Un ciclador marciano (o ciclador Tierra-Marte ) es un tipo de trayectoria de nave espacial que se encuentra con la Tierra y Marte regularmente. El término también puede referirse a una nave espacial en una trayectoria de ciclador marciano. El ciclador Aldrin es un ejemplo de ciclador marciano.
Los cicladores son potencialmente útiles para transportar personas o materiales entre esos cuerpos usando un mínimo de propulsor (dependiendo de los vuelos asistidos por gravedad para la mayoría de los cambios de trayectoria) y pueden llevar un fuerte blindaje contra la radiación para proteger a las personas en tránsito de los rayos cósmicos y las tormentas solares .
Un ciclador es una trayectoria que se encuentra con dos o más cuerpos de forma regular. Una vez que se establece la órbita, no se requiere propulsión para desplazarse entre los dos, aunque pueden ser necesarias algunas correcciones menores debido a pequeñas perturbaciones en la órbita. El uso de cicladores fue considerado en 1969 por Walter M. Hollister, quien examinó el caso de un ciclador Tierra-Venus. [1] Hollister no tenía ninguna misión en particular en mente, pero postuló su uso tanto para la comunicación regular entre dos planetas como para misiones de sobrevuelo de múltiples planetas. [2]
Un año marciano equivale a 1,8808 años terrestres, por lo que Marte realiza ocho órbitas alrededor del Sol en aproximadamente el mismo tiempo que la Tierra realiza 15. Las trayectorias de los cicladores entre la Tierra y Marte ocurren en múltiplos enteros del período sinódico entre los dos planetas, que es de aproximadamente 2,135 años terrestres. [3] En 1985, Buzz Aldrin presentó una extensión de su trabajo anterior sobre el ciclador lunar que identificó un ciclador de Marte correspondiente a un solo período sinódico. [4] El ciclador de Aldrin (como se lo conoce ahora) realiza un solo bucle excéntrico alrededor del Sol. Viaja de la Tierra a Marte en 146 días (4,8 meses), pasa los siguientes 16 meses más allá de la órbita de Marte y tarda otros 146 días en ir desde la órbita de Marte de regreso al primer cruce de la órbita de la Tierra. [5]
La existencia del ahora homónimo ciclador Aldrin fue calculada y confirmada por científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro más tarde ese año, junto con los cicladores VISIT-1 y VISIT-2 propuestos por John Niehoff en 1985. [6] [7] Para cada ciclador Tierra-Marte que no sea un múltiplo de siete períodos sinódicos, un ciclador de salida intersecta Marte en el camino de salida de la Tierra mientras que un ciclador de entrada intersecta Marte en el camino de entrada a la Tierra. La única diferencia en estas trayectorias es la fecha en el período sinódico en el que se lanza el vehículo desde la Tierra. Los cicladores Tierra-Marte con un múltiplo de siete períodos sinódicos regresan a la Tierra en casi el mismo punto en su órbita y pueden encontrarse con la Tierra y/o Marte varias veces durante cada ciclo. VISIT-1 se encuentra con la Tierra tres veces y Marte cuatro veces en 15 años. VISIT-2 se encuentra con la Tierra cinco veces y Marte dos veces en 15 años. [5] Algunos posibles cicladores Tierra-Marte incluyen los siguientes: [5]
Ryan Russell y Cesar Ocampo, de la Universidad de Texas en Austin ( Texas) , realizaron un estudio detallado de las trayectorias de los cicladores Tierra-Marte. Identificaron 24 cicladores Tierra-Marte con períodos de dos a cuatro períodos sinódicos y 92 cicladores con períodos de cinco o seis períodos sinódicos. También encontraron cientos de cicladores no balísticos, que requerirían algunas maniobras con motor. [8]
La Tierra orbita alrededor del Sol en un año terrestre, Marte en 1,881. Ninguna órbita es perfectamente circular; la Tierra tiene una excentricidad orbital de 0,0168 y la de Marte de 0,0934. Las dos órbitas tampoco son del todo coplanares, ya que la órbita de Marte está inclinada 1,85 grados con respecto a la de la Tierra. El efecto de la gravedad de Marte en las órbitas de los cicladores es casi insignificante, pero es necesario tener en cuenta el de la Tierra, mucho más masiva. Si ignoramos estos factores y aproximamos el período orbital de Marte a 1,875 años terrestres, entonces 15 años terrestres son 8 años marcianos. En el diagrama anterior, una nave espacial en una órbita de ciclador Aldrin que parte de la Tierra en el punto E1 se encontrará con Marte en M1. Cuando regrese a E1 poco más de dos años terrestres después, la Tierra ya no estará allí, pero se encontrará con la Tierra de nuevo en E2, que es 1 ⁄ 7 de una órbita terrestre, más redonda. [9]
La forma de la órbita del ciclador se puede obtener a partir de la ecuación cónica :
donde es 1 unidad astronómica , es el semieje mayor , es la excentricidad orbital y (la mitad de ). Podemos obtener resolviendo el problema de Lambert con como el ángulo de transferencia inicial y final. Esto da:
