Velocidades y trayectorias   Leave a comment


Este tema dice relación con las velocidades de escape que deben alcanzar los ingenios espaciales al momento de despegar de la Tierra o de otro cuerpo celeste, las velocidades mínimas que deben adquirir para sostener una órbita segura en torno a la Tierra y los otros cuerpos, la velocidad mínima que deben adquirir para alcanzar éstos o abandonar el Sistema Solar. El tema incluye el cálculo, ejecución y seguimiento de los movimientos orbitales de las naves en torno a los cuerpos celestes, las diferentes alturas a alcanzar en la realización de las órbitas, la determinación de las trayectorias más eficientes en términos de gasto de combustible y tiempo de aquellas naves que pretenden alcanzar los mundos del Sistema Solar, tanto interiores como exteriores; así mismo, se aborda el cálculo de las trayectorias de reingreso de las naves a la atmósfera de la Tierra.

Las velocidades cósmicas

Respecto a las velocidades que deben alcanzar las naves existe una primera llamada de satelización (7,9 km/s,) que es la velocidad mínima que les permite sostener una órbita circular sin caer a la Tierra; al aumentar la velocidad las órbitas serán cada vez más elípticas. Al alcanzar los 11,2 km/seg (velocidad parabólica) la nave se libera de la atracción gravitatoria de la Tierra y entra en la del Sol a la manera de un pequeño asteroide. Al alcanzar los 42 km/s (velocidad hiperbólica) la nave es capaz de liberarse de la atracción solar y escapar del Sistema. 2

Mientras más cerca se encuentre una nave orbitando la Tierra, más rápido deberá moverse para sostener su órbita; de lo contrario, caerá en las capas altas de la atmósfera. Por lo tanto, el período de vida orbital de toda nave dependerá de la altura que hayan alcanzado (p.ej: el satélite Explorer I tenía una velocidad de 28.000 km/h para alcanzar un apogeo de 2475 km a partir de la superficie). La duración de la órbita de una nave dependerá de la distancia en altura que haya alcanzado.

Las órbitas satelitales pueden ser descritas en cualquier sentido en relación al Ecuador terrestre, aunque se prefieren trayectorias predeterminadas que permitan un seguro rastreo de parte de los equipos de Tierra.

En cuanto a las trayectorias y velocidades requeridas para la exploración de la Luna, las naves deben alcanzar el punto de equilibrio entre la atracción terrestre y la lunar. La velocidad establecida para alcanzar este punto es de 10,9 km/s, lo que permite a los artefactos orbitar la Luna sin el peligro de estrellarse en su superficie o pasar de largo. Dado que la Luna tiene una fuerza de gravedad inferior a la de la Tierra, las velocidades cósmicas requeridas de satelización y escape son menores que la de ésta.

Las velocidades y trayectorias elípticas que llevan a las naves a la exploración del resto de los cuerpos celestes del Sistema Solar plantea condiciones de cálculo de trayectorias y velocidades más difíciles, pues se deben tomar en cuenta una serie de factores: movimiento de la Tierra, atracción gravitatoria del Sol y de los planetas, cercanía o lejanía del cuerpo a explorar, velocidad de dichos cuerpos, capacidad de combustible y empuje desarrollados por la nave. En términos generales, resulta más fácil para los científicos y controladores la exploración de los mundos interiores del Sistema Solar que los mundos exteriores; en el primer caso las naves aprovechan la influencia gravitatoria del Sol, mientras que en el segundo las naves deben vencer dicha influencia y la de los otros cuerpos mediante un mayor gasto de combustible y mediante complejos cálculos de trayectorias que las hagan alcanzar su objetivo. En este último caso las trayectorias elegidas suelen ser las más largas, pero las más económicas en términos de gasto de combustible. Básicamente, las naves destinadas a los mundos exteriores, lanzadas en dirección al Este, deben aprovechar la fuerza inercial que les otorga el movimiento de rotación de la Tierra(unos 30 km/s = 108.000 km/h), a lo que suman su propio impulso proporcionado por los cohetes.

Previo a la realización del viaje a lo largo de la trayectoria elegida las naves deben ser colocadas en una órbita terrestre llamada de aparcamiento.

