Los amarres espaciales son cables largos que se pueden utilizar para propulsión, intercambio de momento, estabilización y control de actitud , o para mantener las posiciones relativas de los componentes de un gran sistema de sensores de satélites/ naves espaciales dispersos. [1] Dependiendo de los objetivos de la misión y la altitud, se cree que los vuelos espaciales que utilizan esta forma de propulsión de naves espaciales son significativamente menos costosos que los vuelos espaciales que utilizan motores de cohetes .
Los satélites de anclaje podrían utilizarse para diversos fines, entre ellos, la investigación sobre propulsión por anclaje , estabilización de mareas y dinámica de plasma orbital. Se están desarrollando cinco técnicas principales para emplear anclajes espaciales: [2] [3]
Las correas electrodinámicas se utilizan principalmente para la propulsión. Se trata de correas conductoras que transportan una corriente que puede generar empuje o resistencia a partir de un campo magnético planetario , de forma muy similar a como lo hace un motor eléctrico .
Pueden ser amarres giratorios o no giratorios que capturan una nave espacial que llega y luego la liberan en un momento posterior en una órbita diferente con una velocidad diferente. Los amarres de intercambio de momento se pueden utilizar para maniobras orbitales o como parte de un sistema de transporte espacial de superficie planetaria a órbita o de órbita a velocidad de escape.
Se trata, por lo general, de una correa no conductora que mantiene con precisión una distancia determinada entre varios vehículos espaciales que vuelan en formación.
Una forma de vela de viento solar con amarres cargados eléctricamente que serán empujados por el impulso de los iones del viento solar .
Un concepto para suspender un objeto de una cuerda que orbita en el espacio.
Se han propuesto muchos usos para los anclajes espaciales, incluido su uso como ascensores espaciales , como ganchos celestiales y para realizar transferencias orbitales sin propulsor.
Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935) propuso una vez construir una torre tan alta que llegara hasta el espacio, de modo que se sostuviera allí gracias a la rotación de la Tierra . Sin embargo, en ese momento no había una manera realista de construirla.
En 1960, otro ruso, Yuri Artsutanov , escribió con más detalle sobre la idea de un cable de tracción que se desplegaría desde un satélite geoestacionario , hacia abajo, en dirección al suelo, y hacia arriba, manteniendo el cable en equilibrio. [4] Esta es la idea del ascensor espacial , un tipo de correa sincrónica que rotaría con la Tierra. Sin embargo, dada la tecnología de los materiales de la época, esto también era poco práctico en la Tierra.
En la década de 1970, Jerome Pearson concibió de forma independiente la idea de un ascensor espacial, a veces denominado anclaje sincrónico, [5] y, en particular, analizó un ascensor lunar que puede pasar por los puntos L1 y L2 , y se encontró que esto era posible con los materiales que existían entonces.
En 1977, Hans Moravec [6] y posteriormente Robert L. Forward investigaron la física de los ganchos celestes no sincrónicos , también conocidos como ganchos celestes rotatorios, y realizaron simulaciones detalladas de amarres giratorios cónicos que podían recoger objetos y colocarlos sobre la Luna , Marte y otros planetas , con poca pérdida, o incluso una ganancia neta de energía. [7] [8]
En 1979, la NASA examinó la viabilidad de la idea y dio orientación al estudio de los sistemas atados, especialmente los satélites atados. [1] [9]
En 1990, Eagle Sarmont propuso un Skyhook orbital no giratorio para un sistema de transporte espacial de velocidad Tierra-órbita / órbita-velocidad de escape en un artículo titulado "Un Skyhook orbital: acceso asequible al espacio". [10] [11] [12] En este concepto, un vehículo de lanzamiento suborbital volaría hasta el extremo inferior de un Skyhook, mientras que las naves espaciales con destino a una órbita más alta, o que regresan de una órbita más alta, utilizarían el extremo superior.
En 2000, la NASA y Boeing consideraron un concepto HASTOL , donde una correa giratoria llevaría cargas útiles desde una aeronave hipersónica (a la mitad de la velocidad orbital) a la órbita . [13]
Un satélite de anclaje es un satélite conectado a otro mediante un anclaje espacial. Se han lanzado varios satélites para probar tecnologías de anclaje, con distintos grados de éxito.
