La aerocaptura es una maniobra de transferencia orbital en la que una nave espacial utiliza la fuerza de arrastre aerodinámica de un solo paso a través de una atmósfera planetaria para desacelerar y lograr la inserción en la órbita.
Aerocapture utiliza la atmósfera de un planeta o luna para realizar una maniobra de inserción orbital rápida y casi sin propulsor para colocar una nave espacial en su órbita científica . La maniobra de aerocaptura comienza cuando la nave espacial ingresa a la atmósfera del cuerpo objetivo desde una trayectoria de aproximación interplanetaria. La resistencia aerodinámica generada cuando el vehículo desciende a la atmósfera ralentiza la nave espacial. Después de que la nave espacial se desacelera lo suficiente como para ser capturada por el planeta, sale de la atmósfera y ejecuta una pequeña quemadura de propulsión en la primera apoápside para elevar la periapsis fuera de la atmósfera. Es posible que se requieran pequeñas quemaduras adicionales para corregir los errores de orientación de la apoapsis y la inclinación antes de que se establezca la órbita científica inicial.
En comparación con la inserción en órbita por propulsión convencional , este método de desaceleración casi sin combustible podría reducir significativamente la masa de una nave espacial interplanetaria, ya que una fracción sustancial de la masa de la nave espacial es a menudo el propulsor utilizado para la inserción en órbita. El ahorro en masa de propulsor permite agregar más instrumentación científica a la misión, o permite una nave espacial más pequeña y menos costosa y, potencialmente, un vehículo de lanzamiento más pequeño y menos costoso . [1]
Debido al calentamiento aerodinámico que se produce durante el paso atmosférico, la nave espacial debe estar empaquetada dentro de un aeroshell (o un sistema de entrada desplegable) con un sistema de protección térmica . El vehículo también requiere una guía autónoma de circuito cerrado durante la maniobra para permitirle apuntar a la órbita de captura deseada y ordenarle que salga de la atmósfera cuando se haya disipado suficiente energía. Garantizar que el vehículo tenga suficiente autoridad de control para evitar que la nave espacial penetre demasiado profundamente en la atmósfera o salga prematuramente sin disipar suficiente energía requiere el uso de un aeroshell de elevación o un sistema de modulación de arrastre que pueda cambiar el área productora de arrastre del vehículo durante vuelo. [2] [3]
Se ha demostrado que la aerocaptura es factible en Venus , la Tierra , Marte y Titán utilizando vehículos de entrada existentes y materiales de sistemas de protección térmica. [4] Hasta hace poco, los vehículos L/D (levantar-arrastrar) medios se consideraban esenciales para la aerocaptura en Urano y Neptuno, debido a las grandes incertidumbres en el estado de entrada y los perfiles de densidad atmosférica. [5] Sin embargo, los avances en la navegación interplanetaria y las técnicas de guía atmosférica han demostrado que los aeroproyectiles tradicionales de baja L/D, como el Apolo, ofrecen suficiente autoridad de control para la captura aérea en Neptuno. [6] [7] La aerocaptura en Júpiter y Saturno se considera un objetivo a largo plazo, ya que sus enormes pozos de gravedad dan como resultado velocidades de entrada muy altas y entornos aerotérmicos hostiles, lo que hace que la aerocaptura sea una opción menos atractiva y, quizás, inviable en estos destinos. . [4] Sin embargo, es posible utilizar una asistencia de aerogravedad en Titán para insertar una nave espacial alrededor de Saturno. [8]
La aerocaptura se ha estudiado para misiones planetarias desde principios de los años 1960. El artículo pionero de Londres sobre el uso de maniobras aerodinámicas para cambiar el plano de un satélite en órbita terrestre, en lugar de utilizar una maniobra de propulsión, se considera un precursor del concepto de aerocaptura. [9] El concepto de aerocaptura se denominó entonces frenado aerodinámico o "aerofrenado", y Repic et al. lo investigaron como un posible método de inserción orbital para misiones a Marte y Venus. [10] [11] En la terminología moderna [ se necesita aclaración ] , aerofrenado se refiere a una maniobra de "aeroasistencia" diferente y no debe confundirse con aerocaptura. [ cita necesaria ] El artículo de Cruz de 1979 fue el primero en utilizar la palabra aerocaptura, y fue seguido por una serie de estudios centrados en sus aplicaciones a Mars Sample Return (SR).
