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NAVEGACIÓN ESPACIAL: CMC
NAVE ESPACIAL
Una nave espacial o astronave es un vehículo diseñado para funcionar más allá de
la atmósfera terrestre, en el espacio exterior. Las naves espaciales pueden ser robóticas o
bien estar tripuladas.
FISICA EN LA NAVEGACION ESPACIAL
Primera ley de Newton ( o por qué las naves espaciales no tienen frenos)
El enunciado de la primera ley de Newton es el siguiente: "Todo cuerpo tiende a
mantener su estado de movimiento o de reposo en el que se encuentre a menos que
exista una fuerza externa que lo modifique".
En el vacío del espacio, no existe fricción alguna que detenga el avance de la nave
espacial. Si se aplica impulso durante un minuto, la nave continuará moviéndose
infinitamente
Intensidad del campo gravitatorio
Mecánica clásica: Ley de la Gravitación Universal de Newton
La Ley de la Gravitación Universal de Newton establece que la fuerza que ejerce una
partícula puntual con masa m1 sobre otra con masa m2 es directamente proporcional
al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que
las separa:
donde es el vector unitario que dirigido de la partícula 1 a la 2, esto es, en la dirección
del vector , y es la constante de gravitación universal, siendo su valor
aproximadamente 6,674 × 10–11 N·m2/kg2.
Por ejemplo, usando la ley de la Gravitación Universal, podemos calcular la fuerza de
atracción entre la Tierra y un cuerpo de 50 kg. La masa de la Tierra es 5,974 × 1024 kg y
la distancia entre el centro de gravedad de la Tierra (centro de la tierra) y el centro de
gravedad del cuerpo es 6378,14 km (igual a 6378140 m, y suponiendo que el cuerpo se
encuentre sobre la línea del Ecuador). Entonces, la fuerza es:
Teoría de la relatividad general
Según Einstein, no existe el empuje gravitatorio; dicha fuerza es una ilusión, un efecto
de la geometría. Así, la Tierra deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de
manera que el propio espacio nos empuja hacia el suelo. Una hormiga, al caminar
sobre un papel arrugado, tendrá la sensación de que hay fuerzas misteriosas que la
empujan hacia diferentes direcciones, pero lo único que existe son pliegues en el
papel, su geometría.
Representación esquemática bidimensional de la deformación del espacio-tiempo en
el entorno de la Tierra.
Gravedad y naves espaciales
Habiendo aclarado los conceptos básicos teóricos vamos a ver como funciona la
navegación espacial empezando por los cohetes de combustible líquido. La potencia
propulsora de éstos es la clave de la capacidad humana para penetrar en el áspero
vacío del espacio y necesitan tener una gran potencia para vencer la fuerza terrestre y
situarse en órbita o salir al espacio exterior alcanzando la "velocidad de escape".
Al lanzar un cohete, éste debe alcanzar cierta velocidad antes de salir al espacio.
Cuando alcanza esta velocidad crítica, conocida como "velocidad de escape", el cohete
tendrá suficiente energía para vencer la atracción de la gravedad y abandonar el
planeta. A velocidades inferiores a la de escape, el proyectil se convertiría en un
satélite artificial en órbita elíptica alrededor del astro que lo atraiga. Según las
dimensiones del astro y la velocidad inicial del proyectil, puede ocurrir que esa
trayectoria elíptica se complete o que termine en colisión con el astro que atrae al
proyectil. En este segundo caso, suele aproximarse la trayectoria elíptica por una
parábola (Tiro parabólico).
Ilustración del razonamiento de Isaac Newton. Desde la Cima de una montaña, un
cañón dispara proyectiles con cada vez más velocidad. Los proyectiles A y B caen en
tierra. El proyectil C entra en órbita circular acoplándose a la curvatura de la Tierra y el
D en órbita elíptica. El proyectil E se libera de la atracción terrestre.
El dibujo muestra el cuerpo lanzado desde la cima de una montaña, pero el principio se
aplica donquiera que pueda estar la plataforma de lanzamiento.
Velocidad orbital
Se sabe que la Tierra crea un campo gravitatorio causante de la atracción de los
cuerpos en dirección perpendicular a la superficie de la misma. En consecuencia, los
primeros problemas que han de resolverse para posibilitar un vuelo espacial están
directamente relacionados con la cuestión de vencer la fuerza de atracción
gravitatoria.
La física indica que esto sólo es posible confiriendo velocidad a un cuerpo, de modo
que consiga escapar a la influencia del campo gravitatorio terrestre para, luego,
proseguir en vuelo gravitacional y, finalmente, si procede, hacerlo regresar a la Tierra.
En astronáutica se consideran tres valores principales de velocidad.
Gravedad y naves espaciales
Se la denomina también "velocidad de satelización u orbital". Esa velocidad es la
mínima necesaria para que un cuerpo se convierta en satélite terrestre siguiendo una
trayectoria circular (en ausencia de aire) y sin precipitarse sobre nuestro planeta. Esta
velocidad depende de la altura a la que el cuerpo se encuentre con respecto a la
superficie terrestre, y se considera suponiendo ausencia de atmósfera; esta dada por
la siguiente fórmula:
donde v=velocidad en km/s; R=radio de la Tierra; y r=distancia al centro de la Tierra.
Así, en las proximidades de la superficie, v=7,9 km/s porque R=r (siendo = el signo de
aproximación)
Segunda velocidad orbital
También llamada "velocidad parabólica o de escape" es la mínima velocidad inicial que
ha de comunicarse a un cuerpo para que, comenzando el movimento próximo a la
superficie de la Tierra, supere la fuerza gravitatoria terrestre. Dicha velocidad depende
también de la altura a la que se halle el cuerpo. Se expresa mediante la fórmula:
Tercera velocidad cósmica
También llamada "velocidad hiperbólica", es la mínima velocidad inicial bajo la cual un
cuerpo, comenzando su movimiento en las proximidades de la superficie terrestre,
supera en primer lugar la atracción gravitatoria de la Tierra, en segundo lugar la del Sol
y, finalmente, abandona el Sistema Solar. En la superficie terrestre esta tercera
velocidad cósmica es de 16,7 km/s.
