Frenado aerodinámico

El aerofrenado es una maniobra espacial que reduce el punto más alto de una órbita elíptica ( apoapsis ) al atravesar la atmósfera en el punto más bajo de la órbita ( periapsis ). La resistencia resultante frena la nave . El aerofrenado se utiliza cuando una nave requiere una órbita baja tras llegar a un cuerpo con atmósfera, ya que consume menos combustible que la propulsión para frenar. Una maniobra más extrema es la aerocaptura , en la que una nave utiliza la atmósfera para insertarse en órbita , desacelerando desde una trayectoria de sobrevuelo .

Cuando un vehículo interplanetario llega a su destino, debe reducir su velocidad para alcanzar la órbita o aterrizar. Para lograr una órbita baja, casi circular, alrededor de un cuerpo con gravedad considerable (como se requiere para muchos estudios científicos), los cambios de velocidad necesarios pueden ser del orden de kilómetros por segundo. Con la propulsión, la ecuación del cohete dicta que una gran parte de la masa de la nave espacial debe consistir en combustible. Esto reduce la carga útil científica y/o requiere un cohete grande y costoso. Siempre que el cuerpo objetivo tenga atmósfera, se puede utilizar el frenado aerodinámico para reducir los requisitos de combustible. El uso de una combustión relativamente pequeña permite que la nave espacial entre en una órbita elíptica alargada . El frenado aerodinámico luego acorta la órbita a un círculo. Si la atmósfera es lo suficientemente densa, un solo paso puede ser suficiente para ajustar la órbita. Sin embargo, el frenado aerodinámico generalmente requiere múltiples órbitas a mayor altitud en la atmósfera. Esto reduce los efectos del calentamiento por fricción , los efectos impredecibles de la turbulencia, la composición atmosférica y la temperatura.

El frenado aerodinámico realizado de esta manera permite disponer de tiempo suficiente tras cada pasada para medir el cambio de velocidad y realizar correcciones para la siguiente. Alcanzar la órbita final en Marte puede llevar más de seis meses y requerir cientos de pasadas a través de la atmósfera. Tras la última pasada, si la nave espacial desea permanecer en órbita, debe recibir más energía cinética mediante motores de cohete para elevar el periapsis por encima de la atmósfera. Si la nave debe aterrizar, debe perder energía cinética, también mediante motores de cohete.

La energía cinética disipada por el frenado aerodinámico se convierte en calor , lo que significa que la nave espacial debe disipar este calor. La nave espacial debe tener suficiente superficie y resistencia estructural para producir y soportar la resistencia aerodinámica requerida. Las temperaturas y presiones asociadas con el frenado aerodinámico no son tan severas como las de la reentrada atmosférica o la aerocaptura . Las simulaciones del frenado aerodinámico del Mars Reconnaissance Orbiter utilizan un límite de fuerza de 0,35 N por metro cuadrado con una sección transversal de la nave espacial de aproximadamente 37 m² ^, lo que equivale a una fuerza de arrastre máxima de aproximadamente 7,4 N y una temperatura máxima esperada de 170  °C. ^{[ 1 ]} La densidad de fuerza (es decir, la presión), aproximadamente 0,2 N por metro cuadrado, ^{[ 2 ]} que se ejerció sobre el Mars Observer durante el frenado aerodinámico es comparable a la resistencia aerodinámica de moverse a 0,6  m/s (2,16  km/h) a nivel del mar en la Tierra, aproximadamente la cantidad experimentada al caminar lentamente. ^{[ 3 ]}

En cuanto a la navegación de naves espaciales, Moriba Jah fue el primero en demostrar la capacidad de procesar datos de la Unidad de Medición Inercial (IMU) recopilados a bordo de la nave durante el frenado aerodinámico, utilizando un filtro de Kalman sin aroma para inferir estadísticamente la trayectoria de la nave independientemente de los datos de medición terrestres. Jah lo hizo utilizando datos reales de IMU de Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter . Además, este fue el primer uso de un filtro de Kalman sin aroma para determinar la órbita de un objeto espacial antropogénico alrededor de otro planeta. ^{[ 4 ]} Este método, que podría usarse para automatizar la navegación por frenado aerodinámico, se llama Mediciones Inerciales para Navegación Aeroasistida (IMAN) ^{[ 5 ]} y Jah ganó un premio de la NASA Space Act por este trabajo.

