Sistema para evitar colisiones (naves espaciales)

Los objetos lanzados en trayectorias suborbitales, como las cargas útiles de los cohetes sonda y las ojivas de los misiles balísticos, no alcanzan velocidades orbitales y caen de nuevo a la Tierra al final del vuelo, por lo que no requieren ningún cuidado intencional por parte del operador para garantizar su reentrada y eliminación.

El tanque externo del transbordador espacial está diseñado para desintegrarse rápidamente tras el lanzamiento. El gran tanque externo permanece unido al orbitador del transbordador espacial desde el despegue hasta que ambos viajan a una velocidad ligeramente inferior a la orbital y alcanzan una altitud de aproximadamente 113 km (70 millas), momento en el que se desprende y sigue una trayectoria balística, reingresando rápidamente en la atmósfera. La mayor parte del tanque externo se desintegra debido al calor de la reentrada, mientras que el orbitador utiliza propulsores de control de reacción para completar su inserción orbital. ^{[ 5 ]}

La gran mayoría de los satélites artificiales y estaciones espaciales orbitan en órbitas terrestres bajas (LEO), ^{[ 6 ]} con altitudes medias inferiores a 2000 km (1200 millas). Los satélites LEO se encuentran cerca de las partes más densas de la atmósfera, donde la reentrada segura es factible debido a que el Delta-v necesario para desacelerar desde LEO es pequeño. La mayoría de los satélites LEO utilizan el último combustible restante a bordo para el mantenimiento de la posición (utilizado para mantener la órbita del satélite contra fuerzas como la resistencia atmosférica que la perturban gradualmente) para realizar maniobras de desorbitación y desecharse. ^{[ 7 ]}

La facilidad de acceso para la desorbitación de satélites LEO al final de su vida útil la convierte en un método eficaz para controlar el riesgo de basura espacial en LEO.

Las órbitas con altitudes medias superiores a la órbita terrestre baja (como las órbitas terrestres medias (MEO), las órbitas geosíncronas / geoestacionarias (GSO/GEO) y otras) se encuentran lejos de las zonas más densas de la atmósfera, lo que hace que las maniobras de desorbitación completas sean mucho menos prácticas. Pocos diseños de satélites cuentan con márgenes de combustible suficientes para poder afrontar una maniobra de este tipo al final de su vida útil.

Los satélites situados a altitudes cercanas al límite inferior de la órbita terrestre media (MEO) pueden utilizar la «regla de los 25 años» para desacelerar mediante propulsión a bordo y así salir de órbita en un plazo de 25 años. Sin embargo, esta disposición solo se permite si los operadores de satélites pueden demostrar, mediante análisis estadístico, que existe menos de una probabilidad de 1/10 000 de que la reentrada atmosférica cause lesiones humanas o daños materiales. Los satélites desechados de esta manera reentran en la atmósfera en una zona del océano Pacífico Sur alejada de las áreas habitadas, denominada cementerio de naves espaciales . ^{[ 8 ]}

Históricamente, muchos diseños de lanzadores multietapa agotaban completamente su combustible para alcanzar la órbita y dejaban sus etapas de cohete gastadas en órbita, como en la antigua familia de cohetes soviéticos Zenit . ^{[ 9 ]} Estas etapas superiores son grandes satélites artificiales que, dependiendo de la órbita, pueden tardar muchos años en reingresar.

La mayoría de los diseños modernos incluyen márgenes de combustible suficientes para las maniobras de desorbitación tras la inyección de la carga útil en órbita. El Falcon 9 de SpaceX es un vehículo de lanzamiento diseñado para minimizar el impacto de su etapa superior en la basura espacial. El cohete se compone de dos etapas, la primera de las cuales es suborbital. Reingresa a la atmósfera a los pocos minutos del lanzamiento, ya sea utilizando intencionadamente el combustible reservado para la recuperación de la etapa para aterrizar y reutilizarlo, o bien continuando su trayectoria balística y desintegrándose al reingresar en la atmósfera.

Las segundas etapas del Falcon 9 se gestionan mediante diferentes técnicas según la órbita. En órbitas terrestres bajas , la segunda etapa utiliza el combustible restante para realizar una maniobra de desorbitación y desintegrarse en la atmósfera. Las etapas que quedan varadas en órbitas terrestres medias , como las órbitas de transferencia geoestacionaria (GTO) y las órbitas geoestacionarias (GEO), generalmente no tienen suficiente combustible para desorbitarse por sí mismas. Las trayectorias GTO están diseñadas de tal manera que la órbita de la segunda etapa decaiga naturalmente y vuelva a entrar en la atmósfera después de unos meses, mientras que las etapas de las misiones que buscan la inserción directa en GEO permanecerán durante mucho más tiempo. ^{[ 10 ]}

La NASA utiliza maniobras de evasión si el riesgo de colisión se identifica con suficiente antelación y el riesgo es alto. La política de la NASA para naves espaciales tripuladas, que cuentan con propulsión a bordo, como el Transbordador Espacial y la Estación Espacial Internacional (acordada por todos los socios internacionales), exige la planificación de maniobras de evasión si la probabilidad de colisión es ^{[ 4 ].}

• >1/100.000 y la maniobra no entraría en conflicto con los objetivos de la misión.
• >1/10.000 y la maniobra no pondría en mayor peligro a la tripulación.