A finales de la década de 1980, se concibió el Experimento de Vuelo Aeroassist (AFE) para utilizar una carga útil lanzada por un transbordador para demostrar la aerocaptura en la Tierra. El proyecto dio lugar a una serie de desarrollos importantes, incluido el software de vuelo guiado, pero finalmente se canceló debido a sobrecostos y nunca se realizó. [12] A finales de la década de 1990, se consideró la aerocaptura para la misión Mars Odyssey (entonces conocida como Mars 2001 Surveyor), pero luego se abandonó a favor del aerofrenado debido a razones de costo y herencia con otras misiones a Marte. [13] A principios de la década de 2000, el programa de Tecnología de Propulsión Espacial (ISPT) de la NASA identificó la aerocaptura como el área de enfoque. En el marco de este proyecto se creó un Equipo de Análisis de Sistemas de Aerocaptura (ASAT) multicéntrico para definir misiones de aerocaptura de referencia en varios destinos del Sistema Solar e identificar cualquier brecha tecnológica que deba cerrarse antes de su implementación en un proyecto de vuelo. El equipo ASAT dirigido por Mary Kae Lockwood en el Centro de Investigación Langley de la NASA estudió con gran detalle los conceptos de misiones de aerocaptura a Venus, Marte, Titán y Neptuno. [14] Desde 2016, existe un interés renovado en la aerocaptura, particularmente con respecto a la inserción en órbita de pequeños satélites en Venus y Marte, [15] y las misiones de clase Flagship a Urano y Neptuno en la próxima década. [dieciséis]
Los tecnólogos de la NASA están desarrollando formas de colocar vehículos espaciales robóticos en órbitas científicas de larga duración alrededor de destinos distantes del Sistema Solar sin la necesidad de pesadas cargas de combustible que históricamente han limitado el rendimiento de los vehículos, la duración de las misiones y la masa disponible para las cargas científicas.
Un estudio demostró que el uso de aerocaptura en lugar del siguiente mejor método (quemado de propulsor y aerofrenado ) permitiría un aumento significativo en la carga útil científica para misiones que van desde Venus (aumento del 79%) hasta Titán (aumento del 280%) y Neptuno (aumento del 832%). . Además, el estudio demostró que el uso de tecnología de aerocaptura podría permitir misiones científicamente útiles a Júpiter y Saturno. [17]
La tecnología de aerocaptura también ha sido evaluada para su uso en misiones tripuladas a Marte y se ha descubierto que ofrece importantes beneficios masivos. Sin embargo, para esta aplicación, la trayectoria debe limitarse para evitar cargas de desaceleración excesivas para la tripulación. [18] [19] Aunque existen limitaciones similares en las trayectorias de las misiones robóticas, los límites humanos suelen ser más estrictos, especialmente a la luz de los efectos de la microgravedad prolongada en las tolerancias de aceleración.
Para realizar la aerocaptura, el vehículo debe ingresar a la atmósfera dentro del corredor de entrada teórico de aerocaptura. Entrar demasiado empinado hará que el vehículo no pueda salir de la atmósfera. Entrar demasiado superficialmente hará que el vehículo salga de la atmósfera sin agotar suficiente energía. Entrar dentro del corredor permite que el esquema de guía del vehículo alcance las condiciones de salida deseadas para una órbita de captura alrededor del planeta. [20]
La maniobra de aerocaptura se puede realizar con tres tipos básicos de sistemas. La nave espacial puede estar rodeada por una estructura cubierta con material de protección térmica, también conocido como diseño rígido de aeroshell. De manera similar, otra opción es que el vehículo despliegue un dispositivo de aerocaptura, como un escudo térmico inflable, conocido como diseño de aeroshell inflable o un faldón de arrastre desplegado mecánicamente. La tercera opción de diseño importante es un balón inflable de arrastre, una combinación de globo y paracaídas hecho de un material delgado y duradero que se remolca detrás del vehículo después de su despliegue en el vacío del espacio.
El sistema de carcasa rígida y de cuerpo romo encierra una nave espacial en una carcasa protectora. Este caparazón actúa como una superficie aerodinámica, proporcionando sustentación y resistencia, y brinda protección contra el intenso calentamiento experimentado durante el vuelo atmosférico de alta velocidad. Una vez que la nave espacial es capturada en órbita, el aeroshell se desecha.