Hay muchos tipos de ataduras diferentes (y superpuestos).
Las ataduras de intercambio de momento son una de las muchas aplicaciones de las ataduras espaciales. Las ataduras de intercambio de momento vienen en dos tipos: giratorias y no giratorias. Una atadura giratoria creará una fuerza controlada en las masas de los extremos del sistema debido a la aceleración centrífuga. Mientras el sistema de atadura gira, los objetos en cada extremo de la atadura experimentarán una aceleración continua; la magnitud de la aceleración depende de la longitud de la atadura y la velocidad de rotación. El intercambio de momento se produce cuando se libera un cuerpo final durante la rotación. La transferencia de momento al objeto liberado hará que la atadura giratoria pierda energía y, por lo tanto, pierda velocidad y altitud. Sin embargo, utilizando el empuje electrodinámico de la atadura , o propulsión iónica, el sistema puede volver a impulsarse con poco o ningún gasto de masa de reacción consumible.
Un gancho celestial es una clase teórica de propulsión con correas en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. [14] [15] [1] [16] [17] Las propuestas de ganchos celestiales incluyen diseños que emplean correas que giran a velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aeronaves de gran altitud y colocarlas en órbita. [18]
Las ataduras electrodinámicas son cables conductores largos, como uno desplegado desde un satélite de atadura, que pueden funcionar según principios electromagnéticos como generadores , al convertir su energía cinética en energía eléctrica , o como motores , convirtiendo la energía eléctrica en energía cinética. [1] El potencial eléctrico se genera a través de una atadura conductora por su movimiento a través del campo magnético de la Tierra. La elección del conductor metálico que se utilizará en una atadura electrodinámica está determinada por una variedad de factores. Los factores primarios suelen incluir alta conductividad eléctrica y baja densidad . Los factores secundarios, según la aplicación, incluyen el costo, la resistencia y el punto de fusión.
En el documental Huérfanos del Apolo se presentó una atadura electrodinámica como tecnología que se utilizaría para mantener en órbita la estación espacial rusa Mir . [19] [20]
Se trata del uso de un cable (normalmente) no conductor para conectar varias naves espaciales. El Experimento con Cable para Operaciones Interplanetarias en Marte (TEMPO³) es un experimento propuesto en 2011 [ se necesita aclaración ] para estudiar la técnica.
Un tipo teórico de sistema de satélite atado no giratorio, es un concepto para proporcionar soporte basado en el espacio a cosas suspendidas sobre un objeto astronómico. [21] El sistema orbital es un sistema de masa acoplada en el que la masa de soporte superior (A) se coloca en una órbita alrededor de un cuerpo celeste dado de modo que pueda soportar una masa suspendida (B) a una altura específica sobre la superficie del cuerpo celeste, pero más baja que (A).
En lugar de girar de un extremo a otro, las correas también pueden mantenerse rectas gracias a la ligera diferencia en la fuerza de la gravedad a lo largo de su longitud.
