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Encuentro espacial

El astronauta Christopher Cassidy utiliza un telémetro para determinar la distancia entre el transbordador espacial Endeavour y la Estación Espacial Internacional . La etapa de ...

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El astronauta Christopher Cassidy utiliza un telémetro para determinar la distancia entre el transbordador espacial Endeavour y la Estación Espacial Internacional .
La etapa de ascenso del módulo lunar Eagle se encuentra con el módulo de mando Columbia en órbita lunar tras regresar de un aterrizaje.

Un encuentro espacial ( / ˈ r ɒ n d eɪ v uː / ) es una serie de maniobras orbitales durante las cuales dos naves espaciales , una de las cuales suele ser una estación espacial , alcanzan la misma órbita y se aproximan a una distancia muy corta (por ejemplo, hasta el contacto visual). El encuentro requiere una coincidencia precisa de las velocidades orbitales y los vectores de posición de las dos naves espaciales, lo que les permite mantener una distancia constante mediante el mantenimiento de la posición orbital . El encuentro puede ir seguido o no de un acoplamiento o enganche , procedimientos que ponen las naves espaciales en contacto físico y crean un vínculo entre ellas.

La misma técnica de encuentro puede utilizarse para el "aterrizaje" de naves espaciales en objetos naturales con un campo gravitatorio débil; por ejemplo, aterrizar en una de las lunas de Marte requeriría la misma coincidencia de velocidades orbitales, seguida de un "descenso" que comparte algunas similitudes con el acoplamiento.

Historia

En su primer programa de vuelos espaciales tripulados , Vostok , la Unión Soviética lanzó pares de naves espaciales desde la misma plataforma de lanzamiento, con uno o dos días de diferencia ( Vostok 3 y 4 en 1962, y Vostok 5 y 6 en 1963). En cada caso, los sistemas de guiado de los vehículos de lanzamiento colocaron las dos naves en órbitas casi idénticas; sin embargo, esto no fue lo suficientemente preciso como para lograr el encuentro, ya que la Vostok carecía de propulsores de maniobra para ajustar su órbita a la de su gemela. Las distancias de separación iniciales estaban en el rango de 5 a 6,5 ​​kilómetros (3,1 a 4,0 millas) , y divergieron lentamente hasta alcanzar miles de kilómetros (más de mil millas) a lo largo de las misiones. [ 1 ] [ 2 ] 

A principios de 1964, la Unión Soviética guió dos satélites no tripulados, denominados Polyot 1 y 2, hasta una distancia de 5  km, y las naves lograron establecer comunicación por radio. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

En 1963, Buzz Aldrin presentó su tesis doctoral titulada « Técnicas de guiado por línea de visión para encuentros orbitales tripulados». [ 6 ] Como astronauta de la NASA, Aldrin trabajó para «traducir la mecánica orbital compleja en planes de vuelo relativamente simples para mis colegas». [ 7 ]

El primer intento falló.

El primer intento de encuentro de la NASA se realizó el 3 de junio de 1965, cuando el astronauta estadounidense Jim McDivitt intentó maniobrar su nave Gemini 4 para encontrarse con la etapa superior de su vehículo de lanzamiento Titan II . McDivitt no pudo acercarse lo suficiente para mantener la posición, debido a problemas de percepción de profundidad y a la liberación de propelente de la etapa, que la mantenía en movimiento. [ 8 ] Sin embargo, los intentos de encuentro de Gemini 4 fracasaron en gran medida porque los astronautas de la NASA aún no habían aprendido la mecánica orbital involucrada en el proceso. Simplemente apuntar la nariz del vehículo activo hacia el objetivo y propulsarlo no tuvo éxito. Si el objetivo está más adelante en la órbita y el vehículo de seguimiento aumenta la velocidad, su altitud también aumenta, alejándolo del objetivo. La mayor altitud entonces aumenta el período orbital debido a la tercera ley de Kepler , colocando al rastreador no solo por encima, sino también detrás del objetivo. La técnica adecuada requiere cambiar la órbita del vehículo de seguimiento para permitir que el objetivo de encuentro lo alcance o sea alcanzado, y luego, en el momento preciso, cambiar a la misma órbita que el objetivo sin movimiento relativo entre los vehículos (por ejemplo, colocar el rastreador en una órbita más baja, que tiene un período orbital más corto que le permite alcanzarlo, y luego ejecutar una transferencia de Hohmann de regreso a la altura orbital original). [ 9 ]

Como comentó posteriormente el ingeniero de la GPO, André Meyer: «Hay una buena explicación para lo que falló en el encuentro». La tripulación, al igual que todos los demás en el MSC , «simplemente no comprendía ni razonaba la mecánica orbital involucrada. Como resultado, todos aprendimos mucho más y perfeccionamos las maniobras de encuentro, que ahora utiliza el programa Apolo ».

