miniatura|El VentureStar va ser una proposta d'avió espacial SSTO. Un vehicle de llançament d'un sol tram (SSTO) arriba a l'òrbita des de la superfície d'un cos utilitzant només propel·lents i fluids i sense gastar tancs, motors o altres components importants. El terme normalment, però no exclusivament, es refereix a vehicles reutilitzables. Fins ara, no s'ha fet mai volar cap vehicle de llançament SSTO llançat des de la Terra; els llançaments orbitals des de la Terra s'han realitzat mitjançant coets de diversos trams, totalment o parcialment desemborsables.
El principal avantatge projectat del concepte SSTO és l'eliminació de la substitució de maquinari inherent als sistemes de llançament d'un sol ús. Tanmateix, els costos no recurrents associats amb el disseny, desenvolupament, recerca i enginyeria (DDR&E) dels sistemes SSTO reutilitzables són molt més alts que els dels sistemes d'un sol ús a causa dels importants reptes tècnics de l'SSTO, suposant que aquests problemes tècnics es puguin resoldre. Els vehicles SSTO també poden requerir un grau significativament més alt de manteniment regular.
Es considera marginalment possible llançar una nau espacial d'un sol tram alimentat per combustible químic des de la Terra. Els principals factors que compliquen l'SSTO des de la Terra són: una alta velocitat orbital de més de ; la necessitat de superar la gravetat terrestre, especialment en les primeres etapes del vol; i el vol dins de l'atmosfera terrestre, que limita la velocitat en les primeres etapes del vol a causa de la resistència aerodinàmica i influeix en el rendiment del motor.
Els avenços en coets al segle XXI han provocat una disminució substancial del cost de llançar un quilogram de càrrega útil a l'òrbita terrestre baixa o a l'Estació Espacial Internacional, reduint el principal avantatge projectat del concepte SSTO.
Entre els conceptes destacats de posada en òrbita d'un sol tram s'inclouen l'Skylon, que utilitzava el motor SABRE de cicle híbrid que pot utilitzar oxigen de l'atmosfera quan es troba a baixa altitud i després utilitzar oxigen líquid a bord després de canviar al motor de coet de cicle tancat a gran altitud, el McDonnell Douglas DC-X, el Lockheed Martin X-33 i el VentureStar, que pretenia substituir el transbordador espacial, i el Roton SSTO, un vehicle semblant a un helicòpter. Tanmateix, tot i mostrar algunes promeses, cap d'ells s'ha acostat encara a aconseguir l'òrbita a causa de problemes per trobar un sistema de propulsió prou eficient i la interrupció del desenvolupament.
L'arribada a l'òrbita amb un sol tram és molt més fàcil d'aconseguir en cossos extraterrestres que tenen camps gravitatoris més febles i una pressió atmosfèrica més baixa que la Terra, com ara la Lluna i Mart, i s'ha aconseguit des de la Lluna pel mòdul lunar del programa Apollo, per diverses naus espacials robòtiques del programa soviètic Luna i per les missions de retorn de mostres lunars Chang'e 5 i Chang'e 6 de la Xina.
Història Primers conceptes miniatura|250x250px|Art conceptual de ROMBUS Abans de la segona meitat del segle XX, es van dur a terme molt poques investigacions sobre els viatges espacials. Durant la dècada de 1960, van començar a sorgir alguns dels primers dissenys conceptuals per a aquest tipus de naus.
Un dels primers conceptes de SSTO va ser el camió espacial orbital d'un sol tram (OOST) d'un sol ús proposat per Philip Bono, un enginyer de Douglas Aircraft Company. També es va proposar una versió reutilitzable anomenada ROOST.
Un altre concepte primerenc de SSTO va ser un vehicle de llançament reutilitzable anomenat NEXUS, proposat per Krafft Arnold Ehricke a principis dels anys seixanta. Va ser una de les naus espacials més grans mai conceptualitzades, amb un diàmetre de més de 50 metres i la capacitat d'elevar fins a 2000 tones curtes a l'òrbita terrestre, destinada a missions a llocs més llunyans del Sistema Solar, com ara Mart.
