En los vuelos espaciales , una maniobra orbital (también conocida como quemado ) es el uso de sistemas de propulsión para cambiar la órbita de una nave espacial . Para las naves espaciales alejadas de la Tierra (por ejemplo, aquellas en órbitas alrededor del Sol), una maniobra orbital se denomina maniobra de espacio profundo (DSM) . [1]
Cuando una nave espacial no está realizando una maniobra, especialmente en una órbita de transferencia , se dice que está en inercia .
La ecuación del cohete Tsiolkovsky, o ecuación del cohete ideal, puede resultar útil para el análisis de maniobras de vehículos que utilizan propulsión de cohetes . [2] Un cohete se aplica aceleración a sí mismo (un empuje ) expulsando parte de su masa a gran velocidad. El propio cohete se mueve debido a la conservación del impulso .
El cambio aplicado en la velocidad de cada maniobra se conoce como delta-v ( ).
Los delta-v para todas las maniobras esperadas que se estiman para una misión se resumen en un presupuesto delta-v . Con una buena aproximación del presupuesto delta-v, los diseñadores pueden estimar el propulsor necesario para las maniobras planificadas.
Una maniobra impulsiva es el modelo matemático de una maniobra como un cambio instantáneo en la velocidad de la nave espacial (magnitud y/o dirección) como se ilustra en la figura 1. Es el caso límite de una quemadura para generar una cantidad particular de delta-v, como el tiempo de combustión tiende a cero.
En el mundo físico no es posible ningún cambio verdaderamente instantáneo en la velocidad, ya que esto requeriría una "fuerza infinita" aplicada durante un "tiempo infinitamente corto", pero como modelo matemático, en la mayoría de los casos describe muy bien el efecto de una maniobra en la órbita.
La desviación del vector de velocidad después del final de la combustión real del vector de velocidad al mismo tiempo resultante de la maniobra impulsiva teórica sólo es causada por la diferencia en la fuerza gravitacional a lo largo de los dos caminos (rojo y negro en la figura 1) que En general es pequeño.
En la fase de planificación de las misiones espaciales, los diseñadores primero aproximarán los cambios orbitales previstos mediante maniobras impulsivas que reducen en gran medida la complejidad de encontrar las transiciones orbitales correctas.
Aplicar un empuje bajo durante un período de tiempo más largo se conoce como maniobra no impulsiva . "No impulsivo" se refiere al impulso que cambia lentamente durante un largo tiempo, como en la propulsión de una nave espacial propulsada eléctricamente , en lugar de mediante un impulso corto.
Otro término es quemado finito , donde la palabra "finito" se usa para significar "distinto de cero", o prácticamente, nuevamente: durante un período más largo.
Para algunas misiones espaciales, como aquellas que incluyen un encuentro espacial , se requieren modelos de trayectorias de alta fidelidad para cumplir los objetivos de la misión. Calcular una combustión "finita" requiere un modelo detallado de la nave espacial y sus propulsores. Los detalles más importantes incluyen: masa , centro de masa , momento de inercia , posiciones de los propulsores, vectores de empuje, curvas de empuje, impulso específico , compensaciones del centroide de empuje y consumo de combustible.
En astronáutica , el efecto Oberth es donde el uso de un motor de cohete cuando se viaja a alta velocidad genera mucha más energía útil que uno a baja velocidad. El efecto Oberth se produce porque el propulsor tiene más energía utilizable (debido a su energía cinética además de su energía potencial química) y resulta que el vehículo es capaz de emplear esta energía cinética para generar más potencia mecánica. Lleva el nombre de Hermann Oberth , el físico alemán nacido en Austro-Húngaro y fundador de la cohetería moderna , quien aparentemente fue el primero en describir el efecto. [3]
El efecto Oberth se utiliza en un sobrevuelo motorizado o en una maniobra de Oberth donde la aplicación de un impulso, generalmente proveniente del uso de un motor de cohete, cerca de un cuerpo gravitacional (donde el potencial de gravedad es bajo y la velocidad es alta) puede dar mucho más cambio en la energía cinética y la velocidad final (es decir, mayor energía específica ) que el mismo impulso aplicado más lejos del cuerpo para la misma órbita inicial.
