Un encuentro espacial ( / r ɒ n d eɪ v uː / ) es un conjunto 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 de contacto visual). El encuentro requiere una coincidencia precisa de las velocidades orbitales y los vectores de posición de las dos naves espaciales, lo que les permitirá permanecer a una distancia constante durante el mantenimiento de la posición orbital . El encuentro puede ir seguido o no de un acoplamiento o atraque , procedimientos que ponen a las naves espaciales en contacto físico y crean un vínculo entre ellas.
La misma técnica de encuentro se puede utilizar para el "aterrizaje" de naves espaciales en objetos naturales con un campo gravitacional débil; por ejemplo, aterrizar en una de las lunas marcianas requeriría la misma coincidencia de velocidades orbitales, seguido de un "descenso" que comparte algunas similitudes con el acoplamiento. .
En su primer programa de vuelos espaciales tripulados Vostok , la Unión Soviética lanzó pares de naves espaciales desde la misma plataforma de lanzamiento, con uno o dos días de diferencia ( Vostok 3 y 4 en 1962, y Vostok 5 y 6 en 1963). En cada caso, los sistemas de guía de los vehículos de lanzamiento insertaron las dos naves en órbitas casi idénticas; sin embargo, esto no fue lo suficientemente preciso como para lograr el encuentro, ya que el Vostok carecía de propulsores de maniobra para ajustar su órbita para que coincidiera con la de su gemelo. Las distancias de separación iniciales estaban en el rango de 5 a 6,5 kilómetros (3,1 a 4,0 millas) y lentamente divergieron a miles de kilómetros (más de mil millas) en el transcurso de las misiones. [1] [2]
En 1963, Buzz Aldrin presentó su tesis doctoral titulada Técnicas de guía de línea de visión para encuentros orbitales tripulados. [3] Como astronauta de la NASA, Aldrin trabajó para "traducir mecánicas orbitales complejas en planes de vuelo relativamente simples para mis colegas". [4]
El primer intento de encuentro de la NASA se realizó el 3 de junio de 1965, cuando el astronauta estadounidense Jim McDivitt intentó maniobrar su nave Gemini 4 para alcanzar la etapa superior de su vehículo de lanzamiento Titan II gastado . McDivitt no pudo acercarse lo suficiente para mantenerse en posición, debido a problemas de percepción de profundidad y a la ventilación del propulsor del escenario que lo seguía moviendo. [5] Sin embargo, los intentos de encuentro del Gemini 4 no tuvieron éxito en gran parte porque los ingenieros de la NASA aún tenían que aprender la mecánica orbital involucrada en el proceso. Simplemente apuntar el morro del vehículo activo al objetivo y empujarlo no tuvo éxito. Si el objetivo está delante en la órbita y el vehículo de seguimiento aumenta la velocidad, su altitud también aumenta, alejándolo del objetivo. La mayor altitud aumenta entonces el período orbital debido a la tercera ley de Kepler , colocando al rastreador no sólo por encima, sino también detrás del objetivo. La técnica adecuada requiere cambiar la órbita del vehículo de seguimiento para permitir que el objetivo de encuentro lo alcance o sea alcanzado, y luego, en el momento correcto, cambiar a la misma órbita que el objetivo sin movimiento relativo entre los vehículos (por ejemplo, poner el rastreador a una órbita más baja, que tiene un período orbital más corto que le permite alcanzarlo y luego ejecutar una transferencia de Hohmann de regreso a la altura orbital original). [6]
Como comentó más tarde el ingeniero de GPO , André Meyer: "Existe una buena explicación para lo que salió mal con el encuentro". La tripulación, como todos los demás en MSC , "simplemente no entendió ni razonó la mecánica orbital involucrada. Como resultado, todos obtuvimos maniobras de encuentro mucho más inteligentes y realmente perfeccionadas, que ahora usa Apolo ".
— [6]
El encuentro fue logrado con éxito por primera vez por el astronauta estadounidense Wally Schirra el 15 de diciembre de 1965. Schirra maniobró la nave espacial Gemini 6 a 1 pie (30 cm) de su nave hermana Gemini 7 . Las naves espaciales no estaban equipadas para acoplarse entre sí, pero se mantuvieron en posición durante más de 20 minutos. Schirra comentó más tarde: [7]
Alguien dijo... cuando llegas a tres millas (5 km), te encuentras. Si alguien cree que ha logrado un punto de encuentro a cinco kilómetros (tres millas), ¡que se divierta! Fue entonces cuando empezamos a hacer nuestro trabajo. No creo que el encuentro termine hasta que estés detenido (completamente detenido) sin movimiento relativo entre los dos vehículos, a una distancia de aproximadamente 120 pies (37 m). ¡Eso es una cita! A partir de ahí, se trata de mantener la posición. Ahí es cuando puedes regresar y jugar a conducir un automóvil, conducir un avión o empujar una patineta; es así de simple.
