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naves espaciales no tripuladas

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El buque de reabastecimiento no tripulado Progress M-06M
La sonda espacial Galileo montada sobre un cohete propulsor de etapa superior inercial, antes de su salida de la órbita terrestre en 1989.
La nave espacial no tripulada Buran fue lanzada, orbitó la Tierra y aterrizó como nave espacial no tripulada en 1988 (aquí se muestra en una exhibición aérea).
Maqueta del telescopio espacial James Webb
Arriba: La nave de reabastecimiento no tripulada Progress M-06M (izquierda). Sonda espacial Galileo , antes de su salida de la órbita terrestre en 1989 (derecha). Abajo: El avión espacial Buran fue lanzado, orbitó la Tierra y aterrizó como nave espacial no tripulada en 1988 (izquierda). Maqueta del telescopio espacial James Webb (derecha).

Las naves espaciales no tripuladas o robóticas son aquellas que no llevan personas a bordo. Pueden tener distintos niveles de autonomía respecto a la intervención humana, como el control remoto o la guía remota. También pueden ser autónomas , en cuyo caso cuentan con una lista preprogramada de operaciones que se ejecutarán a menos que se les indique lo contrario. Una nave espacial robótica para mediciones científicas suele denominarse sonda espacial u observatorio espacial .

Muchas misiones espaciales se adaptan mejor a la telerrobótica que a la operación tripulada , debido a su menor costo y riesgos. Además, algunos destinos planetarios, como Venus o las proximidades de Júpiter , son demasiado hostiles para la supervivencia humana con la tecnología actual. Planetas exteriores como Saturno , Urano y Neptuno están demasiado lejos para ser alcanzados con la tecnología actual de vuelos espaciales tripulados, por lo que las sondas telerrobóticas son la única forma de explorarlos. La telerrobótica también permite explorar regiones vulnerables a la contaminación por microorganismos terrestres, ya que las naves espaciales pueden esterilizarse. Los humanos no pueden esterilizarse de la misma manera que una nave espacial, ya que coexisten con numerosos microorganismos, y estos microorganismos también son difíciles de contener dentro de una nave espacial o un traje espacial.

La primera misión espacial no tripulada fue el Sputnik , lanzado el 4 de octubre de 1957 para orbitar la Tierra. Casi todos los satélites , módulos de aterrizaje y vehículos exploradores son naves espaciales robóticas. No todas las naves espaciales no tripuladas son robóticas; por ejemplo, una esfera reflectora es una nave espacial no tripulada no robótica. Las misiones espaciales en las que viajan otros animales , pero no humanos, se denominan misiones no tripuladas.

Muchas naves espaciales habitables también cuentan con distintos niveles de capacidades robóticas. Por ejemplo, las estaciones espaciales Salyut 7 y Mir , y el módulo Zarya de la Estación Espacial Internacional , eran capaces de realizar maniobras de acoplamiento y mantenimiento de posición guiadas a distancia tanto con naves de reabastecimiento como con nuevos módulos. Las naves de reabastecimiento no tripuladas se utilizan cada vez más en estaciones espaciales tripuladas .

Historia

Una réplica del Sputnik 1 en el Museo Nacional del Aire y el Espacio de Estados Unidos.
Una réplica del Explorer 1

La primera nave espacial robótica fue lanzada por la Unión Soviética (URSS) el 22 de julio de 1951, un vuelo suborbital que transportaba a dos perros, Dezik y Tsygan. [ 1 ] Se realizaron otros cuatro vuelos de este tipo hasta el otoño de 1951.

El primer satélite artificial , Sputnik 1 , fue puesto en órbita terrestre a 215 por 939 kilómetros (116 por 507 millas náuticas) por la URSS el 4 de octubre de 1957. El 3 de noviembre de 1957, la URSS puso en órbita el Sputnik 2. Con un peso de 113 kilogramos (249 lb) , el Sputnik 2 transportó al primer animal a la órbita, la perra Laika . [ 2 ] Dado que el satélite no fue diseñado para separarse de la etapa superior de su vehículo de lanzamiento , la masa total en órbita fue de 508,3 kilogramos (1121 lb) . [ 3 ]   

