Una cápsula de reentrada es la parte de una cápsula espacial que regresa a la Tierra después de un vuelo espacial. La forma está determinada en parte por la aerodinámica ; una cápsula es aerodinámicamente estable al caer con el extremo romo primero, lo que permite que solo el extremo romo requiera un escudo térmico para la entrada atmosférica . Una cápsula tripulada contiene el panel de instrumentos de la nave espacial, espacio de almacenamiento limitado y asientos para los miembros de la tripulación. Debido a que la forma de una cápsula tiene poca sustentación aerodinámica , el descenso final se realiza mediante paracaídas , ya sea para detenerse en tierra, en el mar o mediante captura activa por una aeronave. En contraste, el desarrollo de vehículos de reentrada de aviones espaciales intenta proporcionar un perfil de reentrada más flexible.
Las cápsulas de reentrada han tenido típicamente un diámetro menor a 5 metros (16 pies) debido a los requisitos aerodinámicos del vehículo de lanzamiento . El diseño de la cápsula es eficiente volumétricamente y estructuralmente fuerte, por lo que es posible construir cápsulas pequeñas de rendimiento comparable a los diseños de fuselajes sustentadores o aviones espaciales en todos los aspectos, excepto en la relación sustentación-resistencia, por un costo menor. La nave espacial Soyuz es un ejemplo. La mayoría de las cápsulas han utilizado un escudo térmico ablativo para el reingreso y no han sido reutilizables. Parece probable que el vehículo tripulado multipropósito Orion , a partir de diciembre de 2005, utilice una cápsula reutilizable diez veces con un escudo térmico reemplazable. No hay límite, salvo por falta de experiencia en ingeniería, para el uso de baldosas de cerámica de alta temperatura o láminas de cerámica de temperatura ultraalta en cápsulas de reentrada.
Los materiales de la cápsula están diseñados de diferentes maneras, como la estructura de panal de aluminio del módulo de mando Apollo . El aluminio es muy ligero y la estructura le da a la cápsula una resistencia adicional. Las primeras naves espaciales tenían un revestimiento de vidrio incrustado con resina sintética y se sometían a temperaturas muy altas. La fibra de carbono , los plásticos reforzados y la cerámica son materiales nuevos que se mejoran constantemente para su uso en la exploración espacial.
La mayoría de las cápsulas de reentrada han utilizado un escudo térmico ablativo para el reingreso y no han sido reutilizables. Las primeras naves espaciales tenían una capa de vidrio incrustada con resina sintética y se sometían a temperaturas muy altas.
Las cápsulas de reentrada son adecuadas para reentradas de alta energía. Las cápsulas reentran primero por el extremo posterior con los ocupantes acostados, ya que esta es la posición óptima para que el cuerpo humano resista las fuerzas g inducidas cuando la cápsula impacta la atmósfera. La forma redondeada (cuerpo romo) de una cápsula forma una onda de choque que mantiene la mayor parte del calor alejado del escudo térmico, pero sigue siendo necesario un sistema de protección térmica . La cápsula espacial debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar fuerzas de reentrada como la resistencia , y debe reentrar en un ángulo de ataque preciso para evitar un salto fuera de la superficie de la atmósfera o aceleraciones destructivamente altas.
Cuando la cápsula de reentrada atraviesa la atmósfera, comprime el aire que se encuentra frente a ella, lo que lo calienta hasta alcanzar temperaturas muy altas. La temperatura de la superficie de una cápsula puede alcanzar los 1480 °C (2700 °F) a medida que desciende por la atmósfera terrestre. [ cita requerida ] Para evitar que este calor llegue a las estructuras interiores, las cápsulas suelen estar equipadas con un escudo térmico ablativo que carboniza y vaporiza, eliminando el calor.
El módulo de mando del Apolo volvió a entrar con el centro de masas desplazado de la línea central; esto hizo que la cápsula asumiera una actitud en ángulo en el aire, lo que le proporcionó sustentación que podía utilizarse para el control direccional. Se utilizaron propulsores del sistema de control de reacción para dirigir la cápsula rotando el vector de sustentación.
Para el descenso final se utilizan paracaídas, a veces reforzados por cohetes de frenado si la cápsula está diseñada para aterrizar en la superficie de la Tierra. Entre los ejemplos de cápsulas de aterrizaje en tierra se incluyen Vostok, Voskhod, Soyuz, Shenzhou y la Boeing CST-100 Starliner . Otras cápsulas, como Mercury, Gemini, Apollo, Orion y Dragon, se precipitan al océano.