LA TEORÍA FUNDAMENTAL DE LA ASTRONÁUTICA
Para enviar un vehículo al espacio exterior, normalmente lo primero que se hace es
situarlo en una órbita de estacionamiento próxima a la de la Tierra.
Oportunamente se incrementa su velocidad a fin de que salte a otra trayectoria,
definitiva o no (en este caso se tiene una órbita de transferencia).
El problema principal que existe en la navegación espacial es que para alcanzar una
determinada órbita cuando se están atravesando las capas atmosféricas es el de
encontrar una solución de compromiso entre el incremento necesario de velocidad y la
capacidad de la resistencia a las altas temperaturas propia del material con el que está
construida la nave. Una vez fuera de todo campo gravitatorio, el incremento de
velocidad viene dado por la fórmula deducida por Tsiolkowski en 1903.
donde v= incremento de velocidad; u = velocidad de salida (o de eyección) del chorro a
reacción, es decir, de los gases propulsantes; L = símbolo que denota el logaritmo
neperiano; M = masa inicial de lanzamiento del vehículo; M = masa que resta tras la
combustión de propulsante. Al cociente M /M se le denomina razón de masas y al M
/M se le llama número de Tsiolkowski.
La fórmula de Tsiolkowski
La fórmula traducida dice que el incremento de velocidad ha de ser directamente
proporcional a la velocidad de eyección del chorro y al logaritmo de la razón de masas.
Se comprende, por tanto, la importancia del peso relativo del cohete.
De la fórmula de Tsiolkowsqui de deduce que
donde v = velocidad final; g= aceleración de la gravedad, y t= tiempo. Si deduciera que
M /M= 2,71828 (el famoso número e, que es la base de los logaritmos neperianos),
entonces
igualdad que expresa que (en ese caso) la velocidad final alcanzada por el cohete
coincide con la velocidad final del combustible.
La gran ventaja de esta fórmula es que se puede aplicar a todo tipo de cohetes, de una
sola etapa o polietápicos (también conocidos con el nombre de cohetes varias etapas y
cohetes compuestos).
Cuando se utiliza un cohete único (de etapa) existe el problema de que para vencer la
atracción gravitatoria terrestre se requiere una razón de masas muy elevada, lo que
implica que M sea mucho mayor que M, es decir, la masa total del ingenio sería casi en
su totalidad de combustible. A fin de orillar esta dificultad se emplean los cohetes de
varias etapas (usualmente 2, 3 ó 4), que en realidad son cohetes compuestos por otros
que funcionan uno tras otro, sucesivamente, de modo que cada etapa parta a la
velocidad proporcionada por la anterior. Todas las grandes conquistas de la
astronáutica han utilizado este principio.
Una vez consumido el combustible del primer cohete-etapa se produce el paro del
motor de éste y su separación total o parcial; de esta forma, la masa de la parte
restante disminuye y, por tanto, se le puede comunicar una velocidad mayor. El
incremento total de velocidad que se consigue con este método es igual a la suma de
los incrementos de velocidad proporcionados por las etapas componentes.
Cohetes, conceptos básicos
Es el vehículo de la astronáutica que ha permitido al hombre salir de la Tierra para
iniciar la gran epopeya de la exploración espacial. Conocido desde la antigüedad y
utilizado durante siglos como instrumento de guerra, sólo desde hace relativamente
poco tiempo el cohete ha sido tomado en consideración como pacífico medio de
propulsión capaz de vencer la fuerza de atracción que nos mantiene unidos a nuestro
planeta. Su desarrollo efectivo comenzó poco después de la última guerra mundial y
después de haber sido, una vez más, empleado por el hombre como instrumento de
muerte. Características. Por cohete se entiende habitualmente un uso aerodinámico
que contiene en su interior un motor a reacción, los depósitos para los propulsores y la
llamada «carga útil» para transportar, y que es capaz de elevarse verticalmente o con
una determinada inclinación desde el suelo o desde el aire. El corazón de un vehículo
de este tipo es el motor a reacción o cohete, que está en condiciones de proporcionar
el empuje necesario a su movimiento aprovechando el principio físico de acción y
reacción.
Para un cohete que parte de tierra, a nivel del mar, y que debe alcanzar en pocos
minutos la extraordinaria velocidad de 28.000 km/h., necesaria para ponerse en órbita
alrededor de la Tierra (en cambio, si se quiere salir de la Tierra directamente y dirigirse
hacia un planeta exterior, esta velocidad debe ser de 40.000 km/h), es preciso un
motor que expulse una gran masa de partículas lo más rápidamente posible, es decir,
que ejerza una acción adecuada a la reacción que se quiere obtener. Esto se logra
utilizando motores a reacción capaces de proporcionar elevados empujes. El empuje
de un cohete se mide en kilogramos y, para un vehículo que parte verticalmente desde
el suelo, debe resultar del 30 al 50 por cien superior al peso de todo el vehículo.
Sin embargo, las altas velocidades requeridas para los vuelos astronáuticos que parten
de tierra no pueden alcanzarse, habitualmente, con un solo cohete, aunque sea grande
y potente. Se utiliza entonces la técnica del cohete multisecciones, es decir, dos o más
cohetes colocados uno sobre el otro (o bien como en el caso del transportador que
conduce al Space Shutte, dos cohetes auxiliares que están a los lados del principal), de
manera que, agotado el empuje de la primera sección, se enciende la segunda y así
sucesivamente. Naturalmente, las secciones siguientes a la primera, tendrán más
ventajas porque partirán, en vez de con velocidad cero, con la velocidad final adquirida
por la sección anterior Motor de cohete. El aparato propulsor de un cohete, según el
mecanismo empleado para la producción de las partículas que proporcionan el
empuje, puede estar comprendido en una de las siguientes categorías: cohete químico,
cohete nuclear, cohete a iones.