El North American Air Augmented VTOVL del 1963 era una nau similarment gran que hauria utilitzat estatorreactors per disminuir la massa d'enlairament del vehicle eliminant la necessitat de grans quantitats d'oxigen líquid mentre viatjava per l'atmosfera.
A partir del 1965, Robert Salkeld va investigar diversos conceptes d'avions espacials alats d'un sol tram per orbitar. Va proposar un vehicle que cremés combustible d'hidrogen mentre estigués a l'atmosfera i després canviés a combustible d'hidrogen per augmentar l'eficiència un cop a l'espai.
Altres exemples dels primers conceptes de Bono (abans de la dècada de 1990) que mai es van arribar a construir inclouen:
ROMBUS (Mòdul Orbital Reutilitzable, Projecció i Llançadora Utilitària), un altre disseny de Philip Bono. Tècnicament no era d'un sol tram, ja que va deixar caure alguns dels seus dipòsits d'hidrogen inicials, però va estar-hi molt a prop. Ítac, un concepte ROMBUS adaptat que va ser dissenyat per transportar soldats i equipament militar a altres continents a través d'una trajectòria suborbital. Pegasus, un altre concepte ROMBUS adaptat dissenyat per transportar passatgers i càrregues útils a llargues distàncies en curts períodes de temps a través de l'espai. Douglas SASSTO, un concepte de vehicle de llançament de 1967. Hyperion, un altre concepte de Philip Bono que utilitzava un trineu per augmentar la velocitat abans de l'enlairament per estalviar la quantitat de combustible que s'havia d'elevar a l'aire.
Star-raker : El 1979, Rockwell International va presentar un concepte per a un motor de coet criogènic/ramjet multicicle de 100 tones de càrrega útil, enlairament horitzontal/aterratge horitzontal d'un sol tram a l'òrbita anomenat Star-Raker, dissenyat per llançar satèl·lits d'energia solar espacial pesants a una òrbita terrestre de 300 milles nàutiques. Star-raker hauria tingut 3 motors de coet LOX/LH2 (basats en el SSME) + 10 turboramjets.
Al voltant de 1985, el projecte NASP tenia com a objectiu llançar un vehicle de reacció ultraràctica en òrbita, però es va aturar el finançament i el projecte es va cancel·lar. Més o menys al mateix temps, l'HOTOL va intentar utilitzar tecnologia de motors de reacció prerefrigerats, però no va aconseguir mostrar avantatges significatius respecte a la tecnologia de coets.
Tecnologia DC-X miniatura|El vol inaugural del DC-X El DC-X, abreviatura de Delta Clipper Experimental, va ser un demostrador d'enlairament i aterratge vertical sense tripulació a una escala d'un terç per a una proposta de SSTO. És un dels pocs prototips de vehicles SSTO mai construïts. Es van preveure diversos altres prototips, incloent-hi el DC-X2 (un prototip a mitja escala) i el DC-Y, un vehicle a escala real que seria capaç d'inserir-se en òrbita en un sol tram. Cap d'aquests es va construir, però el projecte va ser assumit per la NASA el 1995, i van construir el DC-XA, un prototip actualitzat a una escala d'un terç. Aquest vehicle es va perdre quan va aterrar amb només tres de les seves quatre plataformes d'aterratge desplegades, cosa que va fer que bolqués de costat i explotés. El projecte no ha continuat des de llavors.
Roton De 1999 a 2001, Rotary Rocket va intentar construir un vehicle SSTO anomenat Roton. Va rebre molta atenció mediàtica i es va completar un prototip funcional a subescala, però el disseny era en gran part impracticable.
Enfocaments Hi ha hagut diversos enfocaments per als vehicles SSTO, incloent: coets purs que es llancen i aterren verticalment, vehicles amb motor scramjet que respiren aire i aterren horitzontalment, vehicles amb propulsió nuclear i fins i tot vehicles amb motor de reacció que poden volar en òrbita i tornar a aterrar com un avió de passatgers, completament intactes.
