Un ciclador de Marte (o ciclador Tierra-Marte ) es un tipo de trayectoria de nave espacial que encuentra la Tierra y Marte con regularidad. El término también puede referirse a una nave espacial en una trayectoria de ciclador de Marte. El ciclador Aldrin es un ejemplo de ciclador de Marte.
Los ciclistas son potencialmente útiles para transportar personas o materiales entre esos cuerpos utilizando un mínimo de propulsor (basándose en sobrevuelos asistidos por gravedad para la mayoría de los cambios de trayectoria) y pueden transportar una pesada protección contra la radiación para proteger a las personas en tránsito de los rayos cósmicos y las tormentas solares .
Un ciclador es una trayectoria que encuentra dos o más cuerpos regularmente. Una vez establecida 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 a múltiples planetas. [2]
Un año marciano son 1,8808 años terrestres, por lo que Marte realiza ocho órbitas alrededor del Sol aproximadamente al mismo tiempo que la Tierra realiza 15. Las trayectorias cicladoras entre la Tierra y Marte ocurren en múltiplos de números enteros del período sinódico entre los dos planetas, que es aproximadamente 2.135 años terrestres. [3] En 1985, Buzz Aldrin presentó una extensión de su trabajo anterior sobre el ciclador lunar , que identificaba un ciclador de Marte correspondiente a un único período sinódico. [4] El ciclador Aldrin (como se lo conoce ahora) realiza un único 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 desde la órbita de Marte hasta el primer cruce de la órbita de la Tierra. [5]
La existencia del ahora homónimo ciclador Aldrin fue calculada y confirmada por científicos del Jet Propulsion Laboratory ese mismo año, junto con los cicladores VISIT-1 y VISIT-2 propuestos por John Niehoff en 1985. [6] [7] Para cada Tierra –Ciclador de Marte que no es múltiplo de siete períodos sinódicos, un ciclador de salida cruza Marte al salir de la Tierra mientras que un ciclador de entrada cruza a Marte en el camino de entrada a la Tierra. La única diferencia en estas trayectorias es la fecha del período sinódico en la que el vehículo es lanzado desde la Tierra. Los cicladores Tierra-Marte con un múltiplo de siete períodos sinódicos regresan a la Tierra casi en el mismo punto de 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 con Marte cuatro veces en 15 años. VISIT-2 se encuentra con la Tierra cinco veces y con 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 motorizadas. [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 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 considerar 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 cicladora de 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 después, la Tierra ya no estará allí, pero se encontrará nuevamente con la Tierra 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 el ángulo de transferencia inicial y final. Esto da:
Resolver la ecuación cuadrática da:
con un período orbital de 2,02 años. [9]
El ángulo con el que la nave espacial pasa cerca de la Tierra, está dado por:
Sustituyendo los valores dados y derivados anteriormente se obtiene un valor de . Podemos calcular la asistencia gravitatoria desde la Tierra:
¿Dónde está la velocidad de sobrevuelo heliocéntrica? Esto se puede calcular a partir de:
donde V E es la velocidad de la Tierra, que es 29,8 km/s. La sustitución nos da 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 , lo que significa que tenemos un turno. El radio de máxima aproximación 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 6.371 kilómetros (3.959 millas). Por 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 dure varios meses, requeriría alojamiento mucho más habitable para un viaje mucho más largo: los astronautas necesitarían una instalación con amplio espacio habitable. , soporte vital y protección contra la radiación pesada. [6] [10] Un estudio de la NASA de 1999 estimó que una misión a Marte requeriría levantar alrededor de 437 toneladas métricas (482 toneladas cortas) al espacio, de las cuales 250 toneladas métricas (280 toneladas cortas) eran propulsores. [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 establecidos en sus órbitas, realizarían viajes regulares entre la Tierra y Marte sin necesitar ningún propulsor. Por lo tanto, aparte de los consumibles, la carga sólo tendría que ser lanzada una vez. [6] [10] Se utilizarían dos castillos , uno de salida en un ciclador Aldrin con un traslado rápido a Marte y un largo viaje de regreso, y uno de regreso con un viaje rápido a la Tierra y un largo regreso a Marte, [3] que Aldrin Llamó a subir y bajar escaleras mecánicas . [6]
Los astronautas se encontrarían con el ciclador en la órbita terrestre y más tarde en la órbita de Marte en naves especializadas llamadas taxis . Un ciclista recorrería una ruta de ida de la Tierra a Marte en unos cinco meses. Otro ciclador de Marte en una trayectoria complementaria viajaría de Marte a la Tierra, también en unos cinco meses. Los taxis y los vehículos de carga [a] se unirían al ciclador en un planeta y se separarían al llegar al otro. [11] Por lo tanto, el concepto de ciclador permitiría un transporte rutinario, seguro y económico entre la Tierra y Marte. [12]
Un inconveniente importante del concepto del ciclador fue que el ciclador Aldrin pasa por ambos planetas a gran velocidad. Un taxi necesitaría acelerar a 15.000 millas por hora (6,7 km/s) alrededor de la Tierra y 22.000 millas por hora (9,8 km/s) cerca de Marte. Para solucionar esto, Aldrin propuso lo que llamó un semiciclador , en el que el castillo desaceleraría alrededor de Marte, orbitándolo, y luego reanudaría la órbita del ciclador . Esto requeriría combustible para ejecutar las maniobras de frenado y reciclaje. [10] [11]
Los castillos podrían insertarse en órbitas cicladoras con un ahorro considerable de combustible mediante la realización de una serie de maniobras de bajo empuje: [12] El castillo se colocaría en una órbita provisional tras el lanzamiento y luego utilizaría una maniobra de giro de la Tierra para impulsarlo. en la órbita final del ciclador. [13] Suponiendo el uso de combustibles convencionales, [b] es posible estimar el combustible necesario para establecer una órbita de ciclador. [14] En el caso del ciclador Aldrin, el uso de una asistencia por gravedad reduce el requisito de combustible en aproximadamente 24,3 toneladas métricas (26,8 toneladas cortas), o un 15 por ciento. Otros cicladores mostraron mejoras menos impresionantes, debido a la forma de sus órbitas y al momento en que se encuentran con la Tierra. En el caso del ciclador VISIT-1, el beneficio rondaría las 0,2 toneladas métricas (0,22 toneladas cortas), menos del uno por ciento, lo que difícilmente justificaría los tres años adicionales necesarios para establecer la órbita. [14]