Schirra utilizó otra metáfora para describir la diferencia entre los logros de las dos naciones: [8]
[El "encuentro" ruso] fue una mirada pasajera, el equivalente a un hombre caminando por una concurrida calle principal con mucho tráfico y ve a una linda chica caminando al otro lado. Él dice: "Oye, espera", pero ella se ha ido. Esa es una mirada pasajera, no una cita.
El primer acoplamiento de dos naves espaciales se logró el 16 de marzo de 1966 cuando Gemini 8 , bajo el mando de Neil Armstrong , se reunió y acopló con un vehículo Agena Target no tripulado . Gemini 6 iba a ser la primera misión de acoplamiento, pero tuvo que cancelarse cuando el vehículo Agena de esa misión fue destruido durante el lanzamiento. [9]
Los soviéticos llevaron a cabo el primer acoplamiento automatizado y sin tripulación entre Cosmos 186 y Cosmos 188 el 30 de octubre de 1967. [10]
El primer cosmonauta soviético que intentó un acoplamiento manual fue Georgy Beregovoy , quien intentó sin éxito acoplar su nave Soyuz 3 con la Soyuz 2 sin tripulación en octubre de 1968. Pudo acercar su nave desde 200 metros (660 pies) hasta 30 centímetros. (1 pie), pero no pudo atracar antes de agotar su combustible de maniobra. [ cita necesaria ]
El primer acoplamiento tripulado exitoso [11] ocurrió el 16 de enero de 1969 cuando atracaron las Soyuz 4 y Soyuz 5 , recogiendo a los dos tripulantes de la Soyuz 5, que tuvieron que realizar una actividad extravehicular para llegar a la Soyuz 4. [12]
En marzo de 1969, el Apolo 9 logró el primer traslado interno de miembros de la tripulación entre dos naves espaciales acopladas.
El primer encuentro de dos naves espaciales de diferentes países tuvo lugar en 1975, cuando una nave espacial Apolo se acopló a una nave espacial Soyuz como parte de la misión Apolo-Soyuz . [13]
El primer acoplamiento espacial múltiple tuvo lugar cuando tanto Soyuz 26 como Soyuz 27 se acoplaron a la estación espacial Salyut 6 en enero de 1978. [ cita necesaria ]
Se produce un encuentro cada vez que una nave espacial lleva miembros de la tripulación o suministros a una estación espacial en órbita. La primera nave espacial en hacer esto fue Soyuz 11 , que se acopló con éxito a la estación Salyut 1 el 7 de junio de 1971. [14] Las misiones de vuelos espaciales tripulados se han reunido con éxito con seis estaciones Salyut , con Skylab , con Mir y con la Estación Espacial Internacional. (ISS). Actualmente, las naves espaciales Soyuz se utilizan en intervalos de aproximadamente seis meses para transportar miembros de la tripulación hacia y desde la ISS. Con la introducción del Programa de Tripulación Comercial de la NASA, EE.UU. puede utilizar su propio vehículo de lanzamiento junto con la Soyuz, una versión actualizada del Cargo Dragon de SpaceX; Dragón de tripulación. [15]
Las naves espaciales robóticas también se utilizan para reunirse y reabastecer estaciones espaciales. Las naves espaciales Soyuz y Progress se han acoplado automáticamente tanto a Mir [16] como a la ISS utilizando el sistema de acoplamiento Kurs ; el vehículo de transferencia automatizado de Europa también utilizó este sistema para acoplarse con el segmento ruso de la ISS. Varias naves espaciales no tripuladas utilizan el mecanismo de atraque de la NASA en lugar de un puerto de atraque . El vehículo de transferencia japonés H-II (HTV), el Dragon de SpaceX y la nave espacial Cygnus de Orbital Sciences maniobran hasta un punto de encuentro cercano y mantienen el mantenimiento de la posición, lo que permite que el Canadarm2 de la ISS agarre y mueva la nave espacial a un puerto de atraque en el segmento estadounidense. . Sin embargo, la versión actualizada de Cargo Dragon ya no necesitará atracar, sino que se acoplará de forma autónoma y directamente a la estación espacial. El segmento ruso sólo utiliza puertos de atraque, por lo que HTV, Dragon y Cygnus no pueden encontrar un atraque allí. [17]
El encuentro espacial se ha utilizado para una variedad de otros propósitos, incluidas recientes misiones de servicio al Telescopio Espacial Hubble . Históricamente, para las misiones del Proyecto Apolo que llevaban astronautas a la Luna , la etapa de ascenso del Módulo Lunar Apolo se encontraba y se acoplaba con el Módulo de Comando/Servicio Apolo en maniobras de encuentro en la órbita lunar . Además, la tripulación del STS-49 se reunió y conectó un motor de cohete al satélite de comunicaciones Intelsat VI F-3 para permitirle realizar una maniobra orbital . [ cita necesaria ]