Dado que la maniobra de Oberth ocurre en un tiempo muy limitado (a baja altitud), para generar un impulso alto el motor necesita necesariamente alcanzar un empuje alto (el impulso es, por definición, el tiempo multiplicado por el empuje). Por tanto, el efecto Oberth es mucho menos útil para motores de bajo empuje, como los propulsores de iones .
Históricamente, la falta de comprensión de este efecto llevó a los investigadores a concluir que los viajes interplanetarios requerirían cantidades completamente imprácticas de propulsor, ya que sin él se necesitan enormes cantidades de energía. [3]
En astrodinámica, una maniobra de asistencia gravitacional , tirachinas gravitacional o giro es el uso del movimiento relativo y la gravedad de un planeta u otro cuerpo celeste para alterar la trayectoria de una nave espacial, generalmente para ahorrar propulsor, tiempo y gastos. La asistencia gravitatoria se puede utilizar para acelerar , desacelerar y/o redirigir la trayectoria de una nave espacial.
La "asistencia" la proporciona el movimiento ( momento angular orbital ) del cuerpo gravitante mientras tira de la nave espacial. [4] La técnica se propuso por primera vez como una maniobra a mitad de camino en 1961, y fue utilizada por sondas interplanetarias desde Mariner 10 en adelante, incluidos los notables sobrevuelos de Júpiter y Saturno de las dos sondas Voyager .
Las maniobras de inserción orbital dejan una nave espacial en una órbita de destino. Por el contrario, las maniobras de inyección orbital se producen cuando una nave espacial entra en una órbita de transferencia, por ejemplo, inyección translunar (TLI), inyección transmarcianos (TMI) e inyección transterrestre (TEI). Generalmente son más grandes que pequeñas maniobras de corrección de trayectoria. Inserción, inyección y, a veces, iniciación se utilizan para describir la entrada en una órbita de descenso , por ejemplo, la maniobra de iniciación de descenso motorizada utilizada para los aterrizajes lunares del Apolo.
En mecánica orbital , la órbita de transferencia de Hohmann es una órbita elíptica utilizada para realizar transferencias entre dos órbitas circulares de diferente altitud, en un mismo plano .
La maniobra orbital para realizar la transferencia de Hohmann utiliza dos impulsos de motor que mueven una nave espacial dentro y fuera de la órbita de transferencia. Esta maniobra lleva el nombre de Walter Hohmann , el científico alemán que publicó una descripción de la misma en su libro de 1925 Die Erreichbarkeit der Himmelskörper ( La accesibilidad de los cuerpos celestes ). [5] Hohmann fue influenciado en parte por el autor alemán de ciencia ficción Kurd Laßwitz y su libro de 1897 Two Planets . [ cita necesaria ]
En astronáutica e ingeniería aeroespacial , la transferencia bielíptica es una maniobra orbital que mueve una nave espacial de una órbita a otra y puede, en determinadas situaciones, requerir menos delta-v que una maniobra de transferencia de Hohmann .
La transferencia bielíptica consta de dos órbitas semielípticas . Desde la órbita inicial, se aplica un delta-v que impulsa la nave espacial hacia la primera órbita de transferencia con una apoapsis en algún punto alejado del cuerpo central . En este punto, se aplica un segundo delta-v que envía la nave espacial a la segunda órbita elíptica con periapsis en el radio de la órbita final deseada, donde se realiza un tercer delta-v, inyectando la nave espacial en la órbita deseada. [ cita necesaria ]
Si bien requieren un encendido más del motor que una transferencia Hohmann y generalmente requieren un mayor tiempo de viaje, algunas transferencias bielípticas requieren una cantidad menor de delta-v total que una transferencia Hohmann cuando la relación entre el semieje mayor final y el inicial es 11,94. o mayor, dependiendo del semieje mayor intermedio elegido. [6]
La idea de la trayectoria de transferencia bielíptica fue publicada por primera vez por Ary Sternfeld en 1934. [7]
Una transferencia de baja energía , o trayectoria de baja energía , es una ruta en el espacio que permite a las naves espaciales cambiar de órbita utilizando muy poco combustible. [8] [9] Estas rutas funcionan en el sistema Tierra - Luna y también en otros sistemas, como los viajes entre los satélites de Júpiter . El inconveniente de tales trayectorias es que tardan mucho más en completarse que las transferencias de mayor energía (más combustible), como las órbitas de transferencia de Hohmann .