1) Motor de propulsión química:
Es el tipo más extendido en navegación espacial. El proceso químico que lo alimenta es
la combustión de determinados Propulsores que desarrollan las partículas gaseosas a
alta temperatura y velocidades responsables del empuje. Mientras el propulsor que
alimenta el motor de un avión a reacción está compuesto de un solo componente
químico, el llamado combustible (en este caso específico se trata de queroseno) que se
quema por el oxígeno que el motor extrae del aire, el propulsor que alimenta a un
motor a cohete debe tener, además del combustible, también un oxidante (o
comburente), es decir, un compuesto químico necesario para hacer quemar el
combustible, debido a que el cohete debe volar sobre todo en el vacío del espacio,
donde no hay oxígeno.
Los cohetes de propulsión química, a su vez, pueden ser de dos tipos: de propulsor
sólido y de propulsor líquido. En los cohetes de propulsor sólido, el combustible y el
oxidante se mezclan conjuntamente bajo la forma de un polvo compacto y solidificado,
llamado grano. Este se acumula en la cámara de combustión adhiriéndose
perfectamente a las paredes y dejando un agujero cilíndrico central. La ascensión del
grano se lleva a cabo por medio de un impulso eléctrico. Una de las combinaciones
más utilizadas para propulsores sólidos es la mezcla de poliuretano, un combustible
plástico, con perclorato de amonio como oxidante; aunque también se emplean otras
mezclas.
Los cohetes de propulsor líquido, por lo general, llevan el combustible y el oxidante en
dos depósitos separados. Los dos líquidos son enviados por medio de una bomba a la
cámara de combustión donde, al entrar en contacto, desarrollan el proceso químico
que da lugar a un potente flujo de partículas gaseosas. Una de las combinaciones más
empleadas para los cohetes de propulsor líquido es la de hidrógeno líquido
(combustible) con oxígeno líquido (oxidante). Esta ha sido la adoptada, por ejemplo,
para alimentar algunos de los numerosos motores del Saturno V, que llevó a los
americanos a la Luna. Naturalmente, gases como el hidrógeno y el oxígeno existen en
estado líquido a temperaturas criogénicas (algunas decenas de grados por encima del
cero absoluto): por lo que las operaciones para cargar los depósitos son sumamente
complejas, tal como se contempla cuando se cargan los depósitos de un cohete de
propulsor líquido que se halla en la rampa de lanzamiento. Otra combinación de
propulsores líquidos es la de hidrazina (combustible) y peróxido de nitrógeno
(oxidante), actualmente utilizada en los motores principales del Space Shuttle.
También existen cohetes de propulsión líquida que recurren al llamado
monopropulsor, es decir, a un único compuesto químico en estado líquido que se hace
pasar a través de un catalizador, presente en el interior de la cámara de combustión,
que tiene el poder de descomponerlo en una mezcla gaseosa que se quema. Tal es, por
ejemplo, el peróxido de hidrógeno que, en contacto con un catalizador de platino, se
descompone en oxígeno y vapor de agua sobrecalentado.
Una característica que diferencia a los cohetes de propulsión sólida de los de
propulsión líquida es que, en los primeros, la combustión y, por lo tanto, el empuje,
dura hasta la extenuación del propulsor; en cambio en los segundos es posible
bloquearla, interrumpiendo el flujo de alimentación del propulsor líquido contenido en
los depósitos, por medio de una válvula.
Los motores del Transbordador es un ejemplo de cohete de propulsión química. En la
astronáutica es por el momento el único modo de acceder al espacio exterior.
Existen cuatro parámetros que se pueden considerar como los más representativos del
comportamiento del cohete, que analizados conjuntamente dan una idea bastante
aproximada del mismo. Son: Impulso específico, empuje, razón (también llamado
relación de coeficiente) de masas y relación empuje/peso.
El impulso específico está directamente relacionado con la "calidad o eficacia" de un
propergol (productos químicos que dan origen a la combustión que se produce en los
cohetes). Suele definirse de dos maneras distinas, pero equivalentes:
- La cantidad de impulso se logra por unidad de propulsante consumido.
- El número de segundos durante los cuales 1kg de propergol puede mantener 1kgf de
empuje.
Cuanto más grande es el impulso específico, mejor es el propergol o propulsante.
Como ejemplos se pueden citar los motores del transbordador de la NASA,
posiblemente los de mejor rendimiento entre todos los hasta ahora desarrollados, que
tienen un impulso espefícico de 455s (en vacío) y sólo 375 al despegue (nivel del mar).
En teoría el máximo impulso específico puede alcanzar valores de hasta 2000s. A su
vez, en motores de propulsión iónica, este impulso puede llegar hasta 10.000s y en la
"vela solar" es infinito, al ser nulo el peso del propergol utilizado.
El impulso específico por sí solo dita mucho de dar una idea completa de la calidad o
eficacia de un cierto cohete. Los cohetes iónicos, que en cuanto a impulso específico
son excelentes, sin embargo no valen para lanzar cargas
El impulso específico por sí solo dita mucho de dar una idea completa de la calidad o
eficacia de un cierto cohete. Los cohetes iónicos, que en cuanto a impulso específico
son excelentes, sin embargo no valen para lanzar cargas
La razón de masas es distinta dependiendo de la órbita que se quiere alcanzar. Esta
razón da una idea global de la eficacia de un cohete en cuanto a su capacidad para
manejar cargas útiles en una órbita determinada. Un lanzador de 100 tn de peso total,
que se utilice para colocar satélites en órbita geoestacionaria y que tenga una razón de
masas de 100, podrá poner en esa órbita satélites que pensen como máximo 1 tn.
Para la misma órbita alcanzada, cuanto menor es la relación de masas más eficaz será
el lanzador. Ejemplos: El Ariane 4 de la ESA tiene una relación de masas para la órbita
geoestacionaria de 100. El Titán II de la NASA es ligeramente inferior, con una relación
de masas de 110. El Saturno V en misiones lunares llega a 72, sin embargo para órbita
terrestre baja (200 km) es mucho más eficaz, con una relación de masas de sólo 22. El
transbordador de la NASA, que normalmente trabaja en una órbita de 350 km de
altitud, tiene una relación de masas de 120, que es muy pobre, pero queda justificado
porque además de su carga útil tiene que transportar a órbita terrestre todo el
hardware necesario para poder regresar a tierra con su tripulación y poder ser
utilizado de nuevo.
