Las ataduras espaciales son cables largos que pueden usarse para propulsión, intercambio de impulso, estabilización y control de actitud , o para mantener las posiciones relativas de los componentes de un gran sistema de sensores dispersos de satélite/ nave espacial . [1] Dependiendo de los objetivos de la misión y la altitud, se teoriza 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 Tether podrían utilizarse para diversos fines, incluida la investigación sobre propulsión Tether , estabilización de mareas y dinámica del plasma orbital. Se están desarrollando cinco técnicas principales para emplear ataduras espaciales: [2] [3]
Las ataduras electrodinámicas se utilizan principalmente para la propulsión. Se trata de ataduras conductoras que transportan una corriente que puede generar empuje o arrastre desde un campo magnético planetario , de forma muy parecida a como lo hace un motor eléctrico .
Pueden ser correas giratorias o correas no giratorias , que capturan una nave espacial que llega y luego la liberan en un momento posterior a una órbita diferente con una velocidad diferente. Las correas de intercambio de impulso se pueden utilizar para maniobras orbitales o como parte de un sistema de transporte espacial de superficie planetaria a órbita/órbita a velocidad de escape.
Por lo general, se trata de una correa no conductora que mantiene con precisión una distancia establecida entre múltiples vehículos espaciales que vuelan en formación.
Una forma de vela de viento solar con correas cargadas eléctricamente que será impulsada por el impulso de los iones del viento solar .
Un concepto para suspender un objeto de una correa que orbita en el espacio.
Se han propuesto muchos usos para las ataduras espaciales, incluido el despliegue como ascensores espaciales , como ganchos para el cielo y para realizar transferencias orbitales sin propulsores.
Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935) propuso una vez una torre tan alta que llegara al espacio, de modo que se mantuviera allí gracias a la rotación de la Tierra . Sin embargo, en aquel momento no existía una forma realista de construirlo.
En 1960, otro ruso, Yuri Artsutanov , escribió con mayor detalle sobre la idea de un cable de tracción que se desplegaría desde un satélite geosincrónico , hacia abajo, hacia el 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 materiales de la época, esto tampoco era práctico en la Tierra.
En la década de 1970, Jerome Pearson concibió de forma independiente la idea de un ascensor espacial, a veces denominado correa sincrónica, [5] y, en particular, analizó un ascensor lunar que puede pasar por los puntos L1 y L2 , y se descubrió que esto ser posible con materiales entonces existentes.
En 1977, Hans Moravec [6] y más tarde Robert L. Forward investigaron la física de los ganchos celestes no sincrónicos , también conocidos como ganchos celestes giratorios, y realizaron simulaciones detalladas de correas giratorias cónicas que podían recoger objetos y colocarlos en 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 dirección al estudio de los sistemas conectados, especialmente los satélites conectados. [1] [9]
En 1990, Eagle Sarmont propuso un Skyhook en órbita no giratorio para un sistema de transporte espacial Tierra-órbita / órbita-a-velocidad de escape en un artículo titulado "An Orbiting Skyhook: Affordable Access to Space". [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 regresaran de una órbita más alta, usarían el extremo superior.
En 2000, la NASA y Boeing consideraron un concepto HASTOL , en el que una correa giratoria llevaría cargas útiles de un avión hipersónico (a la mitad de la velocidad orbital) a la órbita . [13]
Un satélite tether es un satélite conectado a otro mediante un tether espacial. Se han lanzado varios satélites para probar tecnologías de anclaje, con distintos grados de éxito.
Hay muchos tipos diferentes (y superpuestos) de correas.