Las cápsulas son adecuadas para reingresos a alta temperatura y carga dinámica. Mientras que los planeadores de ala delta como el transbordador espacial pueden reingresar desde la órbita baja terrestre y los cuerpos sustentadores pueden ingresar desde lugares tan lejanos como la Luna , es raro encontrar diseños para vehículos de reingreso desde Marte que no sean cápsulas. El diseño actual de RKK Energia para el Kliper , capaz de realizar vuelos a Marte, es una excepción.
Los ingenieros que construyen una cápsula de reentrada deben tener en cuenta fuerzas como la gravedad y la resistencia . La cápsula debe ser lo suficientemente fuerte como para reducir rápidamente su velocidad, debe soportar temperaturas extremadamente altas o bajas y debe sobrevivir al aterrizaje. Cuando la cápsula se acerca a la superficie de un planeta o una luna, debe reducir su velocidad a un ritmo muy preciso. Si lo hace demasiado rápido, todo lo que hay en la cápsula se aplastará. Si no lo hace con la suficiente rapidez, se estrellará contra la superficie y quedará destruida. Existen requisitos adicionales para la reentrada atmosférica. Si el ángulo de ataque es demasiado bajo, la cápsula puede rebotar y salirse de la superficie de la atmósfera. Si el ángulo de ataque es demasiado pronunciado, las fuerzas de desaceleración pueden ser demasiado altas o el calor de la reentrada puede superar las tolerancias del escudo térmico.
Las cápsulas vuelven a entrar por la parte trasera con los ocupantes tumbados, ya que es la posición óptima para que el cuerpo humano soporte la fuerza g de desaceleración. La parte trasera tiene forma redondeada (cuerpo romo), ya que esto forma una onda de choque que no toca la cápsula y el calor se desvía en lugar de derretir el vehículo.
El módulo de mando Apolo volvió a entrar con el centro de masas desplazado de la línea central, lo que provocó que la cápsula asumiera una actitud en ángulo en el aire, lo que le proporcionó una sustentación lateral que se utilizó para el control direccional. Se utilizaron propulsores rotatorios para dirigir la cápsula de forma automática o manual modificando el vector de sustentación.
A altitudes y velocidades más bajas, se utilizan paracaídas para reducir la velocidad de la cápsula creando más resistencia.
Las cápsulas también tienen que ser capaces de soportar el impacto cuando llegan a la superficie de la Tierra. Todas las cápsulas tripuladas estadounidenses (Mercury, Gemini, Apollo) aterrizaron en el agua; las cápsulas tripuladas soviéticas/rusas Soyuz y chinas Shenzhou (y las cápsulas tripuladas estadounidenses, rusas e indias planeadas) utilizan pequeños retrocohetes para tocar tierra. En la gravedad más ligera de Marte , los airbags son suficientes para aterrizar con seguridad algunas de las misiones robóticas.
Dos de las mayores fuerzas externas que experimenta una cápsula de reentrada son la gravedad y la resistencia .
La resistencia es la resistencia que opone la cápsula al moverse a través del aire . El aire es una mezcla de diferentes moléculas , entre ellas nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono. Todo lo que cae a través del aire choca con estas moléculas y, por lo tanto, se ralentiza. La cantidad de resistencia que sufre una cápsula depende de muchos factores, entre ellos la densidad del aire y la forma, la masa, el diámetro y la rugosidad de la cápsula. La velocidad de una nave espacial depende en gran medida del efecto combinado de dos fuerzas: la gravedad, que puede acelerar un cohete, y la resistencia, que lo ralentizará. Las cápsulas que entren en la atmósfera terrestre se ralentizarán considerablemente porque nuestra atmósfera es muy espesa.
Cuando la cápsula atraviesa la atmósfera, comprime el aire que tiene delante y lo calienta hasta alcanzar temperaturas muy altas (contrariamente a la creencia popular, la fricción no es significativa).
Un buen ejemplo de esto es una estrella fugaz . Una estrella fugaz, que normalmente es diminuta, genera tanto calor que atraviesa la atmósfera que el aire que rodea al meteorito brilla al rojo vivo. Por eso, cuando un objeto enorme, como una cápsula, pasa por ella, se genera aún más calor.
A medida que la cápsula pierde velocidad, la compresión de las moléculas de aire que chocan contra su superficie genera mucho calor. La superficie de una cápsula puede alcanzar los 1.480 °C (2.700 °F) a medida que desciende a través de la atmósfera terrestre. Todo este calor debe ser dirigido hacia afuera. Las cápsulas de reentrada suelen estar recubiertas con un material que se derrite y luego se vaporiza ("ablación"). Puede parecer contraproducente, pero la vaporización quita calor de la cápsula. Esto evita que el calor de reentrada entre en la cápsula. Las cápsulas experimentan un régimen de calentamiento más intenso que los aviones espaciales y la cerámica, como la que se usa en el transbordador espacial, suele ser menos adecuada, y todas las cápsulas han utilizado la ablación.