En una reñida carrera con los soviéticos , Estados Unidos lanzó su primer satélite artificial, el Explorer 1 , a una órbita de 357 por 2543 kilómetros (193 por 1373 millas náuticas) el 31 de enero de 1958. El Explorer 1 era un cilindro de 205 centímetros (80,75 pulgadas) de largo por 15,2 centímetros (6,00 pulgadas) de diámetro que pesaba 14,0 kilogramos (30,8 libras) , en comparación con el Sputnik 1, una esfera de 58 centímetros (23 pulgadas) que pesaba 83,6 kilogramos (184 libras) . El Explorer 1 llevaba sensores que confirmaron la existencia de los cinturones de Van Allen, un importante descubrimiento científico en aquel momento, mientras que el Sputnik 1 no llevaba sensores científicos. El 17 de marzo de 1958, Estados Unidos puso en órbita su segundo satélite, el Vanguard 1 , que tenía aproximadamente el tamaño de un pomelo y que, a fecha de 2016, permanece en una órbita de 670 por 3.850 kilómetros (360 por 2.080 millas náuticas).       .

El primer intento de sonda lunar fue la Luna E-1 No.1 , lanzada el 23 de septiembre de 1958. El objetivo de enviar una sonda lunar fracasó repetidamente hasta el 4 de enero de 1959, cuando la Luna 1 orbitó alrededor de la Luna y luego alrededor del Sol.

El éxito de estas primeras misiones dio inicio a una carrera entre Estados Unidos y la Unión Soviética por superarse mutuamente con sondas cada vez más ambiciosas. Mariner 2 fue la primera sonda en estudiar otro planeta, revelando a los científicos la temperatura extremadamente alta de Venus en 1962, mientras que la soviética Venera 4 fue la primera sonda atmosférica en estudiar Venus. El sobrevuelo de Marte de Mariner 4 en 1965 capturó las primeras imágenes de su superficie craterizada, a las que los soviéticos respondieron unos meses después con imágenes de su superficie tomadas por Luna 9. En 1967, la sonda estadounidense Surveyor 3 recopiló información sobre la superficie de la Luna que resultaría crucial para la misión Apolo 11 , que llevó a los humanos a la Luna dos años después. [ 4 ]

La primera sonda interestelar fue la Voyager 1 , lanzada el 5 de septiembre de 1977. Entró en el espacio interestelar el 25 de agosto de 2012, [ 5 ] seguida por su gemela Voyager 2 el 5 de noviembre de 2018. [ 6 ]

Otros nueve países han lanzado con éxito satélites utilizando sus propios vehículos de lanzamiento: Francia (1965), [ 7 ] Japón [ 8 ] y China (1970), [ 9 ] el Reino Unido (1971), [ 10 ] India (1980), [ 11 ] Israel (1988), [ 12 ] Irán (2009), [ 13 ] Corea del Norte (2012), [ 14 ] y Corea del Sur (2022). [ 15 ]

Diseño

En el diseño de naves espaciales, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos considera que un vehículo consta de la carga útil de la misión y el bus (o plataforma). El bus proporciona estructura física, control térmico, energía eléctrica, control de actitud y telemetría, seguimiento y comando. [ 16 ] El JPL divide el "sistema de vuelo" de una nave espacial en subsistemas. [ 17 ] Estos incluyen:

Estructura

La estructura física principal, que

  • Proporciona la integridad mecánica general de la nave espacial.
  • garantiza que los componentes de la nave espacial estén soportados y puedan resistir las cargas del lanzamiento.

Manejo de datos

A veces se le denomina subsistema de comandos y datos. Suele ser responsable de:

  • Almacenamiento de secuencias de comandos
  • mantener el reloj de la nave espacial
  • Recopilación y notificación de datos de telemetría de naves espaciales (por ejemplo, estado de la nave espacial).
  • Recopilación y presentación de datos de la misión (por ejemplo, imágenes fotográficas).

Determinación y control de la actitud

Este sistema es el principal responsable de la correcta orientación de la nave espacial en el espacio (actitud) a pesar de las perturbaciones externas, como los efectos del gradiente gravitatorio, los pares del campo magnético, la radiación solar y la resistencia aerodinámica; además, puede ser necesario para reposicionar partes móviles, como antenas y paneles solares. [ 18 ]

Entrada, descenso y aterrizaje

La detección integrada incorpora un algoritmo de transformación de imágenes para interpretar los datos terrestres de las imágenes en tiempo real, detectar y evitar obstáculos que puedan dificultar un aterrizaje seguro y aumentar la precisión del aterrizaje en el lugar deseado mediante técnicas de localización de puntos de referencia. La detección integrada realiza estas tareas basándose en información pregrabada y cámaras para comprender su ubicación y determinar su posición, así como si es correcta o requiere correcciones (localización). Las cámaras también se utilizan para detectar posibles peligros, ya sea un mayor consumo de combustible o un peligro físico, como un lugar de aterrizaje inadecuado en un cráter o acantilado (evaluación de riesgos).