Muchas naves espaciales utilizan paneles solares para alimentar sus operaciones. Estos paneles pueden emplearse para optimizar el frenado aerodinámico y reducir el número de órbitas necesarias. Los paneles giran según un algoritmo basado en inteligencia artificial para aumentar o disminuir la resistencia aerodinámica, lo que permite reducir los tiempos de llegada de meses a semanas. ^{[ 6 ]}

La aerocaptura es un método relacionado, pero más extremo, en el que no se realiza ninguna maniobra inicial de inyección orbital. En cambio, la nave espacial se sumerge profundamente en la atmósfera sin una maniobra de inserción inicial y emerge de este único paso atmosférico con un apoapsis cercano al de la órbita deseada. Posteriormente, se utilizan varias maniobras de corrección menores para elevar el periapsis y realizar los ajustes finales. ^{[ 7 ]}

Este método se planeó originalmente para el orbitador Mars Odyssey , ^{[ 8 ]} pero los importantes impactos en el diseño resultaron demasiado costosos. ^{[ 7 ]}

Otra técnica relacionada es la de asistencia aerogravitacional , en la que la nave espacial vuela a través de la atmósfera superior y utiliza la sustentación aerodinámica en lugar de la resistencia en el punto de máxima aproximación. Si se orienta correctamente, esto puede aumentar el ángulo de deflexión por encima del de una asistencia gravitatoria pura , lo que resulta en un delta-v mayor . ^{[ 9 ]}

Aunque la teoría del frenado aerodinámico está bien desarrollada, su aplicación resulta difícil debido a la necesidad de un conocimiento muy detallado de las características de la atmósfera del planeta objetivo para planificar la maniobra correctamente. Actualmente, se monitoriza la desaceleración durante cada maniobra y se modifican los planes en consecuencia. Dado que ninguna nave espacial puede frenar aerodinámicamente de forma segura por sí sola, esto requiere la atención constante tanto de los controladores humanos como de la Red del Espacio Profundo . Esto es especialmente cierto cerca del final del proceso, cuando las pasadas de resistencia aerodinámica se producen con relativa proximidad (con solo unas 2 horas de diferencia en el caso de Marte). La NASA ha utilizado el frenado aerodinámico en cuatro ocasiones para modificar la órbita de una nave espacial, reduciéndola en energía, altitud de apoapsis y órbita más pequeña. ^{[ 10 ]}

El 19 de marzo de 1991, la nave espacial Hiten demostró el frenado aerodinámico . Esta fue la primera maniobra de frenado aerodinámico realizada por una sonda de espacio profundo. ^{[ 11 ]} Hiten (también conocida como MUSES-A) fue lanzada por el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) de Japón. ^{[ 12 ]} Hiten sobrevoló la Tierra a una altitud de 125,5  km sobre el Pacífico a 11,0  km/s. El arrastre atmosférico redujo la velocidad en 1,712  m/s y la altitud del apogeo en 8665  km. ^{[ 13 ]} El 30 de marzo se realizó otra maniobra de frenado aerodinámico.

En mayo de 1993, se utilizó el frenado aerodinámico durante la misión extendida a Venus de la nave espacial Magellan . ^{[ 14 ]} Se empleó para circularizar la órbita de la nave espacial con el fin de aumentar la precisión de la medición del campo gravitatorio . Se cartografió todo el campo gravitatorio desde la órbita circular durante un ciclo de 243 días de la misión extendida. Durante la fase de finalización de la misión, se realizó un "experimento de molino de viento": la presión molecular atmosférica ejerce un par a través de las alas de las células solares orientadas como las aspas de un molino de viento, y se mide el par contrario necesario para evitar que la sonda gire. ^{[ 15 ]}