La velocidad que puede adquirir un cohete una vez lanzado al espacio no crece
directamente con la razón de masas, sino que lo hace de una forma aproximadamente
exponencial. Es decir, que si se pretendiera ir a la Luna con una velocidad cinco veces
superior, a la que emplearon los astronautas de las misiones Apolo con el Saturno V, la
masa del cohete tendría que ser aproximadamente 455 veces más grande (es decir, 1,3
millones de tn), en el supuesto que se empleen también motores de propulsión
química.
2) Cohete nuclear:
Se trata de un tipo de motor aún en estado de proyecto, en el cual no se llevan a cabo
procesos de combustión, sino que los gases son llevados a las altas temperaturas
necesarias para obtener el empuje del calor generado por un reactor a fisión nuclear
(del mismo tipo de las centrales para la producción de energía eléctrica). Cuando el
hombre esté en condiciones de dominar el proceso de Fusión nuclear se podrán
realizar también cohetes a fusión. Los propulsores tomados en consideración para
alimentar un motor de cohete a fisión nuclear son el hidrógeno líquido o, incluso, el
agua; hechos pasar a través de un radiador de calor, alimentado por la pequeña
central nuclear en miniatura, son transformados en gases y entonces expulsados,
como en un motor de cohete químico, a través de la tobera de descarga.
Una concepción distinta de cohete nuclear apunta sobre un mecanismo de empuje que
se basa en las acciones dinámicas y térmicas desencadenadas por una pequeña
sucesión de explosiones nucleares, precisamente como las producidas por un artefacto
bélico. Esta línea de investigación en la astronáutica fue iniciada en los años sesenta
por un grupo de físicos americanos en el ámbito del proyecto Orión, pero no fue
continuada. Aún hay que señalar el proyecto desarrollado por la British Interplanetary
Society para cuando se alcance el objetivo de la fusión nuclear controlada: un cohete
movido por un chorro de plasma generado a través de este tipo de proceso nuclear. La
propia British Interplanetary Society ha presentado el esquema de una misión de
exploración de algunas estrellas cercanas, por medio de una astronave a fisión nuclear
bautizada Dédalo, que debería alcanzar
una velocidad de 40.000 km/s, es decir, casi el 14 por 100 de la velocidad de la luz. Los
cohetes nucleares, si bien los estudios y experimentos en el sector han comenzado a
principios de los sesenta (ver Nerva), todavía no han encontrado aplicación práctica,
tanto a causa de su elevado costo, como por los problemas de carácter ambiental
provocados por la diseminación de sustancias radioactivas en la atmósfera terrestre. Es
probable que motores de este tipo operen en ambiente extraatmosférico.
3) Cohete electroestático a iones:
El cohete a iones parece muy prometedor y cada vez lo usan más sondas espaciales,
sobre todo para los viajes de larga duración. Actualmente la sonda Dawn lleva motores
eléctricos de iones. El fenómeno físico sobre el que se basa es precisamente la
ionización, es decir, la posibilidad de que los átomos se carguen eléctricamente
después de haberles quitado los electrones.
El propulsor utilizado para este tipo de cohete es un metal alcalino, por ejemplo el
cesio, mercurio, argón o xenón cuyos átomos pueden ionizarse con facilidad
haciéndolos pasar a través de una rejilla sobrecalentada. Inmediatamente después, los
iones así formados son acelerados a alta velocidad por intensos campos eléctricos.
Entonces, las partículas de cesio ionizadas y aceleradas son expulsadas por la tobera de
descarga. Pequeños motoras de iones montados a bordo de satélites ya han sido
experimentados con éxito, hasta el punto de que la NASA, a finales de los años
setenta, proyectaba el envío de una sonda accionada por un motor de iones en un
largo viaje hacia dos cometas: el Halley y el Tempel 2. Sin embargo, la empresa
encontró dificultades presupuestarias.
Un sistema para determinar las prestaciones de un cohete, con relación al empleo que
se pretende darle, es el de tomar en consideración dos parámetros fundamentales: su
peso total y su impulso específico. El primer término no necesita ninguna explicación;
aun bastará con decir sólo que cuanto mayor es el peso complexivo, mayor es el
empuje que debe ejercer el motor para levantarlo de tierra. Por lo tanto, un requisito
importante para un cohete consiste en recurrir a estructuras, motores y propulsores
que sean lo más livianos posibles. El impulso específico es la fuerza de empuje en k que
un k de propulsor está en condiciones de proporcionar por segundo. Tratándose de
una relación k/k/s, se deduce fácilmente que el impulso se mide en segundos.
4) Propulsión electromagnética de alta potencia:
Estos motores se han
propuesto como principales opciones de propulsión en el espacio interplanetario para
varias misiones en el espacio profundo. La NASA está desarrollando pruebas de alta
potencia de las tecnologías electromagnéticas para satisfacer estas necesidades de las
misiones más exigentes. Dos propulsores de alta potencia que están siendo
investigados son los Magneto-Plasma-Dinámico (MPD) y el propulsor de hélice de
pulsos inductivo (PIT).
La hélice de MPD consta de un cátodo central rodeado por un ánodo concéntrico. Un
arco de alta corriente alcanzado entre el ánodo y el cátodo se ioniza y acelera un gas
(plasma) propelente. En versiones de campo libre de la hélice, un campo azimutal
magnético generado por la corriente de retorno a través del cátodo interactúa con la
corriente de descarga radial que fluye a través del plasma para producir una fuerza
electromagnética cuerpo axial, proporcionando empuje.