Un posible encuentro futuro puede realizarse mediante un vehículo robótico automatizado Hubble (HRV) aún por desarrollar, y mediante el CX-OLEV, que se está desarrollando para el encuentro con un satélite geosincrónico que se ha quedado sin combustible. El CX-OLEV se haría cargo del mantenimiento de la posición orbital y/o finalmente llevaría el satélite a una órbita de cementerio, tras lo cual el CX-OLEV posiblemente podría reutilizarse para otro satélite. La transferencia gradual de la órbita de transferencia geoestacionaria a la órbita geosincrónica llevará varios meses, utilizando propulsores de efecto Hall . [18]
Alternativamente, las dos naves espaciales ya están juntas y simplemente se desacoplan y se acoplan de forma diferente:
La NASA a veces se refiere a "Encuentros, operaciones de proximidad , acoplamiento y desacoplamiento " (RPODU) para el conjunto de todos los procedimientos de vuelos espaciales que normalmente se necesitan en torno a las operaciones de naves espaciales en las que dos naves espaciales trabajan cerca una de la otra con la intención de conectarse entre sí. [19]
La técnica estándar para el encuentro y el atraque es acoplar un vehículo activo, el "perseguido", con un "objetivo" pasivo. Esta técnica se ha utilizado con éxito en los programas Gemini, Apollo, Apollo/Soyuz, Salyut, Skylab, Mir, ISS y Tiangong. [ cita necesaria ]
Para comprender adecuadamente el encuentro de las naves espaciales es esencial comprender la relación entre la velocidad de las naves espaciales y la órbita. Una nave espacial en una determinada órbita no puede alterar arbitrariamente su velocidad. Cada órbita se correlaciona con una determinada velocidad orbital. Si la nave espacial dispara propulsores y aumenta (o disminuye) su velocidad, obtendrá una órbita diferente, una que se correlaciona con la velocidad mayor (o menor). Para las órbitas circulares, las órbitas más altas tienen una velocidad orbital más baja. Las órbitas más bajas tienen una velocidad orbital más alta.
Para que se produzca el encuentro orbital, ambas naves espaciales deben estar en el mismo plano orbital y la fase de la órbita (la posición de la nave espacial en la órbita) debe coincidir. [20] Para el atraque también debe coincidir la velocidad de los dos vehículos. El "cazador" se coloca en una órbita ligeramente más baja que el objetivo. Cuanto más baja sea la órbita, mayor será la velocidad orbital. Por lo tanto, la diferencia en las velocidades orbitales del cazador y el objetivo es tal que el cazador es más rápido que el objetivo y lo alcanza. [ cita necesaria ]
Una vez que las dos naves espaciales están lo suficientemente cerca, la órbita del perseguidor se sincroniza con la órbita del objetivo. Es decir, el cazador será acelerado. Este aumento de velocidad lleva al cazador a una órbita más alta. El aumento de velocidad se elige de modo que el perseguidor adopte aproximadamente la órbita del objetivo. Paso a paso, el cazador se acerca al objetivo, hasta que se pueden iniciar las operaciones de proximidad (ver más abajo). En la fase final, la tasa de cierre se reduce mediante el uso del sistema de control de reacción del vehículo activo . El acoplamiento normalmente ocurre a una velocidad de 0,1 pies/s (0,030 m/s) a 0,2 pies/s (0,061 m/s). [21]
El encuentro espacial de una nave espacial activa, o "persecudora", con una (supuesta) nave espacial pasiva puede dividirse en varias fases y, por lo general, comienza con las dos naves espaciales en órbitas separadas, generalmente separadas por más de 10.000 kilómetros (6.200 millas): [ 22]
Se puede utilizar una variedad de técnicas para efectuar las maniobras de traslación y rotación necesarias para operaciones de proximidad y atraque. [24]
Los dos métodos de aproximación más comunes para operaciones de proximidad son en línea con la trayectoria de vuelo de la nave espacial (llamada barra en V, ya que está a lo largo del vector de velocidad del objetivo) y perpendicular a la trayectoria de vuelo a lo largo de la línea del radio. de la órbita (llamada barra R, ya que está a lo largo del vector radial, con respecto a la Tierra, del objetivo). [22] El método de aproximación elegido depende de la seguridad, el diseño de la nave espacial/propulsor, el cronograma de la misión y, especialmente para el acoplamiento con la ISS, de la ubicación del puerto de atraque asignado.