Aterrizaje en terreno peligroso

En las misiones de exploración planetaria que involucran naves espaciales robóticas, existen tres partes clave en los procesos de aterrizaje en la superficie del planeta para garantizar un aterrizaje seguro y exitoso. [ 19 ] Este proceso incluye la entrada al campo gravitatorio y la atmósfera planetaria, el descenso a través de dicha atmósfera hacia una región de interés científico y un aterrizaje seguro que garantice la integridad de la instrumentación de la nave. Mientras la nave espacial robótica atraviesa estas partes, también debe ser capaz de estimar su posición con respecto a la superficie para asegurar un control fiable de sí misma y una buena capacidad de maniobra. La nave espacial robótica también debe realizar de manera eficiente una evaluación de riesgos y ajustes de trayectoria en tiempo real para evitar peligros. Para lograr esto, la nave espacial robótica requiere un conocimiento preciso de su ubicación con respecto a la superficie (localización), los posibles peligros del terreno (evaluación de riesgos) y hacia dónde debería dirigirse la nave espacial en ese momento (evitación de riesgos). Sin la capacidad de realizar operaciones de localización, evaluación de riesgos y evitación, la nave espacial robótica se vuelve insegura y puede entrar fácilmente en situaciones peligrosas, como colisiones con la superficie, niveles de consumo de combustible indeseables o maniobras inseguras.

Telecomunicaciones

Los componentes del subsistema de telecomunicaciones incluyen antenas de radio, transmisores y receptores. Estos pueden utilizarse para comunicarse con estaciones terrestres en la Tierra o con otras naves espaciales. [ 20 ]

Energía eléctrica

El suministro de energía eléctrica en las naves espaciales generalmente proviene de células fotovoltaicas (solares) o de un generador termoeléctrico de radioisótopos . Otros componentes del subsistema incluyen baterías para almacenar energía y circuitos de distribución que conectan los componentes a las fuentes de energía. [ 21 ]

Control de temperatura y protección contra el entorno.

Las naves espaciales suelen estar protegidas de las fluctuaciones de temperatura mediante aislamiento. Algunas utilizan espejos y parasoles para una protección adicional contra el calentamiento solar. También suelen necesitar protección contra micrometeoritos y desechos orbitales. [ 22 ]

Propulsión

La propulsión espacial es un método que permite a una nave espacial viajar por el espacio generando empuje para impulsarla hacia adelante. [ 23 ] Sin embargo, no existe un sistema de propulsión universalmente utilizado: monopropelente, bipropelente, propulsión iónica, etc. Cada sistema de propulsión genera empuje de maneras diferentes, y cada uno tiene sus ventajas y desventajas.

La mayoría de los sistemas de propulsión de naves espaciales actuales se basan en motores de cohete . La idea general detrás de los motores de cohete es que, cuando un oxidante entra en contacto con el combustible, se produce una liberación explosiva de energía y calor a altas velocidades, lo que impulsa la nave hacia adelante. Esto se debe a un principio fundamental conocido como la tercera ley de Newton . Según Newton, "a toda acción corresponde una reacción igual y opuesta". A medida que la energía y el calor se liberan desde la parte posterior de la nave, las partículas de gas son empujadas, lo que permite que la nave avance. La principal razón del uso de motores de cohete hoy en día es que los cohetes son la forma de propulsión más potente.

Monopropelente

Para que un sistema de propulsión funcione, generalmente hay una línea de oxidante y una línea de combustible. De esta manera, se controla la propulsión de la nave espacial. Pero en la propulsión monopropelente, no se necesita una línea de oxidante y el sistema solo requiere la línea de combustible. [ 24 ] Esto funciona porque el oxidante está unido químicamente a la propia molécula de combustible. Pero para que el sistema de propulsión se controle, la combustión del combustible solo puede ocurrir debido a la presencia de un catalizador . Esto es ventajoso porque hace que el motor del cohete sea más ligero, menos costoso, fácil de controlar y más confiable. Pero, la desventaja es que el producto químico es peligroso de fabricar, almacenar y transportar.