Estos propulsores electromagnéticos son capaces de funcionar durante varias miles de
horas seguidas. Debido a sus altas velocidades de escape, estos dispositivos pueden
realizar una variedad de misiones desafiantes con propelente significativamente
menos que los cohetes químicos. Para una masa dada lanzamiento de naves
espaciales, la masa reducida de propelente permite más carga útil para poner en
órbita, lo que requiere un menor número de lanzamientos y menor costo para una
misión de determinada masa total. Alternativamente, los requisitos de propulsante de
menor masa se pueden utilizar para reducir la masa total de la nave espacial en el
lanzamiento, con una reducción correspondiente en la clase de vehículos de
lanzamiento y los costos asociados de lanzamiento. Actualmente la misión europea
SMART-1 lleva un tipo de propulsor de Magneto-Plasma-Dinámico de efecto Hall. Este
tipo de propulsores son más ligeros que los de iones, pero de menor rendimiento pero
más autonomía. Por consiguiente los propulsores de plasma de arco eléctrico (MPD
arcjet) que es una versión mejorada de los de efecto Hall, podrían ser realidad en las
naves espaciales en las próximas décadas.
Dicho esto, podemos comparar los diferentes tipos de propulsión a cohete ilustrados.
El cohete químico es lo mejor que, con la tecnología actual en astronáutica, se puede
lograr con el fin de superar la gravedad terrestre. En efecto, proporciona impulsos
específicos mediocres y, sin embargo, adecuados con respecto al peso total que debe
levantar. Los propulsores líquidos proporcionan en promedio un impulso específico en
navegación espacial mayor que los sólidos y, por lo tanto, son más utilizados para las
secciones principales de los misiles que deben elevarse de tierra. Los mejores
propulsores líquidos alcanzan hoy un impulso específico de aproximadamente
trescientos ochenta segundos; en cambio, los mejores propulsores sólidos sólo de
doscientos cincuenta segundos. Si bien en el futuro en navegación espacial podrán
experimentarse propulsores químicos aún más eficientes, no parece en el actual
estado de los conocimientos que pueda superarse el umbral de los cuatrocientos
segundos de impulso específico. Sin embargo, la limitación más grave del motor
químico en navegación espacial, en general, es su escasa autonomía. Un cohete, tanto
de propulsión líquida como sólida, consume sus propulsores en el plazo de pocos
minutos. Es adecuado por lo tanto para escapar de la gravedad terrestre, pero después
debe realizar su viaje por inercia con los motores apagados, aprovechando la velocidad
ya adquirida y, eventualmente, los campos gravitacionales de otros cuerpos celestes.
Este es el motivo por el cual, aún hoy en navegación espacial, los viajes
interplanetarios tienen una duración de meses o de años. En cambio, si se pudiera
disponer de un motor cohete que estuviera encendido durante largos periodos, los
tiempos de vuelo entre un planeta y otro se reducirían drásticamente. Si se quisiera
mantener encendido un cohete químico durante períodos muy largos, sería necesario
dotarlo de una reserva de propulsores tan pesada que el vehículo no lograría jamás
despegar de Tierra.
Podrían enviarse separadamente decenas de depósitos y ponerlos en órbita terrestre,
para después unir los todos juntos en el espacio construyendo así la reserva necesaria
para un encendido prolongado; sin embargo, los costos de una operación de este tipo
serían prohibitivos.
El cohete de propulsión nuclear garantiza en cambio una larga autonomía de la
principal fuente de calor (debe pensarse que, con un pequeño cartucho de material
fisionable como el uranio, un reactor puede funcionar durante años) y también una
transferencia de calor al propulsor, tan eficiente como para hacerle alcanzar altas
velocidades de expulsión de partículas gaseosas. Se calcula que llevando a unos 3.000
grados centígrados propulsor del tipo del hidrógeno, se obtendría un impulso
específico de más de mil segundos. Por estas razones, el cohete a propulsión nuclear
surge como una perspectiva muy prometedora tanto en EE.UU como en la URSS,
donde se trabaja en estos proyectos con mucho empeño y en gran secreto.
El cohete de propulsión iónica, puede proporcionar más impulso específico --miles de
segundos-- y el mínimo de empuje. Las partículas alcanzan altísimas velocidades, pero
son muy livianas. Esto significa que un motor de iones no tendrá nunca la fuerza de
levantar un cohete desde la Tierra y deberá emplearse a partir del espacio. Sin
embargo, garantizando el funcionamiento del motor sin interrupción durante años,
podrá ir acelerando poco a poco hasta alcanzar las elevadas velocidades necesarias
para los largos viajes interplanetarios o interestelares.
Reentrada y aterrizaje
Nuestra Tierra está rodeada de una capa de oxígeno y nitrógeno relativamente fina
que llamamos atmósfera. Aunque es prácticamente invisible para nosotros, salvo por
las nubes, la lluvia y la niebla, es sumamente densa comparada con el vacío del
espacio. Saque la mano por la ventanilla de su coche cuando vaya circulando por una
autopista y podrá notar la presión de la atmósfera contra ella.
Un meteorito (llamado también estrella fugaz), es simplemente el resultado de los
desechos (de algún cometa u otro objeto) que chocan contra nuestra atmósfera,
calentados por la fricción, y luego quemados y transformados en una bola de fuego.
Esto es importante saberlo sobretodo a la hora de realizar una reentrada en la
atmósfera con una nave espacial, pues el ángulo de reentrada debe ser lo menos
inclinado posible pero no mucho de lo contrario rebotará en la atmósfera y saldrá
disparada al espacio. Para evitar que la nave se desintegre contra la atmósfera el
ángulo debe ser el adecuado y poseer un escudo térmico que le protega del calor para
que no se convierta en una estrella fugaz, esto hace que la nave frene su velocidad a
medida que atraviesa la atmósfera.
Si el ángulo fuera muy inclinado la nave se desintregraría sin remedio debido al
descenso brusco de aceleración y fricción con la atmósfera.
(Ejemplo del transbordador espacial) Denominada también corredor de entrada, se
trata de un estrecho pasillo, centrado en un ángulo de incidencia de 6,2º, con un
margen de sólo 0,7º, necesario para acceder a la atmósfera terrestre sin riesgo para la
seguridad de la nave y de sus tripulantes. Si el ángulo de arribada es inferior, la nave
rebotará en las capas altas de la atmósfera y se podría perder para siempre.
