El aerofrenado es una maniobra de vuelo espacial que reduce el punto alto de una órbita elíptica ( apoapsis ) haciendo volar el vehículo a través de la atmósfera en el punto bajo de la órbita ( periapsis ). La resistencia resultante frena la nave espacial . El aerofrenado se utiliza cuando una nave espacial requiere una órbita baja después de llegar a un cuerpo con atmósfera, ya que requiere menos combustible que usar propulsión para reducir la velocidad.
Cuando un vehículo interplanetario llega a su destino, debe reducir su velocidad para alcanzar la órbita o aterrizar. Para alcanzar una órbita baja, casi circular, alrededor de un cuerpo con una gravedad sustancial (como se requiere en muchos estudios científicos), los cambios de velocidad necesarios pueden ser del orden de kilómetros por segundo. Al utilizar la propulsión, la ecuación del cohete dicta que una gran fracción 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 aerofrenado para reducir las necesidades de combustible. El uso de una combustión relativamente pequeña permite que la nave espacial entre en una órbita elíptica alargada . Luego, el aerofrenado acorta la órbita hasta convertirla en un círculo. Si la atmósfera es lo suficientemente espesa, una sola pasada puede ser suficiente para ajustar la órbita. Sin embargo, el frenado aerodinámico normalmente requiere múltiples órbitas más altas en la atmósfera. Esto reduce los efectos del calentamiento por fricción , los efectos de turbulencia impredecibles, la composición atmosférica y la temperatura. El aerofrenado realizado de esta manera permite tiempo suficiente después de cada pasada para medir el cambio de velocidad y hacer correcciones para la siguiente pasada. Alcanzar la órbita final puede llevarle más de seis meses a Marte , y puede requerir cientos de pasos a través de la atmósfera. Después del último paso, si la nave espacial debe permanecer en órbita, se le debe dar más energía cinética mediante motores de cohetes para elevar el periapsis por encima de la atmósfera. Si la nave aterriza, deberá perder energía cinética, también a través de los motores de cohetes.
La energía cinética disipada por el aerofrenado se convierte en calor , lo que significa que las naves espaciales deben disipar este calor. La nave espacial debe tener suficiente superficie y resistencia estructural para producir y sobrevivir a la resistencia requerida. Las temperaturas y presiones asociadas con el aerofrenado 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 m 2 , 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, 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) en nivel del mar en la Tierra, aproximadamente la cantidad que se experimenta al caminar lentamente.[3]
En cuanto a la navegación de la nave espacial, 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 espacial, durante el frenado aerodinámico, utilizando un filtro Kalman sin perfume para inferir estadísticamente la trayectoria de la nave espacial independientemente de los datos de medición en tierra. Jah hizo esto utilizando datos IMU reales de Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter . Además, este fue el primer uso de un filtro Kalman sin perfume para determinar la órbita de un objeto espacial antropogénico alrededor de otro planeta. [4] Este método, que podría usarse para automatizar la navegación con frenado aerodinámico, se llama Medidas inerciales para navegación asistida por aire (IMAN) [5] y Jah ganó un premio de la Ley Espacial de la NASA por este trabajo.
Muchas naves espaciales utilizan paneles solares para impulsar sus operaciones. Los paneles se pueden utilizar para perfeccionar el frenado aerodinámico y reducir el número de órbitas requeridas. Los paneles giran según un algoritmo impulsado por IA para aumentar/reducir la resistencia y pueden 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 quema inicial de inyección en órbita. En cambio, la nave espacial se sumerge profundamente en la atmósfera sin una inserción inicial y emerge de este único paso en la atmósfera con una apoapsis cercana a la de la órbita deseada. Luego se utilizan varias pequeñas quemaduras de corrección para elevar el periapsis y realizar ajustes finales. [7] Este método se planeó originalmente para el orbitador Mars Odyssey , [8] pero los importantes impactos del diseño resultaron demasiado costosos. [7]
Otra técnica relacionada es la de asistencia por aerogravedad , en la que la nave espacial vuela a través de la atmósfera superior y utiliza sustentación aerodinámica en lugar de resistencia en el punto de máxima aproximación. Si se orienta correctamente, esto puede aumentar el ángulo de desviación por encima del de una asistencia de gravedad pura , lo que resulta en un delta-v más grande . [9]
Aunque la teoría del aerofrenado está bien desarrollada, utilizar la técnica es difícil porque se necesita un conocimiento muy detallado del carácter de la atmósfera del planeta objetivo para planificar la maniobra correctamente. Actualmente, se monitorea la desaceleración durante cada maniobra y los planes se modifican en consecuencia. Dado que ninguna nave espacial puede todavía frenar de forma segura por sí sola, esto requiere una atención constante tanto por parte de los controladores humanos como de la Red del Espacio Profundo . Esto es particularmente cierto cerca del final del proceso, cuando los pasos de arrastre están relativamente juntos (sólo unas 2 horas de diferencia para Marte). [ cita necesaria ] La NASA ha utilizado el aerofreno cuatro veces para modificar la órbita de una nave espacial a una con menor energía, altitud de apoapsis reducida 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 del espacio profundo. [11] Hiten (también conocido como MUSES-A) fue lanzado por el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) de Japón. [12] Hiten pasó cerca de la Tierra a una altitud de 125,5 km sobre el Pacífico a 11,0 km/s. La resistencia atmosférica redujo la velocidad en 1,712 m/s y la altitud del apogeo en 8665 km. [13] El 30 de marzo se llevó a cabo otra maniobra de frenado aerodinámico.