La baja transferencia de energía también se conoce como trayectorias de límites de estabilidad débil o trayectorias de captura balística.
Las transferencias de baja energía siguen rutas especiales en el espacio, a veces denominadas Red de Transporte Interplanetario . Seguir estos caminos permite recorrer largas distancias con poco gasto de delta-v .
El cambio de inclinación orbital es una maniobra orbital destinada a cambiar la inclinación de la órbita de un cuerpo en órbita . Esta maniobra también se conoce como cambio de plano orbital, ya que el plano de la órbita se inclina. Esta maniobra requiere un cambio en el vector de velocidad orbital ( delta v ) en los nodos orbitales (es decir, el punto donde se cruzan las órbitas inicial y deseada, la línea de nodos orbitales está definida por la intersección de los dos planos orbitales).
En general, los cambios de inclinación pueden requerir una gran cantidad de delta-v y la mayoría de los planificadores de misiones intentan evitarlos siempre que sea posible para conservar combustible. Esto normalmente se logra lanzando una nave espacial directamente a la inclinación deseada, o lo más cerca posible de ella para minimizar cualquier cambio de inclinación requerido durante la vida útil de la nave espacial.
La máxima eficiencia del cambio de inclinación se logra en la apoapsis (o apogeo ), donde la velocidad orbital es la más baja. En algunos casos, puede ser necesario menos delta v total para elevar la nave espacial a una órbita más alta, cambiar el plano de la órbita en el apogeo más alto y luego bajar la nave espacial a su altitud original. [10]
Las trayectorias de empuje constante y aceleración constante implican que la nave espacial encienda su motor en un encendido constante prolongado. En el caso límite en el que la aceleración del vehículo es alta en comparación con la aceleración gravitacional local, la nave espacial apunta directamente hacia el objetivo (teniendo en cuenta el movimiento del objetivo) y permanece acelerando constantemente con un alto empuje hasta que alcanza su objetivo. En este caso de alto empuje, la trayectoria se aproxima a una línea recta. Si se requiere que la nave espacial se encuentre con el objetivo, en lugar de realizar un sobrevuelo, entonces la nave espacial debe invertir su orientación a mitad del viaje y desacelerar el resto del camino.
En la trayectoria de empuje constante, [11] la aceleración del vehículo aumenta durante el período de empuje, ya que el uso de combustible significa que la masa del vehículo disminuye. Si en lugar de empuje constante el vehículo tiene aceleración constante, el empuje del motor debe disminuir durante la trayectoria.
Esta trayectoria requiere que la nave espacial mantenga una alta aceleración durante períodos prolongados. Para transferencias interplanetarias, pueden ser necesarios días, semanas o meses de empuje constante. Como resultado, actualmente no existen sistemas de propulsión de naves espaciales capaces de utilizar esta trayectoria. Se ha sugerido que algunas formas de cohetes propulsados por energía nuclear (de fisión o fusión) o de antimateria serían capaces de realizar esta trayectoria.
De manera más práctica, este tipo de maniobra se utiliza en maniobras de bajo empuje, por ejemplo con motores de iones , propulsores de efecto Hall y otros. Este tipo de motores tienen un impulso específico (eficiencia de combustible) muy alto, pero actualmente sólo están disponibles con un empuje absoluto bastante bajo.
En astrodinámica, la fase orbital es el ajuste de la posición temporal de la nave espacial a lo largo de su órbita , generalmente descrito como un ajuste de la verdadera anomalía de la nave espacial en órbita .
Un encuentro espacial es una secuencia de maniobras orbitales durante las cuales dos naves espaciales , una de las cuales suele ser una estación espacial , llegan a la misma órbita y se acercan a una distancia muy cercana (por ejemplo, dentro del contacto visual). El encuentro requiere una coincidencia precisa de las velocidades orbitales de las dos naves espaciales, lo que les permitirá permanecer a una distancia constante durante el mantenimiento de la posición orbital . El encuentro suele ir seguido de un acoplamiento o atraque , procedimientos que ponen a las naves espaciales en contacto físico y crean un vínculo entre ellas.