— [ 9 ]

Primer encuentro exitoso

Géminis 7 fotografiado desde Géminis 6 en 1965.

El encuentro espacial fue realizado con éxito por primera vez por el astronauta estadounidense Wally Schirra el 15 de diciembre de 1965. Schirra maniobró la nave espacial Gemini 6 a menos de 30 cm (1 pie) de su nave hermana Gemini 7. Las naves espaciales no estaban equipadas para acoplarse entre sí, pero mantuvieron la posición durante más de 20 minutos. Schirra comentó posteriormente: [ 10 ] 

Alguien dijo... cuando te acercas a tres millas (5 km), has llegado al punto de encuentro. Si alguien cree que ha logrado un encuentro a tres millas (5 km), ¡que se divierta! Ahí es cuando empezamos nuestro trabajo. No creo que el encuentro termine hasta que estés completamente detenido, sin movimiento relativo entre los dos vehículos, a una distancia de aproximadamente 120 pies (37  m). ¡Eso es encuentro! A partir de ahí, es cuestión de mantener la posición. Ahí es cuando puedes volver a jugar a conducir un coche, un avión o una patineta; es así de simple.

Schirra utilizó otra metáfora para describir la diferencia entre los logros de las dos naciones: [ 11 ]

[El "encuentro" ruso] era una mirada fugaz, el equivalente a un hombre que camina por una calle principal concurrida, con mucho tráfico pasando a toda velocidad, y ve a una chica guapa caminando al otro lado. Piensa: "Oye, espera", pero ella ya se ha ido. Eso es una mirada fugaz, no un encuentro.

Primer acoplamiento

Vehículo objetivo Gemini 8 Agena
Acoplamiento de la cápsula Gemini 8 con el vehículo Agena.

El primer acoplamiento de dos naves espaciales se logró el 16 de marzo de 1966, cuando la Gemini 8 , bajo el mando de Neil Armstrong , se encontró y se acopló con un vehículo objetivo Agena no tripulado . La Gemini 6 iba a ser la primera misión de acoplamiento, pero tuvo que cancelarse cuando el vehículo Agena de esa misión fue destruido durante el lanzamiento. [ 12 ]

Los soviéticos llevaron a cabo el primer acoplamiento automatizado y sin tripulación entre Cosmos 186 y Cosmos 188 el 30 de octubre de 1967. [ 13 ]

El primer cosmonauta soviético en intentar un acoplamiento manual fue Georgy Beregovoy, quien intentó sin éxito acoplar su nave Soyuz 3 con la Soyuz 2 no tripulada en octubre de 1968. Los sistemas automatizados acercaron la nave a 200 metros (660 pies) , mientras que Beregovoy la acercó aún más mediante control manual. [ 14 ] 

El primer acoplamiento tripulado exitoso [ 15 ] ocurrió el 16 de enero de 1969, cuando Soyuz 4 y Soyuz 5 se acoplaron, recogiendo a los dos miembros de la tripulación de Soyuz 5, que tuvo que realizar una actividad extravehicular para llegar a Soyuz 4. [ 16 ]

En marzo de 1969, el Apolo 9 logró la primera transferencia interna de miembros de la tripulación entre dos naves espaciales acopladas.

El primer encuentro de dos naves espaciales de diferentes países tuvo lugar en 1975, cuando una nave espacial Apolo se acopló con una nave espacial Soyuz como parte de la misión Apolo-Soyuz . [ 17 ]

En enero de 1978 , se produjo un acoplamiento espacial múltiple cuando las naves Soyuz 26 y Soyuz 27 se acoplaron a la estación espacial Salyut 6. Esta fue la primera vez que una segunda tripulación visitó una estación espacial con otra tripulación ya presente. [ 18 ]

Usos

La mayoría de los encuentros son para el acoplamiento, como en esta foto de las tripulaciones y las maquetas de las naves espaciales del histórico primer acoplamiento de las naves espaciales soviéticas y estadounidenses Apolo-Soyuz en 1975, en la recta final de la carrera espacial .
Un panel solar de color dorado, deformado y con varios agujeros. A la derecha de la imagen se aprecia el borde de un módulo, y al fondo se divisa la Tierra.
Los paneles solares del módulo Spektr de la estación Mir sufrieron daños tras una colisión con la nave espacial Progress, no tripulada , en septiembre de 1997, durante la misión Shuttle-Mir . La nave Progress se utilizaba para el reabastecimiento de la estación. En este encuentro espacial fallido, la Progress colisionó con la Mir, lo que provocó una despresurización que se detuvo al cerrar la escotilla del módulo Spektr .