Un sistema de anclaje no giratorio tiene una orientación estable que está alineada a lo largo de la vertical local (de la Tierra u otro cuerpo). Esto se puede entender mediante la inspección de la figura de la derecha donde dos naves espaciales a dos altitudes diferentes han sido conectadas por un anclaje. Normalmente, cada nave espacial tendría un equilibrio de fuerzas gravitacionales (por ejemplo, F g1 ) y centrífugas (por ejemplo, F c1 ), pero cuando se unen mediante un anclaje, estos valores comienzan a cambiar entre sí. Este fenómeno ocurre porque, sin el anclaje, la masa de mayor altitud viajaría más lento que la masa de menor altitud. El sistema debe moverse a una sola velocidad, por lo que el anclaje debe, por lo tanto, frenar la masa de menor altitud y acelerar la de superior. La fuerza centrífuga del cuerpo superior atado aumenta, mientras que la del cuerpo de menor altitud se reduce. Esto da como resultado que la fuerza centrífuga del cuerpo superior y la fuerza gravitacional del cuerpo inferior sean dominantes. Esta diferencia de fuerzas alinea naturalmente el sistema a lo largo de la vertical local, como se ve en la figura. [1]
Los objetos en órbita baja terrestre están sujetos a una erosión notable por el oxígeno atómico debido a la alta velocidad orbital con la que chocan las moléculas, así como a su alta reactividad. Esto podría erosionar rápidamente un anclaje. [22]
Los cables de una sola hebra son susceptibles a los micrometeoroides y a la basura espacial . Desde entonces se han propuesto y probado varios sistemas para mejorar la resistencia a los desechos:
Los grandes trozos de basura seguirían cortando la mayoría de los cables, incluidas las versiones mejoradas que se enumeran aquí, pero actualmente se los rastrea con radar y tienen órbitas predecibles. Aunque se podrían utilizar propulsores para cambiar la órbita del sistema, también se podría mover temporalmente un cable en el lugar correcto, utilizando menos energía, para esquivar los trozos de basura conocidos. [ cita requerida ]
La radiación, incluida la radiación ultravioleta, tiende a degradar los materiales de las ataduras y a reducir su vida útil. Las ataduras que atraviesan repetidamente los cinturones de Van Allen pueden tener una vida útil notablemente inferior a la de aquellas que permanecen en la órbita baja terrestre o se mantienen fuera de la magnetosfera de la Tierra.
Las propiedades y los materiales de los anclajes dependen de la aplicación. Sin embargo, existen algunas propiedades comunes. Para lograr el máximo rendimiento y un bajo costo, los anclajes deben estar hechos de materiales que combinen alta resistencia o conductividad eléctrica y baja densidad. Todos los anclajes espaciales son susceptibles a los desechos espaciales o micrometeoroides. Por lo tanto, los diseñadores de sistemas deberán decidir si se necesita o no un revestimiento protector, incluso en relación con los rayos UV y el oxígeno atómico .
Para aplicaciones que ejercen altas fuerzas de tracción sobre la correa, los materiales deben ser fuertes y ligeros. Algunos diseños de correas actuales utilizan plásticos cristalinos como polietileno de peso molecular ultra alto , aramida o fibra de carbono . Un posible material futuro serían los nanotubos de carbono , que tienen una resistencia a la tracción estimada entre 140 y 177 GPa (20,3 y 25,7 millones de psi; 1,38 y 1,75 millones de atm), y una resistencia a la tracción probada en el rango de 50-60 GPa (7,3-8,7 millones de psi; 490.000-590.000 atm) para algunos nanotubos individuales. ( Varios otros materiales alcanzan de 10 a 20 GPa (1,5 a 2,9 millones de psi; 99.000 a 197.000 atm) en algunas muestras en la escala nanométrica, pero traducir tales resistencias a la escala macro ha sido un desafío hasta ahora, y a partir de 2011, las cuerdas basadas en CNT son un orden de magnitud menos fuertes, pero aún no más fuertes que la fibra de carbono más convencional en esa escala). [26] [27] [28]
Para algunas aplicaciones, se prevé que la fuerza de tracción sobre la correa sea inferior a 65 newtons (15 lbf). [29] La selección del material en este caso depende del propósito de la misión y de las limitaciones de diseño. Las correas electrodinámicas, como la utilizada en el TSS-1R, [ aclaración necesaria ] pueden utilizar cables de cobre delgados para lograr una alta conductividad (véase EDT ).
Existen ecuaciones de diseño para ciertas aplicaciones que pueden usarse para ayudar a los diseñadores a identificar cantidades típicas que impulsan la selección de materiales.
Las ecuaciones del ascensor espacial normalmente utilizan una "longitud característica", L c , que también se conoce como su "longitud de autosoporte" y es la longitud del cable sin ahusar que puede soportar en un campo de gravedad constante de 1 g .
donde σ es el límite de tensión (en unidades de presión) y ρ es la densidad del material.
Las ecuaciones del aro hipersónico utilizan la "velocidad específica" del material, que es igual a la velocidad tangencial máxima que un aro giratorio puede alcanzar sin romperse:
Para los cables giratorios (rotovators), el valor utilizado es la "velocidad característica" del material, que es la velocidad máxima en la punta que un cable giratorio no cónico puede alcanzar sin romperse.
