miniatura|El transbordador espacial Atlantis emprenent el vol. Un vol espacial és l'acció de viatjar a l'espai exterior i es fa amb una nau espacial que pot o no dur humans a bord. Alguns exemples de vols espacials tripulats són el programa Soiuz rus, el programa del transbordador espacial estatunidenc o l'Estació Espacial Internacional; exemples de vols no tripulats són les sondes espacials i els satèl·lits artificials en òrbita al voltant de la Terra, tals com satèl·lits de comunicacions.
Els vols espacials són utilitzats per l'exploració espacial i també per activitats comercials com el turisme espacial i les telecomunicacions per satèl·lit. Alguns altres usos no comercials dels vols espacials són els observatoris espacials i els satèl·lits d'observació terrestre.
Un vol espacial normalment comença amb un llançament espacial d'un coet que proveeix aquest de l'impuls necessari per escapar de la força de gravetat terrestre i propulsar-lo cap a l'espai; un cop allí, el moviment de la nau espacial és estudiat per una àrea de la física anomenada astrodinàmica. Algunes naus espacials romanen a l'espai per sempre, d'altres es desintegren durant la reentrada atmosfèrica i d'altres arriben a una superfície planetària o lunar sobre la qual aterren o impacten.
La tripulació d'un vol espacial acostuma a estar constituïda pel comandant de la nau, el pilot i els especialistes de la missió, encara que se'ls podran afegir especialistes de la càrrega útil. Tots, llevat d'aquests últims, han de ser astronautes.
Durant el vol, els astronautes pilots porten tenen la funció de comandant de bord i de pilot de la nau. Mentre que els especialistes de la missió són responsables de la coordinació de les operacions a la nau, pel que fa a experiments i les càrregues útils durant el vol. Prop d'onze setmanes abans de la data prevista per a l'inici del vol, la tripulació comença una sèrie de simulacions específiques. El simulador de vol és connectat amb el centre de control de la missió, així com una xarxa d'estacions de seguiment. Els astronautes han d'aprendre a treballar en condicions de microgravetat, i per fer-ho s'utilitzen una sèrie d'avions modificats especialment per a l'entrenament.
Història
La primera proposta realista de vol espacial fou creada per Konstantín Eduàrdovitx Tsiolkovski. La seva obra més coneguda, (‘L'exploració de l'espai còsmic per mitjà de dispositius de reacció), va ser publicada el 1903, però aquesta obra teòrica no va influir fora de Rússia.
El vol espacial va esdevenir una possibilitat d'enginyeria amb el treball de Robert H. Goddard, i el seu article «A Method of Reaching Extreme Altitudes» ('Un mètode per atènyer altituds extremes'). Goddard també va provar al laboratori que els coets funcionarien al buit de l'espai; no tots els científics de l'època ho creien. Aquest article va influir Hermann Oberth i Wernher Von Braun, que posteriorment tingueren papers clau en el vol espacial.
El primer coet a arribar a l'espai, a una altitud de 100 km, va ser l'alemany V-2, en un vol de prova el juny de 1944. El 4 d'octubre de 1957, la Unió Soviètica llançava l'Sputnik 1, que va esdevenir el primer satèl·lit artificial en òrbita a la Terra. El primer vol espacial humà va ser el Vostok 1 el 12 d'abril de 1961, damunt del qual Iuri Gagarin va fer una òrbita al voltant de la Terra. Els principals arquitectes del programa espacial soviètic van ser els científics Serguei Koroliov i Kerim Kerimov.Peter Bond, Obituary: Lt-Gen Kerim Kerimov, The Independent, 7 d'abril de 2003.
Els coets són, actualment, l'única manera pràctica d'arribar a l'espai. Altres mètodes de llançament espacial tals com scramjets encara es queden curts pel que fa a la velocitat orbital.