En mayo de 1993, se utilizó el frenado aerodinámico durante la misión extendida a Venus de la nave espacial Magallanes . [14] Se utilizó para circularizar la órbita de la nave espacial con el fin de aumentar la precisión de la medición del campo de gravedad . Todo el campo gravitatorio fue mapeado desde la órbita circular durante un ciclo de 243 días de la misión extendida. Durante la fase final de la misión se llevó a cabo un "experimento de molino de viento": la presión molecular atmosférica ejerce un par a través de las alas de las células solares orientadas en forma de vela de molino de viento, y se mide el contrapar necesario para evitar que la sonda gire. [15]
En 1997, el orbitador Mars Global Surveyor (MGS) fue la primera nave espacial en utilizar el aerofrenado como principal técnica planificada de ajuste de la órbita. El MGS utilizó los datos recopilados de la misión Magallanes a Venus para planificar su técnica de aerofrenado. La nave espacial utilizó sus paneles solares como " alas " para controlar su paso a través de la tenue atmósfera superior de Marte y reducir la apoapsis de su órbita a lo largo de muchos meses. Desafortunadamente, una falla estructural poco después del lanzamiento dañó gravemente uno de los paneles solares del MGS y requirió una mayor altitud de frenado aerodinámico (y por lo tanto un tercio de la fuerza) de lo planeado originalmente, extendiendo significativamente el tiempo requerido para alcanzar la órbita deseada. Más recientemente, las naves espaciales Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter utilizaron el frenado aerodinámico , en ambos casos sin incidentes.
En 2014, se realizó con éxito un experimento de aerofreno 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 de gases traza ExoMars de la ESA realizó un aerofrenado en Marte para reducir el apocentro de la órbita, siendo el primer aerofrenado operativo para una misión europea. [18]
En la novela Space Cadet de Robert A. Heinlein de 1948 , el aerofrenado se utiliza para ahorrar combustible mientras se desacelera la nave espacial Aes Triplex para una misión extendida no planificada y aterrizar en Venus, durante un tránsito desde el cinturón de asteroides a la Tierra. [19]
La nave espacial cosmonauta Alexei Leonov en la novela 2010 : Odyssey Two de Arthur C. Clarke de 1982 y su adaptación cinematográfica de 1984 utiliza aerofrenos en las capas superiores de la atmósfera de Júpiter para establecerse en el punto Lagrangiano L 1 del sistema Júpiter- Io .
En la serie de televisión de 2004 Space Odyssey: Voyage to the Planets, la tripulación de la nave espacial internacional Pegasus realiza una maniobra de aerofrenado en la atmósfera superior de Júpiter para frenarlos lo suficiente como para entrar en la órbita joviana.
En el cuarto episodio de Stargate Universe , la antigua nave Destiny sufre una pérdida casi total de potencia y debe utilizar el aerofrenado para cambiar de rumbo. El episodio de 2009 termina en un suspenso con Destiny dirigiéndose directamente hacia una estrella.
En el juego sandbox de simulación espacial Kerbal Space Program , este es un método común para reducir la velocidad orbital de una nave . A veces se le llama con humor " rotura aerodinámica ", porque la alta resistencia a veces hace que las embarcaciones grandes se partan en varias partes.
En la trilogía sobre Marte de Kim Stanley Robinson , la nave espacial Ares que transporta a los primeros cien humanos que llegan a Marte utiliza el aerofrenado para entrar en órbita alrededor del planeta. Más adelante en los libros, como un esfuerzo por espesar la atmósfera, los científicos aplican un frenado aerodinámico a un asteroide para vaporizarlo y liberar su contenido a la atmósfera.
En la película Interstellar de 2014 , el piloto astronauta Cooper utiliza el aerofrenado para ahorrar combustible y frenar la nave espacial Ranger al salir del agujero de gusano para llegar a la órbita sobre el primer planeta.
El frenado aerodinámico es un método utilizado en el aterrizaje de aviones para ayudar a los frenos de las ruedas a detener el avión. A menudo se utiliza para aterrizajes cortos en pistas o cuando las condiciones son húmedas, heladas o resbaladizas. El frenado aerodinámico se realiza inmediatamente después de que las ruedas traseras (soportes principales) tocan el suelo, pero antes de que baje la rueda de morro. El piloto comienza a tirar de la palanca hacia atrás, aplicando presión del elevador para mantener el morro en alto. La actitud con el morro alto expone una mayor superficie de la nave al flujo de aire, lo que produce una mayor resistencia , lo que ayuda a reducir la velocidad del avión. Los elevadores elevados también hacen que el aire empuje hacia abajo la parte trasera de la nave, forzando las ruedas traseras con más fuerza contra el suelo, lo que ayuda a los frenos de las ruedas al evitar patinar. Por lo general, el piloto continuará presionando la palanca incluso después de que los elevadores pierdan su autoridad y la rueda de morro baje, para mantener una presión adicional sobre las ruedas traseras.
El frenado aerodinámico es una técnica de frenado común durante el aterrizaje, que también puede ayudar a proteger los frenos de las ruedas y los neumáticos del desgaste excesivo, o de bloquearse y hacer que la nave se deslice fuera de control. A menudo lo utilizan pilotos privados, aviones comerciales, aviones de combate y los transbordadores espaciales durante los aterrizajes. [20] [21] [22]