Un encuentro espacial tiene lugar cada vez que una nave espacial transporta tripulantes o suministros a una estación espacial en órbita. La primera nave espacial en hacerlo fue la Soyuz 11 , que se acopló con éxito a la estación Salyut 1 el 7 de junio de 1971. [ 19 ] Las misiones de vuelos espaciales tripulados han realizado con éxito encuentros con seis estaciones Salyut , con Skylab , con Mir y con la Estación Espacial Internacional (ISS). Actualmente, las naves espaciales Soyuz se utilizan aproximadamente cada seis meses para transportar tripulantes hacia y desde la ISS. Con la introducción del Programa de Tripulación Comercial de la NASA, Estados Unidos puede utilizar su propio vehículo de lanzamiento junto con la Soyuz, una versión actualizada de la Cargo Dragon de SpaceX: la Crew Dragon. [ 20 ]

Las naves espaciales robóticas también se utilizan para el encuentro y el reabastecimiento de estaciones espaciales. Las naves Soyuz y Progress se han acoplado automáticamente tanto a la Mir [ 21 ] como a la ISS mediante el sistema de acoplamiento Kurs . El Vehículo de Transferencia Automatizado ( ATV) europeo también utilizó este sistema para acoplarse al segmento ruso de la ISS. Varias naves espaciales no tripuladas utilizan el mecanismo de atraque de la NASA en lugar de un puerto de acoplamiento . El Vehículo de Transferencia H-II (HTV) japonés , la nave Dragon de SpaceX y la nave Cygnus de Orbital Sciences maniobran para un encuentro cercano y mantienen la posición, lo que permite al brazo robótico Canadarm2 de la ISS sujetar y mover la nave espacial a un puerto de atraque en el segmento estadounidense. Sin embargo, la versión actualizada de Cargo Dragon ya no necesitará atracar, sino que se acoplará de forma autónoma directamente a la estación espacial. El segmento ruso solo utiliza puertos de acoplamiento, por lo que no es posible que el HTV, Dragon y Cygnus encuentren un atraque allí. [ 22 ]

El encuentro espacial se ha utilizado para diversos fines, incluidas misiones de servicio recientes al Telescopio Espacial Hubble . Históricamente, para las misiones del Proyecto Apolo que llevaron astronautas a la Luna , la etapa de ascenso del Módulo Lunar Apolo se acoplaba con el Módulo de Comando/Servicio Apolo en maniobras de encuentro en órbita lunar . Asimismo, la tripulación de la misión STS-49 se acopló al satélite de comunicaciones Intelsat VI F-3 y le instaló un motor de cohete para permitirle realizar una maniobra orbital .

Es posible que en el futuro se produzca un encuentro mediante un vehículo robótico Hubble (HRV) automatizado, aún en desarrollo, y mediante el CX-OLEV , que se está desarrollando para el encuentro con un satélite geoestacionario que se ha quedado sin combustible. El CX-OLEV se encargaría del mantenimiento de la posición orbital y/o, finalmente, llevaría el satélite a una órbita de desecho, tras lo cual podría reutilizarse para otro satélite. La transferencia gradual de la órbita de transferencia geoestacionaria a la órbita geoestacionaria llevará varios meses, utilizando propulsores de efecto Hall . [ 23 ]

Alternativamente, las dos naves espaciales ya están juntas y simplemente se desacoplan y se acoplan de una manera diferente:

  • Nave espacial Soyuz de un punto de acoplamiento a otro en la ISS o Salyut
  • En la nave espacial Apolo , una maniobra conocida como transposición, acoplamiento y extracción se realizó aproximadamente una hora después de la inyección translunar de la secuencia tercera etapa del cohete Saturno V / LM dentro del adaptador LM / CSM (en orden de abajo hacia arriba en el lanzamiento, también el orden de atrás hacia adelante con respecto al movimiento actual), con el CSM tripulado, mientras que el LM en esta etapa no estaba tripulado:
    • El CSM se separó, mientras que los cuatro paneles superiores del adaptador LM fueron desechados.
    • El CSM giró 180 grados (desde el motor hacia atrás, hacia el LM, hasta hacia adelante).
    • El CSM se conectó al LM mientras este aún estaba conectado a la tercera etapa.
    • La combinación CSM/LM se separó entonces de la tercera etapa.