El mejor momento para iniciar el viaje a los planetas interiores(como es el caso de Venus) es cuando éstos se encuentran en conjunción, es decir, entre la Tierra y el Sol; para iniciar el viaje a los planetas exteriores(como es el caso de Marte) se debe esperar el momento en que éstos se encuentran en oposición, es decir, de la parte opuesta del Sol respecto a la Tierra. 3

La navegación

Durante la navegación espacial las naves deben ir controlando permanentemente su ruta mediante la guía de poderosas computadoras, tanto internas como ubicadas en Tierra. Sorprende los extraordinarios logros alcanzados en materia del cálculo y control en la época previa a la invención de los microprocesadores, con limitadas velocidades de procesamiento y de memoria de parte de los ordenadores. En órbita en torno a la Tierra el horizonte del planeta es una referencia válida para la orientación de las naves. Durante la navegación profunda la computadora interna de la nave suele guiarla usando una serie de referencias estelares(la estrella Canopus es la más usada como guía).

En toda navegación, e incluso en el despegue y en el aterrizaje, juega un importante papel el sistema de alarma.4 Este sistema tiene como finalidad avisar a los tripulantes y/o a las computadoras a bordo, merced a las órdenes de Tierra, que se deben corregir situaciones de posición, trayectoria, impulso, movimiento, u otros, o bien activar protocolos de misión, o detectar fallos en los sistemas, o, en el peor de los casos, avisar de un peligro real. Tanto el sistema de alarma del control en Tierra como el de la propia nave están interconectados, aunque en la medida en que éstas se alejen de aquel en dirección a los astros el sistema interno de la nave pasa a jugar un rol más autónomo.

La técnica de lanzamiento

Las técnicas de lanzamiento contemplan cuidadosos controles internos de los sistemas de la nave, regidos por una cuenta regresiva, y un cuidadoso control de las condiciones del tiempo atmosférico. Una vez terminada la cuenta comienza la ignición de la fase inicial del sistema de cohetes. Este momento reviste especial dramatismo, en especial para las tripulaciones que pueden encontrarse a bordo. La nave es elevada progresivamente, acelerando continuamente. Las fuertes tensiones-el ruido y los movimientos- que genera el empuje pone a prueba la resistencia de los materiales y el entrenamiento de los astronautas. Una vez alcanzadas las capas superiores de la atmósfera el roce de la nave disminuye, así como el ruido y el movimiento. Las diversas secciones de la nave se van desprendiendo una a una y la nave entra en la órbita asignada.

Otras técnicas de lanzamiento están en fase de propuesta teórica: aceleración de las naves mediante largas rampas de lanzamiento, aplicando el principio del electromagnetismo, a modo de un “cañón espacial”; la construcción de un ascensor espacial, mediante un sistema de anclaje puesto en órbita. La propuesta más factible es la construcción de una lanzadera que despegue a manera de un avión convencional, o que sea lanzada a una órbita baja por un transporte aéreo de gran altura.

El aterrizaje

Al revés, la fase de descenso en la Tierra genera otra serie de inconvenientes que deben ser resueltas. En primer lugar, determinar y acertar en el ángulo correcto de entrada a la atmósfera, un verdadero “corredor” de ingreso. El ángulo no puede ser ni muy oblicuo ni muy vertical. Un ángulo muy vertical provocaría que la nave se estrellase prácticamente con la capa de aire, aumentando fuertemente la fricción y el calor, lo que ocasionaría su destrucción. Por el contrario, un ángulo demasiado oblicuo y a mucha velocidad hará que la nave rebote en las capas superiores, describiendo una parábola y pasando de largo; a menor velocidad la nave rebotará, pero ingresará en la atmósfera más allá del punto fijado como óptimo.5 En ángulo correcto y a la velocidad correcta la nave cortará progresivamente las capas atmosféricas superiores, disminuirá su velocidad, y reducirá los niveles de roce y calor. Previo al reingreso la nave enciende sus cohetes de frenado, disminuyendo drásticamente su velocidad y perdiendo altura; durante el proceso la nave debe ser girada en tal forma que ofrezca su flanco más resistente a la fricción. Afortunadamente, las naves poseen un eficiente escudo térmico que disipa el calor.

Hasta el momento dos han sido los métodos de aterrizaje usados en las naves, en particular las tripuladas: el empleo de paracaídas partir de unos 15 km de altura seguido, ya sea de un amerizaje (técnica empleada por EE.UU), o por un descenso directo en tierra (técnica empleada por la ex Unión Soviética), o bien el empleo del método aeronáutico de planeo (transbordadores de EE.UU) seguido de un aterrizaje en una pista convencional.

Un momento de gran incertidumbre durante el reingreso lo constituye el paso de las naves por la llamada franja de silencio, que dura unos cinco minutos, y consistente en atravesar cierta área de la atmósfera que conlleva la interrupción completa de las comunicaciones radiales con el control de tierra.

Publicado noviembre 2, 2011 por sbabri en Tecnología espacial

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