Fases del vol espacial miniatura|El Saturn V en la plataforma de llançament abans del llançament de l'Apollo 4. Cosmòdroms
Un vol espacial normalment comença en un cosmòdrom que sol estar equipat amb equips i plataformes de llançament si es tracta de coets de llançament vertical, o pistes d'enlairament i aterratge si es tracta d'avions o naus espacials amb ales. Els cosmòdroms estan situats prou lluny de nuclis urbans per raons de soroll i seguretat.
El llançament està sovint restringit a certes finestres de llançament. Aquestes finestres depenen de la posició dels cossos celestes i de les òrbites relatives al lloc de llançament. La influència més important és la rotació de la Terra. Un cop llançada la nau, les òrbites normalment estan localitzades dins de plans relativament constants en un angle fix en relació amb l'eix de la Terra, i la Terra gira dins aquesta òrbita.
Arribada a l'espai miniatura|El coet Proton enlairant-se cap a l'espai. La definició més utilitzada per espai exterior és tot allò que es troba un cop sobrepassada la línia de Karman, la qual es troba 100 km per sobre la superfície terrestre; els Estats Units, però, de vegades defineixen l'espai exterior com tot l'espai per sobre les 50 milles (80 km) d'altitud.
Per tal que un projectil assoleixi l'espai exterior partint de la superfície necessita una delta-v mínima; aquesta velocitat és molt menor que la velocitat d'escapament. Els sistemes de llançament per a vols tripulats tenen sovint un sistema d'escapament al llançament que permet escapar als astronautes en el cas d'una fallada.
Plataforma de llançament
Una plataforma de llançament és una estructura fixa dissenyada per enviar els vehicles espacials a l'espai. Consisteix en una torre de llançament i una rasa, i està envoltat per equipament utilitzat per aixecar, alimentar de combustible i mantenir els vehicles de llançament.
Altres maneres d'assolir l'espai
S'han proposat moltes altres maneres d'arribar a l'espai sense fer ús de coets. Algunes idees, com l'ascensor espacial, són encara impossibles de realitzar, mentre que llançadors electromagnètics com els llaços de llançament no tenen impediments coneguts. Altres idees són els avions assistits per coets com l'Skylon o els scramjets.
Abandonament de l'òrbita
Aconseguir una òrbita tancada no és pas essencial per viatges lunars i interplanetaris, pels quals la nau especial necessita excedir la velocitat d'escapament terrestre (o apropar-s'hi en el cas de vols lunars). Els primers vehicles espacials russos van assolir altituds molt elevades sense entrar en òrbita. La NASA va considerar llançar les missions Apollo directament en trajectòries lunars però finalment va adoptar l'estratègia d'entrar primer en una òrbita d'aparcament temporal i després passar a una òrbita lunar, la qual cosa suposava un cost de combustible, ja que l'àpside de l'òrbita en aparcament ha de ser prou gran com per prevenir la reentrada, mentre que la injecció directa pot tenir un àpside relativament baix perquè mai s'assolirà.
De totes maneres, l'aproximació a l'òrbita d'aparcament va simplificar la planificació de la missió Apollo de moltes maneres importants. Va ampliar de manera substancial les finestres de llançament permeses, i així va incrementar les probabilitats de succés del llançament tot i poder tenir petits problemes tècnics durant el compte enrere. L'òrbita d'aparcament fou un «altiplà de la missió» que donà als astronautes i als controladors unes quantes hores per comprovar a consciència la nau espacial després de l'estrès sofert durant el llançament just abans de destinar-lo a un llarg viatge lunar; la tripulació, si calgués, podia tornar ràpidament a la Terra o bé es podia executar una missió alternativa a l'òrbita terrestre. L'òrbita d'aparcament també va permetre trajectòries translunars que evitaven les parts més denses dels cinturons de radiació de Van Allen.