Hasta agosto de 2020, la ISS había realizado 27 maniobras para evitar colisiones desde su lanzamiento inicial en 1999, y esta cifra va en aumento con el tiempo. La clase de desechos más peligrosa para el Segmento Orbital de EE. UU. son aquellos de entre 1 y 10 cm. ^{[ 3 ]} La cantidad de desechos en este rango de tamaño es significativa y difícil de rastrear con precisión con los métodos actuales, lo que justifica una mayor investigación.

Estas maniobras de evasión casi siempre se realizan mediante el encendido de los propulsores de control de reacción a bordo, aunque también pueden intervenir otros sistemas de orientación de satélites y naves espaciales, como los magnetorquers , las ruedas de reacción y los giroscopios de momento de control . La ISS también puede utilizar los motores principales de una nave de carga acoplada, normalmente una nave Progress o un Vehículo de Transferencia Automatizado . Las maniobras modifican ligeramente la trayectoria orbital y suelen realizarse horas antes del evento de riesgo para permitir que los efectos del cambio orbital surtan efecto. ^{[ 4 ]}

Cuando dos operadores de satélites son notificados de una posible colisión, uno o ambos operadores pueden decidir maniobrar su satélite, por ejemplo, la ESA y SpaceX en 2019. ^{[ 11 ]}

Investigaciones recientes han desarrollado algoritmos para ayudar en los esfuerzos de evitación de colisiones dentro de grandes constelaciones de satélites, ^{[ 12 ]} aunque se desconoce si dicha investigación se ha implementado en algún GNC de constelación activo .

La mayoría de los satélites lanzados por humanos sin propulsión propia son pequeños CubeSats que dependen de dispositivos alternativos para el control de la orientación. A la escala de objetos pequeños como los CubeSats, las fuerzas relacionadas con la gran superficie relativa en proporción a la masa se vuelven significativas. Los CubeSats suelen lanzarse a la órbita terrestre baja , donde la atmósfera aún proporciona una pequeña resistencia aerodinámica.

La resistencia aerodinámica en pequeños satélites en órbita terrestre baja puede utilizarse para modificar ligeramente las órbitas y evitar colisiones con escombros, cambiando la superficie expuesta a la resistencia atmosférica y alternando entre configuraciones de baja y alta resistencia para controlar la desaceleración. ^{[ 14 ]}

Los intentos de mitigar posibles colisiones se complican por factores que incluyen si

• Al menos uno de los objetos en cuestión carece de capacidad de control remoto debido a que está averiado.
• Al menos uno de los objetos causantes es un satélite natural, como un asteroide.
• El evento de riesgo no se predice con tiempo suficiente para actuar.

Todos estos factores limitan las opciones estratégicas para reducir el riesgo de colisión de diversas maneras. Es muy difícil prevenir la colisión prevista si ambos objetos carecen de capacidad de control. Si solo uno de los objetos es un satélite operativo, sería el único responsable de una maniobra de evasión, lo que reduciría significativamente o incluso agotaría por completo las reservas de combustible restantes. Además, el satélite podría tener combustible insuficiente para completar la maniobra correctamente, lo que disminuiría su eficacia.

Las maniobras para evitar colisiones requieren una planificación y ejecución considerables, lo que puede ser problemático si el riesgo no se predice con suficiente antelación. La propulsión de las naves espaciales suele ser débil, dependiendo de largos periodos de encendido para modificar sus órbitas, y el cambio de velocidad a menudo requiere una fracción significativa de una órbita completa para producir el efecto deseado.

Por ejemplo, las maniobras que realiza habitualmente la Estación Espacial Internacional para evitar colisiones suelen requerir encendidos de aproximadamente 150 segundos ^{[ 15 ]} y perturban significativamente las operaciones de la tripulación debido a la reconfiguración lenta y obligatoria de los paneles solares de la estación para evitar daños por los dispositivos de propulsión. En términos generales, el tiempo de reacción más rápido estimado de la ISS desde el funcionamiento normal es de aproximadamente 5 horas y 20 minutos ^{[ 16 ]} para tener en cuenta el período de configuración de aproximadamente 3 horas para la reconfiguración de la estación y el tiempo de anticipación posterior al encendido de aproximadamente 2 horas para permitir que el cambio de velocidad surta efecto.

La prevención de colisiones es una preocupación durante las ventanas de lanzamiento de vuelos espaciales . Normalmente, se debe realizar y aprobar una Evaluación de Colisión en el Lanzamiento (COLA, por sus siglas en inglés) antes de lanzar un satélite. Se dice que una ventana de lanzamiento tiene un período de bloqueo COLA durante los intervalos en los que el vehículo no puede despegar para asegurar que su trayectoria no lo lleve demasiado cerca de otro objeto que ya se encuentre en el espacio. ^{[ 17 ]}