A)Fricción con atmósfera, B)En vuelo aereo. C)Expulsión por angulo inferior,
D)Perpendicular al punto de ingreso, E)Exceso de fricción de 6.9° a 90°, F)Repulsión de
5.5° o menor, G)Explosión por fricción, H)Plano tangencial al punto de ingreso.Si el
ángulo de ataque es superior, el vehículo espacial se volatilizaría debido al calor
generado en la fricción causada por el roce demasiado enérgico. Para amortiguar en
parte este calor se emplean el escudo térmico.
Para una nave espacial en órbita hay para efectuar una reentrada hay que aplicar un
impulso de retroceso (frenada de descenso). Esto se hace aplicando un breve impulso
justo en punto contrario del movimiento de la nave en órbita para disminuir su
velocidad orbital y así caiga poco a poco hacia la Tierra o si se da el caso en cualquier
otro cuerpo celeste.
Aeroescudo de la sonda Mars Exploration Rover (MER), recreación de una reentrada en
Marte.
La cruz en verde indica donde se tendría que aplicar el impulso de retroceso y así poco
a poco se irá cambiando la órbita circular o elíptica a otra con mayor excentricidad y de
esa manera iniciar el reingreso en la atmósfera y aterrizar. La mecánica orbital es tal
que el mejor lugar para iniciar el descenso es cuando la nave espacial está en la otra
parte de la Tierra. La cruz en rojo podría ser el posible punto donde aterrizaría la nave
espacial.
VIAJES ESPACIALES
Se denominan viajes espaciales a aquellos viajes que abandonan la atmósfera para
alcanzar el espacio exterior. Cuando estos viajes son suficientemente largos como para
abandonar la órbita de la Tierra y su satélite, la Luna, se habla de viajes interplanetarios,
mientras que los viajes más allá del sistema solar entran en la categoría de viajes
interestelares.
Los viajes espaciales se emplean para un número creciente de usos: científicos, militares,
comunicación, e incluso turismo.
Actualmente los viajes espaciales precisan de cohetes de combustible químico para
abandonar la atmósfera, mientras que una vez alcanzado el espacio exterior, pueden
emplear diversos métodos de propulsión.
Viajes no tripulados[editar]
Impresión sorete de la sondaCassini llegando a Saturno.
La era espacial se inicia con el lanzamiento del Sputnik 1 el 4 de octubre de 1957. Este
satélite llegó a alejarse casi mil kilómetros del planeta antes de incinerarse durante su
reentrada a la atmósfera, tres meses después. También fue soviética la primera sonda en
circunvalar la Luna y regresar; logro conseguido por la Zond 5, lanzada el 14 de
septiembre de 1968.
Los seres humanos nunca se han aventurado más allá de nuestro satélite, pero se han
enviado numerosas sondas para explorar el resto del sistema solar. La primera sonda
interplanetaria fue la soviética Venera 1, que aunque averiada, sobrepasó Venus a una
distancia estimada de 100.000 km en mayo de 1961.16 La norteamericana Mariner 2igualó
esa hazaña en diciembre del año siguiente.17 Tres años después, el 16 de noviembre de
1965 se lanza la sonda soviética Venera 3, que tras impactar contra Venus el 1 de marzo
de 1966 se convierte en el primer artefacto humano en hacer contacto con otro
planeta.18 El primer aterrizaje controlado se produce en 1970 con la Venera 7, también
sobre Venus.19
El otro planeta que recibió tempranas visitas fue Marte. En mayo de 1971 se lanzan hacia
este planeta tres sondas: una norteamericana (Mariner 9) y dos soviéticas gemelas (Mars
2 y Mars 3). Cada una de las tres sondas alcanzará un hito: la Mariner es la primera en
orbitar otro planeta; la Mars 2 es la primera en hacer contacto con Marte, al estrellarse
sobre su superficie en 1972, mientras que la Mars 3 consigue efectuar el primer aterrizaje
controlado sobre este planeta unos días después.20
La primera sonda que cruzó el cinturón de asteroides, abandonando el sistema solar
interno, fue la Pioneer 10. Envió información sobre Júpiter en diciembre 1973 y en junio de
1983 se convirtió en primer objeto hecho por el hombre en llegar más lejos que el planeta
más distante del Sol.21 22 Le siguió en 1979 la sonda Pioneer 11 que también registró
información sobre Júpiter y fue la primera en acercarse a Saturno.23
El 3 de noviembre de 1973 se lanzó la sonda Mariner 10 que obtuvo imágenes de Venus y
fue la primera en visitar Mercurio.24
Viajes tripulados[editar]
Artículo principal: Vuelo espacial tripulado
Buzz Aldrin en la misión Apolo 11.
El primer ser vivo en salir al espacio exterior fue la célebre perra Laika, el 3 de noviembre
de 1957, viajando a bordo del Sputnik 2. Pero no fue ni mucho menos el único: los
científicos e ingenieros experimentaron en numerosas ocasiones con distintos animales
antes de atreverse a enviar a un ser humano. Entre las especies lanzadas se encontraban
perros, chimpancés, tortugas, insectos, lombrices, plantas y bacterias. Un buen porcentaje
de estos animales falleció durante la travesía.
Los viajes espaciales con tripulación humana dieron comienzo el 12 de abril de 1961
con Yuri Gagarin a bordo del Vostok 1 soviético; en un vuelo de 89 minutos de duración a
300 km sobre la superficie terrestre. Por contra, el primer sobrevuelo tripulado de la Luna
fue norteamericano, efectuado por los astronautas Frank Borman, Jim Lovell y Bill
Anders a bordo del Apolo 8, que el 24 de diciembre de 1968 logró circunvalar nuestro
satélite en diez ocasiones antes de regresar a la Tierra. Hasta el año 2010, apenas 500
personas han viajado al espacio;25 siendo seis de ellos turistas.26 En estos viajes han
fallecido 21 personas:17 estadounidenses, y 4 rusos.27
Las únicas personas que han pisado otro suelo distinto al terrestre son los pasajeros de los
seis viajes tripulados del Programa Apolo; (Apolo 11, 12, 14, 15, 16 y 17), realizados en un
intervalo de tres años, entre 1969 y 1972, ningún humano ha vuelto a abandonar la órbita
terrestre desde entonces.