Bipropelente

Un sistema de propulsión bipropelente es un motor de cohete que utiliza un propulsor líquido. [ 25 ] Esto significa que tanto el oxidante como el combustible se encuentran en estado líquido. Este sistema es único porque no requiere un sistema de ignición; los dos líquidos se combustionan espontáneamente al entrar en contacto, generando así la propulsión necesaria para impulsar la nave espacial. La principal ventaja de esta tecnología radica en la densidad relativamente alta de estos líquidos, lo que permite reducir el volumen del tanque de propulsor y, por lo tanto, aumentar la eficiencia espacial. La desventaja es la misma que la de un sistema de propulsión monopropelente: su fabricación, almacenamiento y transporte resultan peligrosos.

Ion

Un sistema de propulsión iónica es un tipo de motor que genera empuje mediante el bombardeo de electrones o la aceleración de iones. [ 26 ] Al disparar electrones de alta energía a un átomo propulsor (con carga neutra), se extraen electrones del átomo propulsor, lo que provoca que este adquiera carga positiva. Los iones con carga positiva, que funcionan a altos voltajes, son guiados a través de rejillas con carga positiva que contienen miles de orificios alineados con precisión. Estos iones se aceleran a través de una rejilla aceleradora con carga negativa que aumenta aún más su velocidad, hasta 40 kilómetros por segundo (90 000 mph) . El impulso de estos iones proporciona el empuje necesario para impulsar la nave espacial. La ventaja de este tipo de propulsión radica en su increíble eficiencia para mantener una velocidad constante, indispensable para los viajes al espacio profundo. Sin embargo, la cantidad de empuje producida es extremadamente baja y requiere una gran cantidad de energía eléctrica para su funcionamiento. 

Dispositivos mecánicos

A menudo es necesario mover los componentes mecánicos para su despliegue después del lanzamiento o antes del aterrizaje. Además del uso de motores, muchos movimientos puntuales se controlan mediante dispositivos pirotécnicos . [ 27 ]

Naves espaciales robóticas frente a naves espaciales no tripuladas

Las naves espaciales robóticas son sistemas diseñados específicamente para un entorno hostil concreto. [ 28 ] Debido a su especificación para un entorno particular, varían enormemente en complejidad y capacidades. En cambio, una nave espacial no tripulada es aquella que carece de personal o tripulación y se opera mediante control automático (realiza una acción sin intervención humana) o control remoto (con intervención humana). El término «nave espacial no tripulada» no implica que la nave sea robótica.

Rover robótico

Las naves espaciales robóticas utilizan la telemetría para transmitir por radio a la Tierra los datos adquiridos y la información sobre el estado del vehículo. Aunque generalmente se las denomina "controladas remotamente" o "telerobóticas", las primeras naves espaciales orbitales, como el Sputnik 1 y el Explorer 1, no recibían señales de control desde la Tierra. Poco después de estas primeras naves espaciales, se desarrollaron sistemas de mando que permitían el control remoto desde tierra. Una mayor autonomía es importante para las sondas distantes, donde el tiempo de viaje de la luz impide la toma de decisiones y el control rápidos desde la Tierra. Las sondas más recientes, como Cassini-Huygens y los Mars Exploration Rovers, son altamente autónomas y utilizan ordenadores a bordo para operar de forma independiente durante largos periodos de tiempo. [ 29 ] [ 30 ]

sondas espaciales

Una sonda espacial es una nave espacial robótica que no orbita la Tierra, sino que explora el espacio exterior. Las sondas espaciales cuentan con diferentes conjuntos de instrumentos científicos a bordo. Una sonda espacial puede acercarse a la Luna; viajar por el espacio interplanetario; sobrevolar, orbitar o aterrizar en otros cuerpos planetarios; o entrar en el espacio interestelar. Las sondas espaciales envían los datos recopilados a la Tierra. También pueden recolectar materiales de su objetivo y traerlos de regreso a la Tierra. [ 31 ] [ 32 ]