Per a l'SSTO propulsat per coets, el principal repte és aconseguir una relació de masses prou alta per transportar suficient propel·lent per arribar a l'òrbita, a més d'un pes de càrrega útil significatiu. Una possibilitat és donar al coet una velocitat inicial amb un canó espacial, tal com es va planejar al projecte Quicklaunch.
Per a l'SSTO de respiració d'aire, els principals reptes són la complexitat del sistema i els costos de recerca i desenvolupament associats, la ciència dels materials, les tècniques de construcció necessàries per sobreviure a un vol sostingut d'alta velocitat dins de l'atmosfera i aconseguir una relació de masses prou alta per transportar suficient propel·lent per arribar a l'òrbita, a més d'un pes de càrrega útil significatiu. Els dissenys de respiració d'aire solen voler a velocitats supersòniques o hipersòniques i solen incloure un motor de coet per a la combustió final per arribar a l'òrbita.
Combustibles densos versus combustibles d'hidrogen El combustible d'hidrogen pot semblar el combustible obvi per als vehicles SSTO. Quan es crema amb oxigen, l'hidrogen dóna l'impuls específic més alt de qualsevol combustible d'ús comú: uns 450 segons, en comparació amb fins a 350 segons per al querosè.
L'hidrogen té els següents avantatges:
L'hidrogen té un impuls específic gairebé un 30% més alt (uns 450 segons enfront de 350 segons) que la majoria de combustibles densos. L'hidrogen és un excel·lent refrigerant. La massa bruta dels trams d'hidrogen és inferior a la dels trams de combustible dens per a una mateixa càrrega útil. L'hidrogen és respectuós amb el medi ambient.
Tanmateix, l'hidrogen també té aquests inconvenients:
Densitat molt baixa (aproximadament densitat del querosè) – que requereix un dipòsit molt gran Profundament criogènic: s'ha d'emmagatzemar a temperatures molt baixes i, per tant, necessita un aïllament resistent S'escapa molt fàcilment de la bretxa més petita Àmplia gamma de combustibles: s'encén fàcilment i crema amb una flama perillosament invisible Tendeix a condensar oxigen, cosa que pot causar problemes d'inflamabilitat Té un gran coeficient d'expansió fins i tot per a petites fuites de calor.
Un motor per a totes les altituds Alguns conceptes SSTO utilitzen el mateix motor per a totes les altituds, cosa que és un problema per als motors tradicionals amb una tovera en forma de campana. Depenent de la pressió atmosfèrica, es requereixen diferents formes de campana. Els motors dissenyats per funcionar al buit tenen campanes grans, que permeten que els gasos d'escapament s'expandeixin fins a pressions properes al buit, augmentant així l'eficiència. A causa d'un efecte conegut com a separació de flux, l'ús d'una campana de buit a l'atmosfera tindria conseqüències desastroses per al motor. Per tant, els motors dissenyats per funcionar a l'atmosfera han d'escurçar la tovera, només expandint els gasos fins a la pressió atmosfèrica. Les pèrdues d'eficiència a causa de la campana més petita se solen mitigar mitjançant el tram, ja que els motors de tram superior com el Rocketdyne J-2 no han d'encendre's fins que la pressió atmosfèrica sigui insignificant i, per tant, poden utilitzar la campana més gran.
SSTO de respiració aèria miniatura|350x350px|Pla espacial Skylon Alguns dissenys per a SSTO intenten utilitzar motors de reacció amb respiració d'aire que recullen oxidant i massa de reacció de l'atmosfera per reduir el pes d'enlairament del vehicle.
Alguns dels problemes d'aquest plantejament són:
Cap motor de respiració d'aire conegut és capaç de funcionar a velocitat orbital dins l'atmosfera (per exemple, els scramjets alimentats per hidrogen semblen tenir una velocitat màxima d'aproximadament Mach 17). Això significa que s'han d'utilitzar coets per a la inserció orbital final. L'empenta del coet necessita que la massa orbital sigui el més petita possible per minimitzar el pes del propulsor.