El aerofrenado es una maniobra de vuelo espacial que reduce el punto alto de una órbita elíptica ( apoápside ) haciendo volar el vehículo a través de la atmósfera en el punto bajo de la órbita ( periápside ). La resistencia resultante reduce la velocidad de 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 para muchos estudios científicos), los cambios de velocidad requeridos pueden ser del orden de kilómetros por segundo. Al utilizar 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 una atmósfera, se puede utilizar el aerofrenado para reducir los requisitos de combustible. El uso de un quemado relativamente pequeño permite que la nave espacial entre en una órbita elíptica alargada . El aerofrenado luego acorta la órbita en un círculo. Si la atmósfera es lo suficientemente espesa, una sola pasada puede ser suficiente para ajustar la órbita. Sin embargo, el aerofrenado generalmente 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 frenado aerodinámico realizado de esta manera permite disponer de tiempo suficiente después de cada pasada para medir el cambio de velocidad y hacer correcciones para la siguiente pasada. Alcanzar la órbita final puede llevar más de seis meses en el caso de Marte , y puede requerir cientos de pasadas a través de la atmósfera. Después de la última pasada, si la nave espacial debe permanecer en órbita, debe recibir más energía cinética a través de motores de cohetes para elevar el periapsis por encima de la atmósfera. Si la nave aterriza, debe perder energía cinética, también a través de motores de cohetes.
La energía cinética disipada por el aerofrenado se convierte en calor , lo que significa que la nave espacial debe disipar este calor. La nave espacial debe tener suficiente área de 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 aerofrenado 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, la presión), aproximadamente 0,2 N por metro cuadrado, [2] que se ejerció sobre el Mars Observer durante el aerofrenado es comparable a la resistencia aerodinámica de moverse a 0,6 m/s (2,16 km/h) al nivel del mar en la Tierra, aproximadamente la cantidad experimentada al caminar lentamente. [3]
En lo que respecta a la navegación 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 aroma para inferir estadísticamente la trayectoria de la nave espacial independientemente de los datos de medición basados 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 aroma para determinar la órbita de un objeto espacial antropogénico sobre otro planeta. [4] Este método, que podría usarse para automatizar la navegación con frenado aerodinámico, se llama Mediciones Inerciales para Navegación Aeroasistida (IMAN) [5] y Jah ganó un Premio de la Ley Espacial de la NASA por este trabajo.
Muchas naves espaciales utilizan paneles solares para alimentar sus operaciones. Los paneles se pueden utilizar para refinar el frenado aerodinámico y reducir la cantidad de órbitas necesarias. Los paneles giran según un algoritmo impulsado por IA para aumentar o 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 inyección orbital inicial. En su lugar, la nave espacial se sumerge profundamente en la atmósfera sin una inyección de inserción inicial y emerge de este único paso en la atmósfera con un apoápside cercano al de la órbita deseada. Luego se utilizan varias pequeñas inyecciones de corrección para elevar el periápside y realizar los ajustes finales. [7]
Este método fue planeado originalmente para el orbitador Mars Odyssey , [8] pero los importantes impactos de diseño resultaron demasiado costosos. [7]
Otra técnica relacionada es la de asistencia aerogravitatoria , en la que la nave espacial vuela a través de la atmósfera superior y utiliza la sustentación aerodinámica en lugar de la resistencia en el punto de aproximación más cercano. Si se orienta correctamente, esto puede aumentar el ángulo de deflexión por encima del de una asistencia gravitatoria pura , lo que da como resultado un delta-v mayor . [9]
Aunque la teoría del aerofrenado está bien desarrollada, su uso es difícil porque se necesita un conocimiento muy detallado de las características de la atmósfera del planeta objetivo para planificar la maniobra correctamente. Actualmente, la desaceleración se monitorea durante cada maniobra y los planes se modifican en consecuencia. Dado que ninguna nave espacial puede aún aerofrenar de manera segura por sí sola, esto requiere una atención constante tanto de los controladores humanos como de la Red de Espacio Profundo . Esto es particularmente cierto cerca del final del proceso, cuando las pasadas de arrastre están relativamente juntas (solo con unas 2 horas de diferencia en el caso de Marte). [ cita requerida ] La NASA ha utilizado el aerofrenado cuatro veces para modificar la órbita de una nave espacial a una con menor energía, una altitud de apoapsis reducida y una órbita más pequeña. [10]
El 19 de marzo de 1991, la sonda espacial Hiten demostró el frenado aerodinámico . Esta fue la primera maniobra de frenado aerodinámico realizada por una sonda espacial. [11] Hiten (también conocida como MUSES-A) fue lanzada por el Instituto de Ciencia Espacial y Astronáutica (ISAS) de Japón. [12] Hiten voló 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] Otra maniobra de frenado aerodinámico se llevó a cabo el 30 de marzo.