Resolviendo la ecuación cuadrática obtenemos:
con un período orbital de 2,02 años. [9]
El ángulo con el que la nave espacial sobrevuela la Tierra, , viene dado por:
Sustituyendo los valores dados y derivados anteriormente se obtiene un valor de . Podemos calcular la asistencia gravitatoria desde la Tierra:
donde es la velocidad de vuelo heliocéntrica. Se puede calcular a partir de:
donde V E es la velocidad de la Tierra, que es 29,8 km/s. Sustituyendo obtenemos V = 34,9 km/s y ΔV = 8,73 km/s. [9]
El exceso de velocidad viene dado por:
Lo que da un valor para V ∞ de 6,54 km/s. El ángulo de giro se puede calcular a partir de:
Lo que da , es decir que tenemos un giro. El radio de aproximación más cercano a la Tierra r p estará dado por:
Donde μ E es la constante gravitacional de la Tierra. Sustituyendo los valores se obtiene r p = 4.640 kilómetros (2.880 millas), lo cual es malo porque el radio de la Tierra es de 6.371 kilómetros (3.959 millas). Por lo tanto, sería necesaria una corrección para evitar cómodamente el planeta. [9]
Aldrin propuso un par de vehículos cicladores de Marte que proporcionaran transporte regular entre la Tierra y Marte. [4] Si bien los astronautas pueden tolerar viajar a la Luna en naves espaciales relativamente estrechas durante unos días, una misión a Marte, que durara varios meses, requeriría alojamientos mucho más habitables para el viaje mucho más largo: los astronautas necesitarían una instalación con amplio espacio habitable, soporte vital y un fuerte blindaje contra la radiación. [6] [10] Un estudio de la NASA de 1999 estimó que una misión a Marte requeriría elevar alrededor de 437 toneladas métricas (482 toneladas cortas) al espacio, de las cuales 250 toneladas métricas (280 toneladas cortas) eran propulsor. [11]
Aldrin propuso que los costos de las misiones a Marte podrían reducirse en gran medida mediante el uso de grandes estaciones espaciales en órbitas cíclicas llamadas castillos . Una vez establecidas en sus órbitas, realizarían viajes regulares entre la Tierra y Marte sin requerir ningún propulsor. Por lo tanto, además de los consumibles, la carga solo tendría que lanzarse una vez. [6] [10] Se utilizarían dos castillos , uno de ida en un ciclador de Aldrin con una transferencia rápida a Marte y un largo viaje de regreso, y uno de entrada con un viaje rápido a la Tierra y un largo regreso a Marte, [3] a los que Aldrin llamó escaleras mecánicas de subida y bajada . [6]
Los astronautas se encontrarían con el ciclador en la órbita terrestre y, más tarde, en la órbita marciana, en naves especializadas llamadas taxis . Un ciclador recorrería una ruta de ida desde la Tierra a Marte en unos cinco meses. Otro ciclador marciano en una trayectoria complementaria viajaría de Marte a la Tierra, también en unos cinco meses. Los taxis y los vehículos de carga [a] se acoplarían al ciclador en un planeta y se separarían al llegar al otro. [11] Por lo tanto, el concepto de ciclador proporcionaría un transporte rutinario, seguro y económico entre la Tierra y Marte. [12]
Un inconveniente importante del concepto de ciclador era que el ciclador de Aldrin sobrevuela ambos planetas a gran velocidad. Un taxi tendría que acelerar a 15.000 millas por hora (6,7 km/s) alrededor de la Tierra y a 22.000 millas por hora (9,8 km/s) cerca de Marte. Para evitar esto, Aldrin propuso lo que llamó un semiciclador , en el que el castillo reduciría su velocidad alrededor de Marte, orbitando alrededor de él, y luego reanudaría la órbita del ciclador . Esto requeriría combustible para ejecutar las maniobras de frenado y reciclaje. [10] [11]
Los castillos podrían ser insertados en órbitas de cicladores con un ahorro considerable de combustible realizando una serie de maniobras de bajo empuje: [12] El castillo sería colocado en una órbita provisional al momento del lanzamiento, y luego se usaría una maniobra de sobrevuelo de la Tierra para impulsarlo a la órbita final del ciclador. [13] Suponiendo el uso de combustibles convencionales, [b] es posible estimar el combustible requerido para establecer una órbita de ciclador. [14] En el caso del ciclador Aldrin, el uso de una asistencia gravitacional reduce el requerimiento de combustible en aproximadamente 24,3 toneladas métricas (26,8 toneladas cortas), o 15 por ciento. Otros cicladores mostraron una mejora menos impresionante, debido a la forma de sus órbitas y cuando se encuentran con la Tierra. En el caso del ciclador VISIT-1, el beneficio sería de alrededor de 0,2 toneladas métricas (0,22 toneladas cortas), menos del uno por ciento, lo que difícilmente justificaría los tres años adicionales requeridos para establecer la órbita. [14]