La velocidad característica es igual a la velocidad específica multiplicada por la raíz cuadrada de dos.
Estos valores se utilizan en ecuaciones similares a la ecuación del cohete y son análogos a la velocidad específica de impulso o de escape. Cuanto más altos sean estos valores, más eficiente y ligero puede ser el sistema de propulsión en relación con las cargas útiles que puede transportar. Sin embargo, con el tiempo la masa del sistema de propulsión del sistema de propulsión se verá limitada en el extremo inferior por otros factores, como el almacenamiento de momento.
Los materiales propuestos incluyen Kevlar , polietileno de peso molecular ultra alto , [ cita requerida ] nanotubos de carbono y fibra M5 . M5 es una fibra sintética que es más ligera que Kevlar o Spectra. [30] Según Pearson, Levin, Oldson y Wykes en su artículo "The Lunar Space Elevator", una cinta M5 de 30 mm (1,2 pulgadas) de ancho y 0,023 mm (0,91 milésimas de pulgada) de espesor, podría soportar 2000 kg (4400 lb) en la superficie lunar . También podría albergar 100 vehículos de carga, cada uno con una masa de 580 kg (1280 lb), espaciados uniformemente a lo largo del elevador. [5] Otros materiales que podrían usarse son fibra de carbono T1000G, Spectra 2000 o Zylon. [31]
En el caso de los cables estabilizados por gravedad, para superar la longitud de autosuficiencia, el material del cable se puede ahusar de modo que el área de la sección transversal varíe con la carga total en cada punto a lo largo de la longitud del cable. En la práctica, esto significa que la estructura central del cable debe ser más gruesa que las puntas. Un ahusamiento correcto garantiza que la tensión de tracción en cada punto del cable sea exactamente la misma. Para aplicaciones muy exigentes, como un ascensor espacial terrestre, el ahusamiento puede reducir las proporciones excesivas entre el peso del cable y el peso de la carga útil. En lugar de ahusar, se puede utilizar un sistema de cables modular por etapas para lograr el mismo objetivo. Se utilizarían múltiples cables entre las etapas. La cantidad de cables determinaría la resistencia de cualquier sección transversal dada. [32]
En el caso de correas giratorias que no se ven afectadas significativamente por la gravedad, el espesor también varía, y se puede demostrar que el área, A, se da como una función de r (la distancia desde el centro) de la siguiente manera: [33]
donde R es el radio de la correa, v es la velocidad con respecto al centro, M es la masa de la punta, es la densidad del material y T es la resistencia a la tracción de diseño.
Integrando el área para obtener el volumen y multiplicándola por la densidad y dividiendo por la masa de la carga útil se obtiene una relación entre la masa de la carga útil y la masa de la correa de: [33]
donde erf es la función de error de probabilidad normal .
Dejar ,
entonces: [34]
Esta ecuación se puede comparar con la ecuación del cohete , que es proporcional a un exponente simple de la velocidad, en lugar de a la velocidad al cuadrado. Esta diferencia limita de manera efectiva el delta-v que se puede obtener a partir de una sola atadura.
Además, la forma del cable debe ser capaz de soportar micrometeoritos y basura espacial . Esto se puede lograr con el uso de cables redundantes, como el Hoytether ; la redundancia puede garantizar que sea muy improbable que varios cables redundantes se dañen cerca del mismo punto del cable y, por lo tanto, puede producirse una gran cantidad de daños totales en diferentes partes del cable antes de que se produzca una falla.