Tras la suspensión del costoso programa lunar americano, los viajes tripulados se han
limitado a acceder a las diversas estaciones espaciales puestas en órbita, y a labores de
mantenimiento de equipos orbitales como el telescopio Hubble.
En 2003, China se convierte en el tercer país en enviar seres humanos al espacio de
forma independiente: el 15 de octubre de ese año, el taikonauta Yang Liwei logra orbitar la
Tierra a bordo de la Shenzhou 5.28
Para un futuro a medio/largo plazo se prevé el retorno de los humanos a la Luna, con la
intención de establecer un asentamiento permanente, aunque algunos sectores son
partidarios de un proyecto más ambicioso que consistiría en preparar un viaje tripulado a
Marte. Este debate se conoce como la "polémica Moon first vs. Mars Direct" (primero la
Luna, o directos a Marte).
Tecnología[editar]
Los viajes espaciales constan de tres etapas bien diferenciadas: una primera fase de
lanzamiento, hasta que se abandona la atmósfera, una segunda fase en el espacio
exterior, que sería propiamente el "viaje espacial" y una tercera fase de reentrada o
aterrizaje, en los casos de viajes con retorno a la Tierra o con destino final en otro cuerpo
celeste.
Fase de lanzamiento[editar]
Cohete Protón; uno de los cohetes lanzadores más importantes.
Es con diferencia la fase más cara del viaje. Todas las naves necesitan de un "vector" o
sistema propulsor inicial de gran potencia para abandonar la atmósfera. Para ello se
recurre acohetes espaciales de un solo uso, si bien existen algunos modelos parcialmente
reutilizables, como las lanzaderas espaciales o el cohete Falcon 1.
Economía de los lanzamientos[editar]
El abrumador coste económico de los lanzamientos limita enormemente la viabilidad de
gran parte de los viajes espaciales. A fecha de 2010, el precio de cada kg subido a una
órbita baja supera los 10.000 US$, mientras que para ascender a una órbita
geoestacionaria, el precio se eleva en torno a los 20.000 US$.30 . Estos precios se han
mantenido estables en las últimas décadas, debido a la falta de elasticidad del mercado,
monopolizado por agencias estatales, y con una actividad relativamente escasa. Un
estudio de 1997 estimó que el precio de los lanzamientos debería descender en al menos
un orden de magnitud para conseguir que los lanzamientos orbitales entrasen en la
dinámica de la economía de mercado.31 Otra forma de reducir los costes se basa en la
construcción de naves reutilizables, en lugar de naves de propósito único. Sin embargo, el
coste inicial de diseñar y mantener estas lanzaderas exige igualmente un volumen de
lanzamientos más elevado que el actual.30
Siguiendo este mismo razonamiento, se ha planteado el diseño de naves reutilizables para
los propios viajes espaciales, situadas permanentemente en el espacio.32 De esta manera
el coste de cada viaje se reduciría enormemente, pues en torno al 90% del combustible
empleado en un viaje espacial se utiliza para escapar de la atmósfera terrestre.32
También se ha especulado con la construcción de un ascensor espacial como alternativa
para reducir el prohibitivo coste de abandonar la atmósfera, si bien se trata de una
iniciativa con desafíos tecnológicos no resueltos todavía.
Fase espacial[editar]
El prohibitivo coste de poner peso en órbita, superior a los 10.000 US$ por kg,30 limita
severamente el peso de las naves. Estas restricciones de peso afectan también a la
cantidad de propelente disponible para el viaje, lo que a su vez repercute en la máxima
velocidad alcanzable. Dadas las enormes distancias a recorrer, la viabilidad de los viajes
espaciales interplanetarios dependerá del desarrollo de tecnologías más eficientes tanto
para la puesta en órbita como para propulsión (a corto plazo, mediante propelentes
capaces de generar un impulso específico mayor).
Mecanismos de propulsión[editar]
Artículo principal: Propulsión espacial
Una vez en órbita, las posibilidades de propulsión de las naves aumentan. El sistema más
usado sigue siendo el cohete de combustible químico: los motores estudiados para las
naves tripuladas funcionarían con combustibles hipergólicos, en el caso de viajar a la
Luna, o con con oxígeno líquido y metano (LOX/CH4) en el caso de viajar a Marte.33
Sin embargo, estas tecnologías se ha mostrado insuficientes para recorrer las enormes
distancias que nos separan de otros cuerpos celestes. Por ello se investigan tecnologías
con un impulso específico mayor, que permitan alcanzar mayores velocidades con el
mismo peso de combustible. Entre las tecnologías utilizadas en la actualidad destaca
la propulsión iónica, que permite aumentar el impulso en un orden de magnitud. También
se están haciendo pruebas con tecnologías que no requieren cargar con el peso del
combustible: diversos estudios afirman que las velas solares permitirán obtener impulsos
muy superiores a los obtenidos por los cohetes convencionales. Otras tecnologías
estudiadas, que podrían permitir viajes tripulados hacia objetivos dentro del sistema solar,
son las pilas de combustible de hidrógeno,32 o la energía nuclear.34 35
Como hipótesis, se han planteado además otras posibles tecnologías, que de ser factibles
sólo serían alcanzables en un futuro lejano. Entre estas tecnologías especulativas se
encuentran los motores a reacción impulsados por antimateria, las velas de plasma, los
motores Warp, los motores por Efecto Casimir o los motores de antigravedad.
Otros problemas[editar]
Existen también otros problemas específicos del espacio, como la protección frente a
impactos. Debido a las enormes velocidades involucradas, cualquier impacto fortuito,
incluso con objetos muy pequeños, supone un peligro. Este riesgo es especialmente
importante en la órbita de la Tierra, que acumula grandes cantidades de basura espacial.