Les missions Apollo van minimitzar la penalització en el rendiment a causa de l'òrbita d'aparcament mantenint la seva altitud tan baixa com fos possible. L'Apollo 15 usava una poc usual òrbita baixa (fins i tot per ser un Apollo) de 92,5 per 91,5 milles marines (171x169 km) on hi havia una resistència aerodinàmica significant; va ser superat parcialment, però, gràcies a l'aportació contínua d'hidrogen provinent del tercer mòdul del Saturn V.
Les missions robòtiques no fan necessari preveure la necessitat de poder avortar ni de minimitzar la radiació; a més, com que els llançadors moderns ja troben finestres de llançament «instantànies», les sondes espacials a la Lluna i altres planetes generalment utilitzen injecció directa per maximitzar el rendiment.
Cal notar que la velocitat d'escapament d'un cos celeste decreix amb l'altura sobre aquest cos. De totes maneres, és més eficient —pel que fa al combustible— per una nau cremar-lo tan prop del sòl com sigui possible (efecte Oberth).Escape Velocity of Earth Aquesta és una altra manera d'explicar la penalització en el rendiment associat amb l'establiment d'un àpside segur en una òrbita d'aparcament.
Els plans actuals per futures missions interplanetàries tripulades preveuen l'assemblatge final del vehicle en l'òrbita terrestre, com per exemple l'Orion de la NASA i el tàndem Kliper/Parom de Rússia.
Astrodinàmica
L'astrodinàmica és l'estudi de les trajectòries de les naus espacials, particularment en relació amb els efectes gravitacionals i de propulsió. L'astrodinàmica permet a una nau espacial arribar al seu destí a l'hora correcta sense usar excessiu combustible.
Reentrada
miniatura|Restes de gas ionitzat de la reentrada del Transbordador Els vehicles en òrbita tenen grans quantitats d'energia cinètica. D'aquesta energia la nau se n'ha de desfer per poder aterrar de manera segura sense evaporar-se en l'atmosfera. Típicament aquest procés requereix mètodes especials per protegir la nau de la calefacció aerodinàmica. La teoria darrere la reentrada es deu a Harry Julian Allen; basant-se en aquesta teoria, els vehicles de reentrada presenten formes poc afilades per poder entrar de manera segura. «Formes poc afilades» vol dir que menys de l'1% de l'energia cinètica acaba com a calor que afecta el vehicle i que la resta d'energia calorífica, en comptes d'això, acaba a l'atmosfera.
Aterratge miniatura|Recuperació de la càpsula de retorn del Discoverer 14. Les càpsules del Mercuri, Gemini i Apollo van amarar al mar. Aquestes càpsules eren dissenyades per aterrar a velocitats relativament petites. Les càpsules russes del Soiuz feien servir coets de desacceleració abans de tocar a terra.
Recuperació Després de l'aterratge reeixit de la nau espacial, els ocupants i la càrrega poden ser recuperats. En alguns casos, la recuperació té lloc abans de l'aterratge: mentre la nau encara descendeix en el seu paracaigudes pot ser capturat per un aparell especialment dissenyat per aquesta acció. Aquesta tècnica de recuperació a l'aire fou utilitzada per recuperar els rotlles de film dels satèl·lits espia Corona.
Tipus de vols espacials Vol espacial tripulat
El primer viatge espacial tripulat va ser a bord de la Vostok 1 el 12 d'abril de 1961, en la qual Iuri Gagarin de la Unió Soviètica va fer una volta al voltant de la Terra. Als documents oficials soviètics no es menciona que Gagarin va fer en paracaigudes els últims 11 quilòmetres.Vostok 1 Les normes internacionals de rècords d'aviació estipulen que «el pilot ha d'estar dins de la nau des del llançament a l'aterratge»; si s'apliqués aquesta norma, el vol de Gagarin seria desqualificat. Actualment les úniques naus que s'utilitzen regularment per a vols espacials tripulats són els Soiuz russos i la flota de transbordadors espacials dels Estats Units (fins al 2011). Últimament també s'han utilitzat les naus xineses Shenzhou (3 vegades), i lSpaceShipOne (dues vegades).
Vol espacial suborbital