En astrodinámica , el mantenimiento de una posición orbital consiste en mantener una nave espacial a una distancia fija de otra nave espacial o cuerpo celeste. Requiere una serie de maniobras orbitales realizadas con el encendido de los propulsores para mantener la nave activa en la misma órbita que su objetivo. Para muchos satélites de órbita terrestre baja , es necesario contrarrestar los efectos de las fuerzas no keplerianas , es decir, las desviaciones de la fuerza gravitacional de la Tierra con respecto a la de una esfera homogénea , las fuerzas gravitacionales del Sol/Luna, la presión de la radiación solar y la resistencia del aire .
La desviación del campo gravitatorio de la Tierra respecto del de una esfera homogénea y las fuerzas gravitacionales del Sol y la Luna perturbarán en general el plano orbital. Para una órbita sincrónica con el Sol , la precesión del plano orbital causada por el achatamiento de la Tierra es una característica deseable que forma parte del diseño de la misión, pero el cambio de inclinación causado por las fuerzas gravitacionales del Sol y la Luna no es deseable. En el caso de las naves geoestacionarias , el cambio de inclinación provocado por las fuerzas gravitacionales del Sol y la Luna debe contrarrestarse con un gasto bastante grande de combustible, ya que la inclinación debe mantenerse lo suficientemente pequeña como para que la nave pueda ser seguida por antenas no orientables.
En el caso de las naves espaciales en órbita baja, los efectos de la resistencia atmosférica a menudo deben compensarse, a menudo para evitar el reingreso; para misiones que requieren que la órbita esté sincronizada con precisión con la rotación de la Tierra, esto es necesario para evitar un acortamiento del período orbital.
La presión de la radiación solar en general perturbará la excentricidad (es decir, el vector de excentricidad); véase Análisis de perturbaciones orbitales (naves espaciales) . En algunas misiones, esto debe contrarrestarse activamente con maniobras. Para las naves espaciales geoestacionarias , la excentricidad debe mantenerse lo suficientemente pequeña como para poder seguir una nave espacial con una antena no orientable. Además, en el caso de los vehículos espaciales de observación de la Tierra para los que es deseable una órbita muy repetitiva con una trayectoria terrestre fija , el vector de excentricidad debería mantenerse lo más fijo posible. Una gran parte de esta compensación se puede lograr mediante el uso de un diseño de órbita congelada , pero a menudo se necesitan propulsores para maniobras de control precisas.
Para las naves espaciales en una órbita de halo alrededor de un punto de Lagrange , el mantenimiento de la posición es aún más fundamental, ya que dicha órbita es inestable; sin un control activo con encendido de propulsores, la más mínima desviación en posición o velocidad daría como resultado que la nave espacial abandonara la órbita por completo. [1]
Para las naves espaciales en una órbita muy baja, la resistencia atmosférica es lo suficientemente fuerte como para provocar un reingreso antes del final previsto de la misión si no se ejecutan maniobras de elevación de la órbita de vez en cuando.
Un ejemplo de esto es la Estación Espacial Internacional (ISS), que tiene una altitud operativa sobre la superficie de la Tierra de entre 400 y 430 km (250-270 millas). Debido a la resistencia atmosférica, la estación espacial pierde constantemente energía orbital. Para compensar esta pérdida, que en última instancia conduciría a un reingreso a la estación, es necesario volver a impulsarla a una órbita más alta de vez en cuando. La altitud orbital elegida es un equilibrio entre el empuje promedio necesario para contrarrestar la resistencia del aire y el impulso necesario para enviar cargas útiles y personas a la estación.
GOCE , que orbitaba a 255 km (posteriormente reducida a 235 km), utilizaba propulsores de iones para proporcionar hasta 20 mN de empuje para compensar la resistencia en su área frontal de aproximadamente 1 m 2 . [2]
Para las naves espaciales de observación de la Tierra que normalmente funcionan a una altitud sobre la superficie de la Tierra de unos 700 a 800 km, la resistencia del aire es muy débil y un reingreso debido a la resistencia del aire no es motivo de preocupación. Pero si el período orbital debe ser sincrónico con la rotación de la Tierra para mantener una trayectoria terrestre fija , la débil resistencia del aire a esta gran altitud también debe contrarrestarse mediante maniobras de elevación de la órbita en forma de propulsores tangenciales a la órbita. Estas maniobras serán muy pequeñas, normalmente del orden de unos pocos mm/s de delta-v . Si se utiliza un diseño de órbita congelada, estas maniobras de elevación de órbita muy pequeñas son suficientes para controlar también el vector de excentricidad.
Para mantener una trayectoria terrestre fija también es necesario realizar maniobras fuera del plano para compensar el cambio de inclinación causado por la gravitación Sol/Luna. Estos se ejecutan cuando el propulsor se quema ortogonalmente al plano orbital. Para las naves espaciales heliosincrónicas que tienen una geometría constante con respecto al Sol, el cambio de inclinación debido a la gravitación solar es particularmente grande; Puede ser necesario un delta-v del orden de 1 a 2 m/s por año para mantener constante la inclinación.