Las correas de intercambio de impulso son una de las muchas aplicaciones de las correas espaciales. Las ataduras de intercambio de impulso vienen en dos tipos; giratorios y no giratorios. Una correa giratoria creará una fuerza controlada en las masas finales del sistema debido a la aceleración centrífuga. Mientras el sistema de correa gira, los objetos en cada extremo de la correa experimentarán una aceleración continua; la magnitud de la aceleración depende de la longitud de la correa y de la velocidad de rotación. El intercambio de momento se produce cuando se suelta un cuerpo terminal durante la rotación. La transferencia de impulso al objeto liberado hará que la correa giratoria pierda energía y, por lo tanto, pierda velocidad y altitud. Sin embargo, utilizando el empuje de correa electrodinámico o la propulsión de iones, el sistema puede reactivarse con poco o ningún gasto de masa de reacción consumible.
Un skyhook es una clase teórica de propulsión por correa en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. [14] [15] [16] [17] [18] Las propuestas para ganchos aéreos incluyen diseños que emplean correas que giran a velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aviones de gran altitud y colocarlos en órbita. [19]
Las ataduras electrodinámicas son cables conductores largos, como los que se despliegan desde un satélite de atadura, que pueden funcionar según principios electromagnéticos como generadores , convirtiendo su energía cinética en energía eléctrica , o como motores , convirtiendo energía eléctrica en energía cinética. [1] El potencial eléctrico se genera a través de una correa conductora mediante 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 diversos factores. Los factores primarios suelen incluir una alta conductividad eléctrica y una baja densidad . Los factores secundarios, según la aplicación, incluyen el costo, la resistencia y el punto de fusión.
En el documental Los huérfanos de Apolo se describió una correa electrodinámica como tecnología que se utilizaría para mantener en órbita la estación espacial rusa Mir . [20] [21]
Este es el uso de una correa (normalmente) no conductora para conectar varias naves espaciales. El Experimento atado 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 satélites atados no giratorios, es un concepto para proporcionar soporte espacial a cosas suspendidas sobre un objeto astronómico. [22] El sistema orbital es un sistema de masas acopladas en el que la masa de soporte superior (A) se coloca en una órbita alrededor de un cuerpo celeste determinado de manera que pueda soportar una masa suspendida (B) a una altura específica sobre la superficie del cielo. cuerpo, pero más bajo que (A).
En lugar de girar de un extremo a otro, las correas también se pueden mantener rectas gracias a la ligera diferencia en la fuerza de la gravedad a lo largo de su longitud.
Un sistema de correa 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 observando la figura de la derecha, donde dos naves espaciales a dos altitudes diferentes han sido conectadas por una correa. Normalmente, cada nave espacial tendría un equilibrio de fuerzas gravitacionales (por ejemplo, F g1 ) y centrífugas (por ejemplo, F c1 ), pero cuando están unidas por una cuerda, estos valores comienzan a cambiar uno con respecto al otro. Este fenómeno se produce porque, sin la atadura, la masa a mayor altitud viajaría más lentamente que la masa a menor altura. El sistema debe moverse a una única velocidad, por lo que la correa debe frenar la masa inferior y acelerar la superior. La fuerza centrífuga de la parte superior del cuerpo atada aumenta, mientras que la del cuerpo de menor altitud se reduce. Esto da como resultado que predominen la fuerza centrífuga de la parte superior del cuerpo y la fuerza gravitacional de la parte inferior del cuerpo. Esta diferencia de fuerzas alinea naturalmente el sistema a lo largo de la vertical local, como se ve en la figura. [23]
Los objetos en órbita terrestre baja están sujetos a una notable erosión debido al oxígeno atómico debido a la alta velocidad orbital con la que chocan las moléculas, así como a su alta reactividad. Esto podría erosionar rápidamente una atadura. [24]
Las correas simples de una sola hebra son susceptibles a los micrometeoroides y la basura espacial . Desde entonces, se han propuesto y probado varios sistemas para mejorar la resistencia a los desechos:
Grandes trozos de basura aún cortarían la mayoría de las ataduras, incluidas las versiones mejoradas que se enumeran aquí, pero actualmente se rastrean por radar y tienen órbitas predecibles. Aunque se podrían usar propulsores para cambiar la órbita del sistema, también se podría mover temporalmente una correa en el lugar correcto, usando menos energía, para esquivar trozos de basura conocidos. [ cita necesaria ]
La radiación, incluida la radiación ultravioleta, tiende a degradar los materiales de las correas y reducir su vida útil. Las correas que atraviesan repetidamente los cinturones de Van Allen pueden tener una vida notablemente menor que las que permanecen en órbita terrestre baja o se mantienen fuera de la magnetosfera de la Tierra.