La NASA a veces se refiere a "Encuentro, Operaciones de Proximidad , Acoplamiento y Desacoplamiento " (RPODU) para el conjunto de todos los procedimientos de vuelo espacial que normalmente se necesitan en torno a las operaciones de naves espaciales donde dos naves espaciales trabajan cerca una de la otra con la intención de conectarse entre sí. [ 24 ]

Fases y métodos

Módulo de mando y servicio Charlie Brown visto desde el módulo lunar Snoopy
Encuentro orbital. 1/ Ambas naves espaciales deben estar en el mismo plano orbital. La ISS vuela en una órbita más alta (velocidad menor), el ATV vuela en una órbita más baja y alcanza a la ISS. 2/ En el momento en que el ATV y la ISS forman un ángulo alfa (aproximadamente 2°), el ATV cruza la órbita elíptica hacia la ISS. [ 25 ]

La técnica estándar para el encuentro y acoplamiento consiste en acoplar un vehículo activo, el "perseguidor", con un "objetivo" pasivo. Esta técnica se ha utilizado con éxito en los programas Gemini, Apolo, Apolo/Soyuz, Salyut, Skylab, Mir, ISS y Tiangong.

Para comprender correctamente el encuentro de naves espaciales, es fundamental entender la relación entre la velocidad y la órbita. Una nave en una órbita determinada no puede modificar su velocidad arbitrariamente. Cada órbita se corresponde con una velocidad orbital específica. Si la nave activa sus propulsores y aumenta (o disminuye) su velocidad, obtendrá una órbita diferente, con una altitud mayor o menor. En órbitas circulares, las órbitas más altas tienen una velocidad orbital menor, mientras que las órbitas más bajas tienen una velocidad orbital mayor.

Para que se produzca el encuentro orbital, ambas naves espaciales deben estar en el mismo plano orbital y la fase de la órbita (la posición de la nave en la órbita) debe coincidir. [ 25 ] Para el acoplamiento, la velocidad de los dos vehículos también debe coincidir. La nave "perseguidora" se coloca en una órbita ligeramente inferior a la de la nave objetivo. Cuanto más baja sea la órbita, mayor será la velocidad orbital. Por lo tanto, la diferencia en las velocidades orbitales de la nave perseguidora y la nave objetivo es tal que la perseguidora es más rápida que la nave objetivo y la alcanza.

Una vez que las dos naves espaciales están suficientemente cerca, la órbita de la perseguidora se sincroniza con la órbita del objetivo. Es decir, la perseguidora se acelera. Este aumento de velocidad la lleva a una órbita más alta. El aumento de velocidad se elige de manera que la perseguidora adopte aproximadamente la órbita del objetivo. Gradualmente, la perseguidora se acerca al objetivo hasta que se pueden iniciar las operaciones de proximidad (véase más adelante). En la fase final, la velocidad de aproximación se reduce mediante el sistema de control de reacción del vehículo activo . El acoplamiento suele producirse a una velocidad de entre 0,1 ft/s (0,030 m/s) y 0,2 ft/s (0,061 m/s) . [ 26 ]    

Fases de encuentro

El encuentro espacial de una nave espacial activa, o "perseguidora", con una nave espacial (supuestamente) pasiva puede dividirse en varias fases, y normalmente comienza con las dos naves espaciales en órbitas separadas, normalmente separadas por más de 10.000 kilómetros (6.200 millas) : [ 27 ] 

Se pueden utilizar diversas técnicas para efectuar las maniobras de traslación y rotación necesarias para las operaciones de proximidad y el acoplamiento. [ 28 ]

Métodos de aproximación

Los dos métodos de aproximación más comunes para operaciones de proximidad son en línea con la trayectoria de vuelo de la nave espacial (denominada V-barra, ya que se alinea con el vector de velocidad del objetivo) y perpendicular a la trayectoria de vuelo a lo largo de la línea del radio de la órbita (denominada R-barra, ya que se alinea con el vector radial, con respecto a la Tierra, del objetivo). [ 27 ] El método de aproximación elegido depende de la seguridad, el diseño de la nave espacial/propulsor, el cronograma de la misión y, especialmente para el acoplamiento con la ISS, de la ubicación del puerto de acoplamiento asignado.