Para las naves espaciales geoestacionarias, los propulsores deben ejecutarse encendidos ortogonales al plano orbital para compensar el efecto de la gravitación lunar/solar que perturba el polo de la órbita típicamente 0,85 grados por año. [3] El delta-v necesario para compensar esta perturbación manteniendo la inclinación hacia el plano ecuatorial asciende al orden de 45 m/s por año. Esta parte del mantenimiento de la posición GEO se denomina control Norte-Sur. [4]
El control Este-Oeste es el control del período orbital y del vector de excentricidad realizado haciendo que el propulsor queme tangencialmente a la órbita. Luego, estas quemaduras se diseñan para mantener el período orbital perfectamente sincrónico con la rotación de la Tierra y para mantener la excentricidad lo suficientemente pequeña. La perturbación del período orbital resulta de la simetría rotacional imperfecta de la Tierra con respecto al eje Norte/Sur, a veces llamada elipticidad del ecuador terrestre. La excentricidad (es decir, el vector de excentricidad) se ve perturbada por la presión de la radiación solar . El combustible necesario para este control Este-Oeste es mucho menor que el que se necesita para el control Norte-Sur.
Para prolongar la vida útil de las naves espaciales geoestacionarias con poco combustible, a veces se interrumpe el control Norte-Sur y se continúa con el control Este-Oeste. Como lo verá un observador en la Tierra en rotación, la nave espacial se moverá de norte a sur en un período de 24 horas. Cuando este movimiento Norte-Sur se vuelve demasiado grande, se necesita una antena orientable para rastrear la nave espacial. Un ejemplo de esto [ ¿cuándo? ] es Artemisa . [ cita necesaria ]
Para ahorrar peso, es fundamental que los satélites GEO tengan el sistema de propulsión más eficiente en combustible . Por lo tanto, casi todos los satélites modernos emplean un sistema de impulso altamente específico , como propulsores de plasma o iones .
Las órbitas de las naves espaciales también son posibles alrededor de los puntos de Lagrange , también conocidos como puntos de libración, cinco puntos de equilibrio que existen en relación con dos cuerpos más grandes del sistema solar. Por ejemplo, hay cinco de estos puntos en el sistema Sol-Tierra, cinco en el sistema Tierra-Luna, y así sucesivamente. Las naves espaciales pueden orbitar alrededor de estos puntos con un mínimo de propulsor necesario para mantenerse en posición. Dos órbitas que se han utilizado para tales fines incluyen las órbitas de halo y Lissajous . [5]
Un punto importante de Lagrange es Tierra-Sol L 1 , y tres misiones heliofísicas han estado orbitando L1 desde aproximadamente el año 2000. El uso de propulsores para el mantenimiento de la estación puede ser bastante bajo, lo que facilita misiones que potencialmente pueden durar décadas si otros sistemas de naves espaciales permanecen operativos. Las tres naves espaciales (Advanced Composition Explorer (ACE), Solar Heliospheric Observatory (SOHO) y el satélite Global Geoscience WIND ) tienen necesidades anuales de propulsor para mantenerse en posición de aproximadamente 1 m/s o menos. [5] Tierra-Sol L 2 —aproximadamente a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra en dirección anti-sol— es otro punto importante de Lagrange, y el observatorio espacial Herschel de la ESA operó allí en una órbita de Lissajous durante 2009-2013, momento en el que funcionó Sin refrigerante para el telescopio espacial . Se ejecutaron pequeñas maniobras orbitales de mantenimiento de posición aproximadamente mensualmente para mantener la nave espacial en la órbita de mantenimiento de posición. [1]
El telescopio espacial James Webb utilizará propulsor para mantener su órbita de halo alrededor de la Tierra-Sol L2, lo que proporciona un límite superior a su vida útil diseñada: está siendo diseñado para transportar suficiente para diez años. [6] Sin embargo, a la precisión de la trayectoria posterior al lanzamiento de un Ariane 5 se le atribuye la posibilidad de duplicar la vida útil del telescopio al dejar a bordo más propulsor de hidracina de lo esperado. [7] [8]
El orbitador CAPSTONE y el Lunar Gateway planificado estarán estacionados a lo largo de una órbita de halo casi rectilínea (NRHO) alrededor del punto de Lagrange L2 Tierra-Luna. [9] [10] [11]
Tres misiones heliofísicas – el Explorador de Composición Avanzada (ACE), el Observatorio Heliosférico Solar (SOHO) y la Geociencia Global WIND – han estado orbitando el punto de libración interior L1 Sol-Tierra continuamente desde 1997, 1996 y 2004... El intervalo típico entre quemaduras para este trío es de aproximadamente tres meses, y el delta-V típico es mucho menor que 0,5 m/seg. Los costos anuales típicos de mantenimiento de posición han sido de alrededor de 1,0 m/s para ACE y WIND, y mucho menos que para SOHO. A las tres naves espaciales les queda suficiente combustible; salvo contingencias, los tres podrían, en principio, mantenerse en L1 durante las próximas décadas.