La NASA ha utilizado sistemas de aeroproyectiles contundentes en el pasado para misiones de entrada a la atmósfera. El ejemplo más reciente son los vehículos de exploración de Marte, Spirit y Opportunity , que se lanzaron en junio y julio de 2003 y aterrizaron en la superficie marciana en enero de 2004. Otro ejemplo es el módulo de comando Apollo . El módulo se utilizó para seis vuelos espaciales sin tripulación desde febrero de 1966 hasta abril de 1968 y once misiones tripuladas desde el Apolo 7 en octubre de 1968 hasta la última misión lunar tripulada del Apolo 17 en diciembre de 1972. Debido a su extensa herencia, el diseño del sistema aeroshell se comprende bien. . La adaptación del aeroshell desde la entrada atmosférica hasta la aerocaptura requiere una personalización específica de la misión del material de protección térmica para adaptarse a los diferentes entornos de calentamiento de la aerocaptura. Además, se desean adhesivos de mayor temperatura y estructuras livianas de alta temperatura para minimizar la masa del sistema de aerocaptura. [1]
El diseño de aeroshell desplegable o inflable se parece mucho al diseño de aeroshell o cuerpo romo. Pero a diferencia del aeroshell elevador, los sistemas desplegables o inflables no producen sustentación. La única variable de control es el área de arrastre. El aeroshell inflable a menudo se conoce como un sistema híbrido, con un puente rígido y un desacelerador inflado adjunto para aumentar el área de arrastre. Justo antes de entrar en la atmósfera, el aeroshell inflable se extiende desde una tapa rígida y proporciona una superficie más grande para reducir la velocidad de la nave espacial. Hecho de un material de película delgada y reforzado con una tela cerámica, el diseño de aeroshell inflable podría ofrecer muchas de las mismas ventajas y funcionalidades que los diseños de ballute arrastrados. Si bien no es tan grande como el balute de arrastre, el aeroshell inflable es aproximadamente tres veces más grande que el sistema rígido de aeroshell y realiza la maniobra de aerocaptura en zonas más altas de la atmósfera, lo que reduce las cargas de calentamiento. Debido a que el sistema es inflable, la nave espacial no está cerrada durante el lanzamiento y el crucero, lo que permite una mayor flexibilidad durante el diseño y las operaciones de la nave espacial. [1]
Una de las principales tecnologías de desaceleración inflable es una configuración de ballute de arrastre . El diseño presenta un desacelerador toroidal , o en forma de rosquilla, hecho de un material liviano de película delgada . La balata es mucho más grande que la nave espacial y se remolca detrás de ésta, como un paracaídas, para reducir la velocidad del vehículo. El diseño "trailing" también permite un fácil desprendimiento una vez completada la maniobra de aerocaptura. El diseño de balute trasero tiene ventajas de rendimiento sobre el diseño de aeroshell rígido, como no limitar el tamaño y la forma de la nave espacial, y someter al vehículo a cargas aerodinámicas y térmicas mucho más bajas. Debido a que la baluta que se arrastra es mucho más grande que la nave espacial, la aerocaptura ocurre en lo alto de la atmósfera, donde se genera mucho menos calor. La baluta genera la mayor parte de las fuerzas aerodinámicas y el calor, lo que permite el uso de una protección térmica mínima alrededor de la nave espacial. Una de las principales ventajas de la configuración ballute es la masa. Mientras que el casco rígido puede representar entre el 30% y el 40% de la masa de una nave espacial, la fracción de masa baluta podría ser tan solo del 8% al 12%, ahorrando masa para una mayor carga útil científica. [1]
La aerocaptura aún no se ha probado en una misión planetaria, pero el salto de reentrada de Zond 6 y Zond 7 al regresar a la luna fueron maniobras de aerocaptura, ya que convirtieron una órbita hiperbólica en una órbita elíptica. En estas misiones, dado que no hubo ningún intento de elevar el perigeo después de la aerocaptura, la órbita resultante aún cruzaba la atmósfera y la reentrada se produjo en el siguiente perigeo.
La aerocaptura se planeó originalmente para el orbitador Mars Odyssey , [21] pero luego se cambió al aerofrenado por razones de costo y similitud con otras misiones. [22]
La aerocaptura ha sido propuesta y analizada para su llegada a Titán , la luna de Saturno . [23]
La aerocaptura dentro de la ficción se puede leer en la novela 2010: Odyssey Two de Arthur C. Clarke , en la que dos naves espaciales (una rusa y otra china) utilizan la aerocaptura en la atmósfera de Júpiter para deshacerse de su exceso de velocidad y posicionarse para explorar los satélites de Júpiter. Esto puede verse como un efecto especial en la versión cinematográfica , en la que solo una nave espacial rusa sufre una aerocaptura (en la película, incorrectamente llamada aerofrenado ).
Los jugadores del videojuego Kerbal Space Program a menudo emplean aerocaptura, particularmente cuando exploran los satélites de Jool (un gigante gaseoso que sirve como análogo de Júpiter en el juego).
En la serie de televisión Stargate Universe , el piloto automático de la nave Destiny emplea aerocaptura dentro de la atmósfera de un gigante gaseoso en el borde de un sistema estelar. Esto coloca a la nave en dirección directa hacia la estrella en el centro del sistema.
En la novela de ciencia ficción Delta-v , los mineros de asteroides utilizan una nave de aerocaptura especialmente diseñada en un intento desesperado de regresar a la Tierra desde el asteroide Ryugu .
Aerocapture es parte de una familia de tecnologías de "aeroasistencia" que está desarrollando la NASA para misiones científicas a cualquier cuerpo planetario con una atmósfera apreciable. Estos destinos podrían incluir Marte , Venus y Titán , la luna de Saturno , junto con los planetas exteriores .
El aerofrenado es otra maniobra de aeroasistencia que comparte algunas similitudes pero también algunas diferencias importantes con la aerocaptura. Mientras que la aerocaptura se utiliza para insertar una nave espacial en órbita desde una trayectoria hiperbólica, el aerofrenado se utiliza para reducir la apoapsis de una nave espacial que ya está en órbita.
Una de las principales ventajas de utilizar una técnica de aerocaptura sobre la de aerofrenado es que permite conceptos de misión para vuelos espaciales tripulados debido al rápido proceso de transición a la órbita deseada, acortando la duración de la misión en meses. [ eliminar o aclarar es necesaria ]