En mayo de 1993, se utilizó el frenado aerodinámico durante la misión venusiana extendida 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 gravitatorio . El campo gravitatorio completo se cartografió a partir de la órbita circular durante un ciclo de 243 días de la misión extendida. Durante la fase de terminación de la misión, se realizó un "experimento de molino de viento": la presión molecular atmosférica ejerce un par a través de las alas de la célula solar orientadas como una vela de molino de viento, 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 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 el apoapsis de su órbita a lo largo de muchos meses. Desafortunadamente, un fallo estructural poco después del lanzamiento dañó gravemente uno de los paneles solares del MGS y requirió una altitud de aerofrenado mayor (y, por lo tanto, un tercio de la fuerza) de la prevista originalmente, lo que extendió significativamente el tiempo necesario para alcanzar la órbita deseada. Más recientemente, el aerofrenado fue utilizado por las naves espaciales Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter , en ambos casos sin incidentes.
En 2014, se realizó con éxito un experimento de frenado aerodinámico a modo de prueba cerca del final de la misión de la sonda Venus Express de la ESA . [16] [17]
Entre 2017 y 2018, el orbitador de gases traza ExoMars de la ESA realizó un frenado aerodinámico en Marte para reducir el apocentro de la órbita, siendo el primer frenado aerodinámico operativo para una misión europea. [18]
Mars Orbiter Mission 2 es una futura misión de ISRO , que propone utilizar aerofrenado para reducir su apoapsis . [19]
En la novela Space Cadet de Robert A. Heinlein de 1948 , el aerofrenado se utiliza para ahorrar combustible mientras se reduce la velocidad de la nave espacial Aes Triplex para una misión extendida no planificada y un aterrizaje en Venus, durante un tránsito desde el Cinturón de Asteroides a la Tierra. [20]
La nave espacial Cosmonauta Alexei Leonov en la novela 2010: Odisea Dos de Arthur C. Clarke de 1982 y su adaptación cinematográfica de 1984 utiliza el frenado aerodinámico en las capas superiores de la atmósfera de Júpiter para establecerse en el punto lagrangiano L 1 del sistema Júpiter- Ío .
En la serie de televisión de 2004 Odisea del espacio: Viaje a los planetas , la tripulación de la nave espacial internacional Pegasus realiza una maniobra de frenado aerodinámico en la atmósfera superior de Júpiter para reducir la velocidad 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 usar el aerofrenado para cambiar de rumbo. El episodio de 2009 termina en un final inesperado con la Destiny dirigiéndose directamente hacia una estrella.
En el juego de simulación espacial Kerbal Space Program , este es un método común para reducir la velocidad orbital de una nave . A veces se lo denomina con humor " frenado aerodinámico ", porque la alta resistencia a veces hace que las naves grandes se partan en varias partes.
En la trilogía de 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, en un esfuerzo por espesar la atmósfera, los científicos ponen un asteroide en aerofrenado para vaporizarlo y liberar su contenido a la atmósfera.
En la película Interstellar de 2014 , el piloto astronauta Cooper utiliza el frenado aerodinámico para ahorrar combustible y reducir la velocidad de 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 aeronaves para ayudar a los frenos de las ruedas a detener el avión. A menudo se utiliza para aterrizajes en pistas cortas o cuando las condiciones son húmedas, heladas o resbaladizas. El frenado aerodinámico se realiza inmediatamente después de que las ruedas traseras (montajes principales) toquen el suelo, pero antes de que baje la rueda de morro. El piloto comienza a tirar de la palanca hacia atrás, aplicando presión en el elevador para mantener el morro alto. La actitud de morro alto expone más superficie de la aeronave al flujo de aire, lo que produce mayor resistencia , lo que ayuda a frenar el avión. Los elevadores elevados también hacen que el aire empuje hacia abajo la parte trasera de la aeronave, lo que obliga a las ruedas traseras a apretar más contra el suelo, lo que ayuda a los frenos de las ruedas al ayudar a evitar derrapes. El piloto generalmente continuará presionando la palanca incluso después de que los elevadores pierdan su autoridad y la rueda de morro baje, para mantener una presión adicional en las ruedas traseras.
El frenado aerodinámico es una técnica de frenado habitual durante el aterrizaje, que también puede ayudar a proteger los frenos de las ruedas y los neumáticos del desgaste excesivo o de que se bloqueen y hagan que la aeronave se deslice sin control. Lo utilizan a menudo los pilotos privados, los aviones comerciales y los aviones de combate, y lo utilizaron los transbordadores espaciales durante los aterrizajes. [21] [22] [23]
