo y vehículos personalizados en apoyo de programas de investigación nacionales e internacionales.
• Interstellar Technologies es una empresa japonesa que está desarrollando el cohete de sondeo experimental MOMO .

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