Los rotavators y los rotavators están limitados actualmente por la resistencia de los materiales disponibles. Aunque las fibras plásticas de resistencia ultra alta ( Kevlar y Spectra ) permiten a los rotavators extraer masas de la superficie de la Luna y Marte, un rotavator hecho de estos materiales no puede elevarse desde la superficie de la Tierra. En teoría, una aeronave supersónica (o hipersónica ) que vuele a gran altura podría entregar una carga útil a un rotavator que se sumergiera brevemente en la atmósfera superior de la Tierra en lugares predecibles a lo largo de la zona tropical (y templada) de la Tierra. A partir de mayo de 2013, todos los amarres mecánicos (orbitales y elevadores) están en espera hasta que se disponga de materiales más resistentes. [35]
La captura de carga por parte de los rotocultivadores no es algo trivial, y la falta de captura puede causar problemas. Se han propuesto varios sistemas, como el lanzamiento de redes a la carga, pero todos ellos añaden peso, complejidad y otro modo de fallo. Sin embargo, se ha logrado al menos una demostración a escala de laboratorio de un sistema de pinzas en funcionamiento. [36]
En la actualidad, los materiales más resistentes a la tensión son los plásticos, que requieren un revestimiento para protegerlos de la radiación ultravioleta y (según la órbita) de la erosión por el oxígeno atómico. La eliminación del calor residual es difícil en el vacío , por lo que el sobrecalentamiento puede provocar fallas o daños en los cables.
Las ataduras electrodinámicas desplegadas a lo largo de la vertical local ('ataduras colgantes') pueden sufrir inestabilidad dinámica. El movimiento pendular hace que la amplitud de vibración de la atadura aumente bajo la acción de la interacción electromagnética. A medida que aumenta el tiempo de la misión, este comportamiento puede comprometer el rendimiento del sistema. En unas pocas semanas, las ataduras electrodinámicas en órbita terrestre pueden acumular vibraciones de muchos modos, a medida que su órbita interactúa con irregularidades en los campos magnéticos y gravitacionales.
Un plan para controlar las vibraciones es variar activamente la corriente de la atadura para contrarrestar el crecimiento de las vibraciones. Las ataduras electrodinámicas se pueden estabilizar reduciendo su corriente cuando alimenta las oscilaciones y aumentándola cuando se opone a las oscilaciones. Las simulaciones han demostrado que esto puede controlar la vibración de la atadura. [ cita requerida ] Este enfoque requiere sensores para medir las vibraciones de la atadura, que pueden ser un sistema de navegación inercial en un extremo de la atadura, o sistemas de navegación por satélite montados en la atadura, que transmiten sus posiciones a un receptor en el extremo.
Otro método propuesto es utilizar correas electrodinámicas giratorias en lugar de correas colgantes. El efecto giroscópico proporciona una estabilización pasiva, evitando la inestabilidad.
Como se mencionó anteriormente, las ataduras conductoras han fallado debido a picos de corriente inesperados. Descargas electrostáticas inesperadas han cortado las ataduras (por ejemplo, consulte el Tethered Satellite System Reflight (TSS-1R) en STS-75 ), han dañado los componentes electrónicos y han soldado la maquinaria de manipulación de las ataduras. Es posible que el campo magnético de la Tierra no sea tan homogéneo como algunos ingenieros han creído.
Los modelos de computadora muestran con frecuencia que las correas pueden romperse debido a la vibración.
Los equipos mecánicos para el manejo de correas suelen ser sorprendentemente pesados y cuentan con controles complejos para amortiguar las vibraciones. El escalador de una tonelada propuesto por Brad Edwards para su Ascensor Espacial puede detectar y suprimir la mayoría de las vibraciones modificando la velocidad y la dirección. El escalador también puede reparar o aumentar una correa haciendo girar más hebras.
Los modos de vibración que pueden ser un problema incluyen la cuerda para saltar, el transversal, el longitudinal y el péndulo. [37]
Las correas casi siempre son cónicas, y esto puede amplificar enormemente el movimiento en la punta más delgada, como si fuera un látigo.
Una atadura no es un objeto esférico y tiene una extensión significativa. Esto significa que, como objeto extendido, no es directamente modelable como una fuente puntual, y esto significa que el centro de masa y el centro de gravedad no suelen estar ubicados en el mismo lugar. Por lo tanto, la ley del cuadrado inverso no se aplica, excepto a grandes distancias, al comportamiento general de una atadura. Por lo tanto, las órbitas no son completamente keplerianas y, en algunos casos, son realmente caóticas. [38]
En los diseños de bolo , la rotación del cable que interactúa con los campos de gravedad no lineales que se encuentran en las órbitas elípticas puede provocar un intercambio de momento angular orbital y momento angular de rotación, lo que puede hacer que la predicción y el modelado sean extremadamente complejos.