Una vez que una sonda abandona la proximidad de la Tierra, su trayectoria probablemente la llevará a lo largo de una órbita alrededor del Sol similar a la de la Tierra. Para alcanzar otro planeta, el método práctico más sencillo es una órbita de transferencia de Hohmann . Técnicas más complejas, como las asistencias gravitatorias , pueden ser más eficientes en cuanto al consumo de combustible, aunque pueden requerir que la sonda pase más tiempo en tránsito. Algunas misiones con un alto Delta-V (como aquellas con grandes cambios de inclinación ) solo pueden realizarse utilizando asistencias gravitatorias. Una técnica que utiliza muy poca propulsión, pero que requiere una cantidad considerable de tiempo, es seguir una trayectoria en la Red de Transporte Interplanetario . [ 33 ]

telescopios espaciales

Un telescopio espacial u observatorio espacial es un telescopio en el espacio exterior utilizado para observar objetos astronómicos. Los telescopios espaciales evitan la filtración y distorsión de la radiación electromagnética que observan, así como la contaminación lumínica que sufren los observatorios terrestres . Se dividen en dos tipos: satélites que cartografían todo el cielo ( seguimiento astronómico ) y satélites que se centran en objetos astronómicos específicos o en partes del cielo y más allá. Los telescopios espaciales se diferencian de los satélites de imagen terrestre , que apuntan hacia la Tierra para obtener imágenes satelitales , utilizadas para el análisis meteorológico , el reconocimiento y otros tipos de recopilación de información .

nave espacial de carga

Los seis vehículos de carga de la estación espacial actualmente en servicio. En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda: Progress, Cargo Dragon 2, HTV-X, Cygnus XL, Enhanced Cygnus, Tianzhou.

Las naves de carga o de reabastecimiento son vehículos robóticos diseñados para transportar suministros, como alimentos, combustible y equipos, a las estaciones espaciales tripuladas . Esto las distingue de las sondas espaciales, que se centran principalmente en la exploración científica.

Las naves espaciales de carga automatizadas han estado prestando servicio a las estaciones espaciales desde 1978, apoyando misiones como Salyut 6 , Salyut 7 , Mir , la Estación Espacial Internacional (ISS) y la estación espacial Tiangong .

Actualmente, la ISS depende de cuatro tipos de naves de carga: la japonesa HTV-X , la rusa Progress , [ 34 ] junto con la estadounidense Cargo Dragon 2 , [ 35 ] [ 36 ] y Cygnus . [ 37 ] El Vehículo de Transferencia Automatizado Europeo se utilizó anteriormente entre 2008 y 2015. [ 38 ] La estación espacial china Tiangong se abastece exclusivamente de la Tianzhou . [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

Futuras naves espaciales de carga

El American Dream Chaser está en desarrollo desde 2004. Se espera que su primer vuelo de prueba orbital se realice en 2026, pero ya no tiene contrato para misiones de reabastecimiento a la ISS. [ 42 ]

Desde 2023, la ESA ha estado impulsando la iniciativa LEO Cargo Return Service para desarrollar una o más naves espaciales de carga capaces de regresar a la Tierra. [ 43 ]

China está desarrollando dos nuevas naves de carga para complementar la Tianzhou en el apoyo a la estación espacial Tiangong . La Qingzhou es una pequeña nave presurizada sin escudo térmico, mientras que la Haolong es un avión espacial reutilizable . [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]

Véase también

Referencias

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  30. ↑ "Preguntas frecuentes (Athena para niños): P) ¿El rover es controlado por sí mismo o por científicos en la Tierra?" (PDF) . ROVERS DE EXPLORACIÓN DE MARTE ATHENA. 2005. Archivado del original (PDF) el 29 de octubre de 2009. Recuperado el 10 de mayo de 2013. La comunicación con la Tierra es solo dos veces por sol (día marciano), por lo que el rover es autónomo durante gran parte de su viaje a través del paisaje marciano. Los científicos envían comandos al rover en un enlace ascendente matutino y recopilan datos en un enlace descendente vespertino. Durante un enlace ascendente, se le indica al rover adónde ir, pero no exactamente cómo llegar allí. En cambio, el comando contiene las coordenadas de los puntos de referencia hacia un destino deseado. El rover debe navegar de un punto de referencia a otro sin ayuda humana. El rover tiene que usar su "cerebro" y sus "ojos" para estos casos. El «cerebro» de cada rover es el software informático integrado que le indica cómo navegar basándose en las imágenes captadas por las Hazcams (cámaras de detección de peligros). Está programado con un conjunto de respuestas predefinidas para cada circunstancia. Esto se conoce como «autonomía y detección de peligros».
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