Se ha calculado que la energía cinética de cualquier partícula en órbita evaporará
instantáneamente una masa diez veces superior al peso de la partícula.36 Por ello, las
naves recurren a protecciones multicapa, con una barrera exterior
de aluminio o Kevlar separada del casco de la nave. La capa externa es perforada por el
impacto, fragmentando los restos de la colisión en piezas menores, con el objeto de
prevenir la perforación del fuselaje interior.36
Fase de reentrada[editar]
Consiste en frenar la nave hasta hacer factible un aterrizaje en el punto de destino.
Dependiendo tanto del tipo de destino como del tipo de nave, se utilizan distintas
estrategias. En destinos con atmósfera es común recurrir al aerofrenado y/o a distintos
tipos de paracaídas, mientras que en los destinos sin atmósfera la desaceleración ha de
realizarse mediante cohetes.
Problemática de los viajes tripulados[editar]
Esquema de funcionamiento delSistema de soporte vital de la ISS.
La presencia de seres vivos en las naves espaciales introduce la necesidad de un sistema
de soporte vital, lo que obliga a mantener un ambiente interior estanco frente
alvacío exterior y sus temperaturas extremas. Son muy pocos los diseños que permiten
efectuar viajes tripulados, destacando entre ellos el Módulo lunar o los transbordadores
espaciales, aunque existen otros modelos en fase de diseño como el SpaceX Dragon o
el SpaceShipOne. Sin embargo, ninguna de estas naves permite estancias prolongadas:
hasta la fecha, esto sólo se ha podido lograr, con distinto éxito, en las estaciones
espaciales. Una nave tripulada que pretenda viajar más allá de la Luna deberá hacer frente
tanto a los problemas de un complejo sistema de soporte vital, como a los problemas de
salud asociados a viajes espaciales de larga duración. Se estima que una nave tripulada
con destino Marte deberá pesar unas 100 toneladas, mientras que el módulo de descenso
no pesará menos de 20 toneladas.33 En los experimentos realizados durante el inicio de
siglo XXI, se asumen naves con un volumen interior presurizado en torno a los 500 m3.37
Soporte vital[editar]
En un viaje tripulado de larga duración, todos o la mayor parte de los componentes
orgánicos de la nave (agua, comida, heces, orina) deberán reciclarse, permitiendo
mantener en equilibrio un ecosistema cerrado sin ayuda del exterior. Este problema
plantea múltiples desafíos tecnológicos, como atestiguan los múltiples problemas en los
experimentos Biosfera realizados a finales del siglo XX, o en los sistemas de soporte
vital de las estaciones espaciales. En estos ambientes cerrados se hace necesario
controlar permanentemente multitud de parámetros (humedad, temperatura, niveles de
CO2, amoníaco o metano; esterilidad, disponibilidad de agua, etc.) con escaso o en su
caso nulo margen de maniobra y repuestos.
Salud[editar]
La permanencia de seres humanos en el espacio exterior presenta además otros
problemas. Junto con los problemas comunes de los vuelos atmosféricos (aceleraciones,
atmósfera artificial, ruidos, vibraciones, etc.) hay que añadir dos problemas principales: la
ausencia de gravedad y la radiación cósmica.38 35
Ausencia de gravedad
Se han documentado diversos trastornos físicos que surgen con el cambio a la ingravidez;
entre ellos destacan el mareo, las náuseas o la pérdida de apetito. Estos trastornos, no
obstante, son pasajeros y no revisten importancia.38 A medio plazo sin embargo se pueden
producir somnolencia, debilidad, y confusión, así como alteraciones cardiovasculares
transitorias, mientras que las estancias prolongadas ocasionan una importante pérdida de
masa ósea, que en algunos casos puede alcanzar el 20%, así como pérdida de masa
muscular de hasta un 25%.38 Los programas de ejercicios durante el viaje logran paliar,
pero no evitar este problema, y se estudian posibles soluciones dietéticas y
farmacológicas. También preocupa el debilitamiento del sistema inmune,35 unido a un
aparente aumento de la virulencia en las bacterias sometidas a estados de baja o nula
gravedad,38 lo que podría provocar peligrosas infecciones durante los viajes largos.
En futuros viajes tripulados de larga duración, una de las soluciones más planteadas se
basa en la creación de un entorno de gravedad artificial mediante fuerza centrífuga,
obtenida mediante la rotación de la nave, o de una parte de ella.32
Rayos cósmicos
Los rayos cósmicos aumentan el peligro de desarrollar tumores, cataratas, y otras
enfermedades:38 Se ha estimado que sin una protección adecuada, en un viaje a Marte
aproximadamente el 30% de las células de un astronauta serían atravesadas por
partículas de muy alta energía.35 Para reducir la exposición a la radiación, las naves
deberán poseer escudos antirradiación. Se han planteado escudos físicos
de composites39y poliméricos40 así como escudos electromagnéticos32 y electrostáticos39 o
combinaciones de todos ellos, debido a que cada una de estas tecnologías es más eficaz
para un tipo de radiación distinta.39
Los escudos no son las únicas estrategias bajo estudio: por ejemplo, se ha especulado
con la idea de que utilizar agua con bajo contenido en deuterio podría disminuir el riesgo
de cáncer durante los viajes espaciales.41 42
Psicología
El aspecto psicológico se considera crucial en viajes largos: además de la creación de
protocolos de trabajo variados y de una selección de tripulaciones compatibles, se
plantean la creación de ciclos y tipos de iluminación que permitan adecuar los ritmos
circadianos a los de la Tierra,43 o incluso el uso de fármacos.32 En junio de 201044 el
Instituto Ruso para Problemas Biomédicos (IBMP),45 en colaboración con el Programa
europeo para las ciencia físicas y biológicas en el espacio (ELIPS),46 dio inicio a un nuevo
experimento que pretende emular un viaje tripulado a Marte, denominado Mars 500. En
este ensayo se busca comprender, entre otros parámetros, los factores humanos que
pueden resultar problemáticos en una estancia prolongada en un entorno cerrado y
aislado, y con individuos sometidos al estrés de un viaje espacial.47