Enfoque de barra en V

El enfoque de barra en V es un acercamiento del "perseguidor" horizontalmente a lo largo del vector de velocidad de la nave pasiva. Es decir, desde atrás o desde adelante, y en la misma dirección que el movimiento orbital del objetivo pasivo. El movimiento es paralelo a la velocidad orbital del objetivo. [ 27 ] [ 29 ] En el enfoque de barra en V desde atrás, el perseguidor enciende pequeños propulsores para aumentar su velocidad en la dirección del objetivo. Esto, por supuesto, también impulsa al perseguidor a una órbita más alta. Para mantener al perseguidor en el vector V, se encienden otros propulsores en la dirección radial. Si esto se omite (por ejemplo, debido a una falla de propulsor), el perseguidor será llevado a una órbita más alta, que está asociada con una velocidad orbital menor que la del objetivo. En consecuencia, el objetivo se mueve más rápido que el perseguidor y la distancia entre ellos aumenta. Esto se denomina efecto de frenado natural y es una salvaguarda natural en caso de una falla de propulsor.

La misión STS-104 fue la tercera misión del transbordador espacial en realizar una llegada en V a la Estación Espacial Internacional . [ 30 ] La V, o vector de velocidad , se extiende a lo largo de una línea directamente delante de la estación. Los transbordadores se aproximan a la ISS siguiendo la V al acoplarse en el puerto de acoplamiento PMA-2 . [ 31 ]

Enfoque de barra R

El método de la barra R consiste en que el perseguidor se mueva por debajo o por encima de la nave espacial objetivo, a lo largo de su vector radial. El movimiento es ortogonal a la velocidad orbital de la nave espacial pasiva. [ 27 ] [ 29 ] Cuando está por debajo del objetivo, el perseguidor enciende propulsores radiales para acercarse a él. De esta manera, aumenta su altitud. Sin embargo, la velocidad orbital del perseguidor permanece inalterada (el encendido de propulsores en la dirección radial no afecta a la velocidad orbital). Ahora en una posición ligeramente más alta, pero con una velocidad orbital que no corresponde a la velocidad circular local, el perseguidor se queda ligeramente rezagado con respecto al objetivo. Se necesitan pequeños impulsos de cohete en la dirección de la velocidad orbital para mantener al perseguidor a lo largo del vector radial del objetivo. Si estos impulsos de cohete no se ejecutan (por ejemplo, debido a un fallo de los propulsores), el perseguidor se alejará del objetivo. Este es un efecto de frenado natural . Para el método de la barra R, este efecto es más fuerte que para el método de la barra V, lo que hace que el método de la barra R sea el más seguro de los dos. En general, es preferible el método de aproximación R-bar desde abajo, ya que el perseguidor se encuentra en una órbita más baja (y más rápida) que el objetivo, y por lo tanto lo alcanza. En el caso del método de aproximación R-bar desde arriba, el perseguidor se encuentra en una órbita más alta (y más lenta) que el objetivo, y por lo tanto tiene que esperar a que este se aproxime.

Astrotech propuso satisfacer las necesidades de carga de la ISS con un vehículo que se acercaría a la estación, "utilizando un enfoque tradicional de R-bar nadir". [ 32 ] El enfoque de R-bar nadir también se utiliza para los vuelos a la ISS de los vehículos de transferencia H-II y de los vehículos SpaceX Dragon . [ 33 ] [ 34 ]

Enfoque de barra Z

Una aproximación de la nave espacial activa, o "perseguidora", horizontalmente desde el lateral y ortogonal al plano orbital de la nave espacial pasiva —es decir, desde el lateral y fuera del plano de la órbita de la nave espacial pasiva— se denomina aproximación en Z. [ 35 ]

Encuentro en superficie

El astronauta del Apolo 12, Conrad, con la sonda Surveyor 3 y el módulo de aterrizaje del Apolo 2 al fondo, en la primera visita de una misión independiente más allá de la órbita terrestre baja.

La misión Apolo 12 , el segundo alunizaje tripulado , realizó el primer encuentro espacial fuera de la órbita terrestre baja al aterrizar cerca de la sonda Surveyor 3 y traer partes de ella de vuelta a la Tierra.

Véase también

Notas

  1. ↑ λ max es el radio angular del horizonte verdadero de la nave espacialvisto desde el centro del planeta; para LEO , es el ángulo central máximo de la Tierra desde la altitud de la nave espacial.

Referencias

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  2. ↑ Hall, Rex; David J. Shayler (2001). Los hombres cohete: Vostok y Voskhod, los primeros vuelos espaciales tripulados soviéticos . Nueva York: Springer–Praxis Books . págs. 185–191 . ISBN  1-85233-391-XArchivado del original el 2 de abril de 2020. Consultado el 25 de septiembre de 2016 .
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