En 1997, el orbitador Mars Global Surveyor (MGS) fue la primera nave espacial en utilizar el frenado aerodinámico como técnica principal de ajuste orbital. El MGS empleó los datos recopilados por la misión Magellan a Venus para planificar su técnica de frenado aerodinámico. La nave espacial utilizó sus paneles solares como " alas " para controlar su paso a través de la tenue atmósfera superior de Marte y reducir el apoapsis de su órbita durante varios meses. Desafortunadamente, una falla estructural poco después del lanzamiento dañó gravemente uno de los paneles solares del MGS y obligó a aplicar una altitud de frenado aerodinámico mayor (y, por lo tanto, un tercio de la fuerza) de la prevista inicialmente , lo que prolongó significativamente el tiempo necesario para alcanzar la órbita deseada. Más recientemente, el frenado aerodinámico fue utilizado por las naves espaciales Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter , en ambos casos sin incidentes.

En 2014, se realizó con éxito un experimento de frenado aerodinámico a modo de prueba cerca del final de la misión de la sonda Venus Express de la ESA . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

En 2017-2018, el orbitador ExoMars Trace Gas Orbiter de la ESA realizó aerofrenado en Marte para reducir el apocentro de la órbita, siendo el primer aerofrenado operativo para una misión europea. ^{[ 18 ]}

La misión Mars Lander es una futura misión de ISRO , que propone utilizar el frenado aerodinámico para reducir su apoapsis . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

En la novela de Robert A. Heinlein de 1948 , Space Cadet , se utiliza el frenado aerodinámico para ahorrar combustible mientras se reduce la velocidad de la nave espacial Aes Triplex para una misión extendida no planificada y un aterrizaje en Venus, durante un tránsito desde el Cinturón de Asteroides a la Tierra. ^{[ 21 ]}

La nave espacial del cosmonauta Alexei Leonov en la novela de Arthur C. Clarke de 1982, 2010: Odisea Dos , y su adaptación cinematográfica de 1984, utiliza el frenado atmosférico en las capas superiores de la _{atmósfera de} Júpiter para establecerse en el punto lagrangiano L1 del sistema Júpiter- Io .

En la serie de televisión de 2004, 2004 , Space Odyssey: Voyage to the Planets, la tripulación de la nave espacial internacional Pegasus realiza una maniobra de frenado atmosférico en la atmósfera superior de Júpiter para reducir la velocidad lo suficiente como para entrar en la órbita joviana.

En el cuarto episodio de Stargate Universe , la nave antigua Destiny sufre una pérdida de energía casi total y debe usar el frenado aerodinámico para cambiar de rumbo. El episodio de 2009 termina en un momento de gran suspenso, con la Destiny dirigiéndose directamente hacia una estrella.

En el juego de simulación espacial Kerbal Space Program , este es un método común para reducir la velocidad orbital de una nave . A veces se le denomina, en tono de broma, " frenado aerodinámico ", porque la alta resistencia del aire a veces provoca que las naves grandes se partan en varias partes.

En la trilogía marciana de Kim Stanley Robinson , la nave espacial Ares , que transporta a los primeros cien humanos en llegar a Marte, utiliza el frenado atmosférico para entrar en órbita alrededor del planeta. Más adelante en los libros, en un intento por aumentar la densidad de la atmósfera, los científicos provocan el frenado atmosférico de un asteroide para vaporizarlo y liberar su contenido en la atmósfera.

En la película Interstellar de 2014 , el astronauta piloto Cooper utiliza el frenado aerodinámico para ahorrar combustible y reducir la velocidad de la nave espacial Ranger al salir del agujero de gusano para llegar a la órbita sobre el primer planeta.

• Aerocaptura
• Impulso y deslizamiento
• Litografía de frenado

• Informe de frenado aerodinámico del JPL para MGS
• Explicación del funcionamiento del frenado aerodinámico (PDF)
• Hoffman, S. (20-22 de agosto de 1984). Comparación de vehículos de aerofrenado y aerocaptura para misiones interplanetarias . AIAA y AAS, Conferencia de Astrodinámica. Seattle, Washington: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica.  25 págs. Recuperado el 31 de julio de 2007.