Las propiedades y materiales de la correa dependen de la aplicación. Sin embargo, existen algunas propiedades comunes. Para lograr el máximo rendimiento y bajo costo, las correas deberían estar hechas de materiales que combinen alta resistencia o conductividad eléctrica y baja densidad. Todas las ataduras espaciales son susceptibles a los desechos espaciales o los micrometeoroides. Por lo tanto, los diseñadores de sistemas deberán decidir si se necesita o no una capa protectora, 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 livianos. Algunos diseños de correas actuales utilizan plásticos cristalinos como polietileno de peso molecular ultraalto , 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 a 60 GPa (7,3 a 8,7 millones de psi; 490.000–590.000 atm) para algunos nanotubos individuales. (Varios otros materiales obtienen de 10 a 20 GPa (1,5 a 2,9 millones de psi; 99.000 a 197.000 atm) en algunas muestras en la nanoescala, pero traducir tales resistencias a la macroescala ha sido un desafío hasta ahora, a partir de 2011 , las cuerdas basadas en CNT son un orden de magnitud menos fuertes, aún no más fuertes que la fibra de carbono más convencional en esa escala). [28] [29] [30]
Para algunas aplicaciones, se prevé que la fuerza de tracción sobre la correa sea inferior a 65 newtons (15 lbf). [31] La selección del material en este caso depende del propósito de la misión y de las limitaciones del diseño. Las ataduras electrodinámicas, como la que se usa en TSS-1R, [ se necesita aclaración ] pueden usar alambres de cobre delgados para una alta conductividad (consulte 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 de los ascensores espaciales suelen utilizar una "longitud característica", Lc , que también se conoce como su "longitud de autosoporte" y es la longitud del cable no cónico 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 hipersónicas del gancho del cielo utilizan la "velocidad específica" del material, que es igual a la velocidad tangencial máxima que un aro giratorio puede alcanzar sin romperse:
Para las ataduras giratorias (rotovadores), 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 análogas al impulso específico o a la velocidad de escape. Cuanto mayores sean estos valores, más eficiente y ligera puede ser la correa en relación con las cargas útiles que pueden transportar. Sin embargo, con el tiempo, la masa del sistema de propulsión tether se verá limitada en el extremo inferior por otros factores, como el almacenamiento de impulso.
Los materiales propuestos incluyen Kevlar , polietileno de peso molecular ultraalto , [ cita requerida ] nanotubos de carbono y fibra M5 . M5 es una fibra sintética más ligera que Kevlar o Spectra. [32] 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 mils) de espesor, sería capaz de soportar 2.000 kg ( 4.400 libras) en la superficie lunar . También podría contener 100 vehículos de carga, cada uno con una masa de 580 kg (1280 lb), espaciados uniformemente a lo largo del ascensor. [5] Otros materiales que podrían usarse son la fibra de carbono T1000G, Spectra 2000 o Zylon. [33]
Para ataduras estabilizadas por gravedad, para exceder la longitud de autosoporte, el material de la atadura se puede ahusar de modo que el área de la sección transversal varíe con la carga total en cada punto a lo largo del cable. En la práctica, esto significa que la estructura central de la correa debe ser más gruesa que las puntas. El 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 estrechamiento puede reducir las relaciones excesivas entre el peso del cable y el peso de la carga útil. En lugar de reducir gradualmente, se puede utilizar un sistema de sujeción modular por etapas para lograr el mismo objetivo. Se utilizarían múltiples ataduras entre etapas. El número de ataduras determinaría la resistencia de cualquier sección transversal determinada. [34]
Para correas giratorias que no se ven afectadas significativamente por la gravedad, el espesor también varía y se puede demostrar que el área, A, está dada en función de r (la distancia desde el centro) de la siguiente manera: [35]
donde R es el radio de la atadura, 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 multiplicando por la densidad y dividiendo por la masa de la carga útil se obtiene una relación masa de carga útil/masa de sujeción de: [35]
donde erf es la función de error de probabilidad normal .