En la práctica, las cápsulas sí generan una cantidad significativa y útil de sustentación. Esta sustentación se utiliza para controlar la trayectoria de la cápsula, lo que permite reducir las fuerzas g sobre la tripulación, así como la transferencia máxima de calor hacia la cápsula. Cuanto más tiempo pasa el vehículo a gran altitud, más fino es el aire y menos calor se conduce. Por ejemplo, la relación sustentación/resistencia del Apollo CM era de aproximadamente 0,35. En ausencia de sustentación, la cápsula Apollo habría estado sujeta a una desaceleración de aproximadamente 20 g (8 g para naves espaciales en órbita baja), pero al utilizar sustentación, la trayectoria se mantuvo en alrededor de 4 g. [ cita requerida ]
La cápsula de reentrada es el módulo "intermedio" de la nave espacial de tres partes Soyuz o Shenzhou : el módulo orbital está ubicado en la parte delantera de la nave espacial, con el módulo de servicio o equipo unido a la parte trasera. Una característica del sistema de aterrizaje permite el uso de un solo paracaídas y un " cohete de frenado ", por lo que el escudo térmico se deja caer desde la nave espacial de manera similar al despliegue de la bolsa de aterrizaje en la nave espacial estadounidense Mercury . Al igual que el módulo de comando de la nave espacial Apollo , la cápsula de reentrada Shenzhou no tiene capacidades reutilizables; cada nave espacial vuela una vez y luego se "descarta" (generalmente se envía a museos).
Se conocen pocos detalles sobre la cápsula de reentrada Shenzhou, excepto que utiliza cierta tecnología del diseño de la Soyuz TM. La nueva nave espacial Soyuz TMA, que ahora se utiliza únicamente para vuelos a la Estación Espacial Internacional , tiene sus asientos modificados para permitir que vuelen miembros de la tripulación más altos y cuenta con una tecnología de " cabina de cristal " similar a la que se encuentra en el transbordador espacial y en los aviones comerciales y militares más nuevos.
La ex Unión Soviética sufrió dos desastres y un casi desastre, los tres relacionados con la cápsula durante la desorbitación y el reingreso. La Soyuz 1 terminó en desastre cuando los paracaídas no se desplegaron y la cápsula se estrelló contra la tierra a velocidades superiores a 300 mph (483 km/h), matando al cosmonauta Vladimir Komarov . La Soyuz 5 casi terminó en desastre, cuando la cápsula de reentrada entró en la atmósfera de morro primero, atribuido a un fallo del módulo de servicio al separarse similar al del vuelo Vostok 1. Afortunadamente, el módulo de servicio se quemó y la cápsula se enderezó sola.
La Soyuz 11 terminó en desastre en 1971 cuando una válvula de ecualización, utilizada para igualar la presión del aire durante el descenso final de la Soyuz, se abrió prematuramente en el vacío del espacio, matando a los tres miembros de la tripulación, que no llevaban trajes espaciales . Los vuelos posteriores, desde la Soyuz 12 hasta la Soyuz 40 , utilizaron una tripulación de dos hombres porque el tercer asiento tuvo que ser retirado para los controles del traje de presión. La versión Soyuz-T restauró el tercer asiento.
Probado en vuelo:
Del KH-1 al KH-4 CORONA
Módulo de reentrada Vostok Argón KH-5 Cápsula Mercury de McDonnell Cordón KH-6 Zenit (derivado del Vostok) KH-7 Gambit (dos cápsulas por lanzamiento) Cápsula McDonnell Gemini Módulos de reentrada del Voskhod Módulo de mando Apolo KH-8 Gambito 3
Módulo de reentrada de la Soyuz Luna 16 KH-9 Hexagon (4 cápsulas por lanzamiento) Luna 20 Yantar
Fanhui Shi Wei Xing Luna 24 Cápsula de reentrada VA TKS
Experimento de reentrada orbital Cápsula de retorno de muestra de Stardust Cápsula de retorno de muestra Genesis
Demostrador de reentrada atmosférica Módulo de reentrada de Shenzhou
Experimento de recuperación de cápsula espacial Dragón de SpaceX Cápsula de reentrada Hayabusa VBK-Raduga Orión MPCV Cápsula de retorno OSIRIS-REx SpaceX Dragón 2 Boeing CST-100 IXV (cuerpo elevador) Nave espacial tripulada de próxima generación Módulo de reentrada de Chang'e 5 Varda W-1 Cápsula de reentrada de Chang'e 6 .En desarrollo:
Nave espacial de SpaceX Gaganyaan Oriol/Orel Exploración de las lunas marcianas (MMX) Vehículo de entrada a la Tierra (retorno de muestras de Marte)
Kavoshgar E