La aproximación de la barra en V es una aproximación del "cazador" horizontalmente a lo largo del vector de velocidad de la nave espacial pasiva. Es decir, desde atrás o desde delante, y en la misma dirección que el movimiento orbital del objetivo pasivo. El movimiento es paralelo a la velocidad orbital del objetivo. [22] [25] En la aproximación con barra en V desde atrás, el cazador dispara pequeños propulsores para aumentar su velocidad en la dirección del objetivo. Esto, por supuesto, también lleva al cazador a una órbita más alta. Para mantener al cazador en el vector V, se disparan otros propulsores en dirección radial. Si esto se omite (por ejemplo, debido a una falla del propulsor), el perseguidor será llevado a una órbita más alta, lo que se asocia con una velocidad orbital menor que la del objetivo. En consecuencia, el objetivo se mueve más rápido que el perseguidor y la distancia entre ellos aumenta. Esto se llama efecto de frenado natural y es una protección natural en caso de falla del propulsor. [ cita necesaria ]
STS-104 fue la tercera misión del transbordador espacial que realizó una llegada en barra en V a la Estación Espacial Internacional . [26] La barra V, o vector de velocidad , se extiende a lo largo de una línea directamente delante de la estación. Los transbordadores se acercan a la ISS a lo largo de la barra en V cuando atracan en el puerto de atraque PMA-2 . [27]
El método de barra R consiste en que el cazador se mueve por debajo o por encima de la nave espacial objetivo, a lo largo de su vector radial. El movimiento es ortogonal a la velocidad orbital de la nave espacial pasiva. [22] [25] Cuando está debajo del objetivo, el cazador dispara propulsores radiales para acercarse al objetivo. Con esto aumenta su altitud. Sin embargo, la velocidad orbital del cazador permanece sin cambios (los disparos del propulsor en dirección radial no tienen ningún efecto sobre la velocidad orbital). Ahora en una posición ligeramente más alta, pero con una velocidad orbital que no se corresponde con la velocidad circular local, el cazador queda ligeramente detrás del objetivo. Se necesitan pequeños impulsos del cohete en la dirección de la velocidad orbital para mantener al perseguidor a lo largo del vector radial del objetivo. Si estos impulsos del cohete no se ejecutan (por ejemplo, debido a una falla del propulsor), el perseguidor se alejará del objetivo. Este es un efecto de frenado natural . Para el método de barra R, este efecto es más fuerte que para el método de barra V, lo que hace que el método de barra R sea el más seguro de los dos. [ cita necesaria ] Generalmente, es preferible el enfoque de la barra R desde abajo, ya que el cazador está en una órbita más baja (más rápida) que el objetivo y, por lo tanto, lo "alcanza". Para la aproximación con barra R desde arriba, el cazador está en una órbita más alta (más lenta) que el objetivo y, por lo tanto, tiene que esperar a que el objetivo se acerque. [ cita necesaria ]
Astrotech propuso satisfacer las necesidades de carga de la ISS con un vehículo que se acercaría a la estación, "utilizando un enfoque tradicional de barra R nadir". [28] El método nadir R-bar también se utiliza para vuelos a la ISS de vehículos de transferencia H-II y de vehículos SpaceX Dragon . [29] [30]
Una aproximación de la nave espacial activa, o "cazadora", horizontalmente desde el lado y ortogonal al plano orbital de la nave espacial pasiva, es decir, desde el lado y fuera del plano de la órbita de la nave espacial pasiva, se denomina Enfoque de barra Z. [31]
La mayoría de los observadores consideraron que el alunizaje estadounidense puso fin a la carrera espacial con una victoria estadounidense decisiva. […] El fin formal de la carrera espacial se produjo con la misión conjunta Apolo-Soyuz de 1975, en la que naves espaciales estadounidenses y soviéticas atracaron o se unieron en órbita mientras sus tripulaciones visitaban las naves de las otras y realizaban experimentos científicos conjuntos.