Dejar ,
entonces: [36]
Esta ecuación se puede comparar con la ecuación del cohete , que es proporcional a un exponente simple de una velocidad, en lugar de una velocidad al cuadrado. Esta diferencia limita efectivamente el delta-v que se puede obtener de una sola conexión.
Además, la forma del cable debe construirse para resistir micrometeoritos y basura espacial . Esto se puede lograr con el uso de cables redundantes, como el Hoytether ; La redundancia puede garantizar que sea muy poco probable que varios cables redundantes resulten dañados cerca del mismo punto del cable y, por lo tanto, puede ocurrir una gran cantidad de daño total en diferentes partes del cable antes de que ocurra la falla.
Actualmente, los tallos de habichuelas y los rotovatores están limitados por la resistencia de los materiales disponibles. Aunque las fibras plásticas de ultra alta resistencia ( Kevlar y Spectra ) permiten a los rotovatores extraer masas de la superficie de la Luna y Marte, un rotovator hecho de estos materiales no puede levantarse de la superficie de la Tierra. En teoría, los aviones supersónicos (o hipersónicos ) de alto vuelo podrían entregar una carga útil a un rotovator 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, todas las ataduras mecánicas (orbitales y elevadores) están en espera hasta que haya materiales más resistentes disponibles. [37]
La captura de carga para los rotovatores no es trivial y no capturarla puede causar problemas. Se han propuesto varios sistemas, como disparar redes a la carga, pero todos 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 agarre en funcionamiento. [38]
Actualmente, los materiales más fuertes en tensión son los plásticos que requieren un recubrimiento para protegerlos de la radiación ultravioleta y (dependiendo de 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 causar fallas o daños en las correas.
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 la vibración de la correa se acumule 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 la órbita terrestre podrían generar 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 correa 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 correa. [ cita necesaria ] Este enfoque requiere sensores para medir las vibraciones de la correa, que pueden ser un sistema de navegación inercial en un extremo de la correa o sistemas de navegación por satélite montados en la correa, 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 fallaron debido a sobretensiones inesperadas. Las descargas electrostáticas inesperadas han cortado las ataduras (p. ej., consulte Reavivado del sistema satelital atado (TSS‑1R) en STS‑75 ), componentes electrónicos dañados y maquinaria de manipulación de ataduras soldadas. Puede ser 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 de manipulación de correas suelen ser sorprendentemente pesados, 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 cambiando de velocidad y dirección. El escalador también puede reparar o aumentar una atadura hilando más hilos.
Los modos de vibración que pueden ser un problema incluyen saltar la cuerda, transversal, longitudinal y pendular. [39]
Las correas casi siempre son cónicas, y esto puede amplificar enormemente el movimiento en la punta más delgada en forma de látigo.
Una correa no es un objeto esférico y tiene una extensión significativa. Esto significa que, como objeto extendido, no es directamente modelable como fuente puntual, y esto significa que el centro de masa y el centro de gravedad no suelen estar colocados. Por tanto, la ley del cuadrado inverso no se aplica excepto a grandes distancias al comportamiento general de una correa. Por tanto, las órbitas no son completamente keplerianas y, en algunos casos, son realmente caóticas. [40]
Con 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 el intercambio de momento angular orbital y momento angular de rotación. Esto puede hacer que la predicción y el modelado sean extremadamente complejos.
