La aerocaptura es una maniobra de transferencia orbital en la que una nave espacial utiliza la fuerza de arrastre aerodinámica de un solo paso a través de una atmósfera planetaria para desacelerar y lograr la inserción en órbita.
La aerocaptura utiliza la atmósfera de un planeta o una luna para realizar una maniobra de inserción en órbita rápida y casi sin propulsante para colocar una nave espacial en su órbita científica . La maniobra de aerocaptura comienza cuando la nave espacial ingresa a la atmósfera del cuerpo objetivo desde una trayectoria de aproximación interplanetaria. La resistencia aerodinámica generada a medida que el vehículo desciende a la atmósfera reduce la velocidad de la nave espacial. Después de que la nave espacial reduce la velocidad lo suficiente como para ser capturada por el planeta, sale de la atmósfera y ejecuta un pequeño encendido propulsor en el primer apoápside para elevar el periápside fuera de la atmósfera. Es posible que se requieran pequeños encendidos adicionales para corregir errores de orientación por apoápside e inclinación antes de que se establezca la órbita científica inicial.
En comparación con la inserción en órbita con propulsión convencional , este método de desaceleración que prácticamente no requiere combustible podría reducir significativamente la masa de una nave espacial interplanetaria, ya que una fracción sustancial de la masa de la nave espacial se utiliza a menudo como combustible para la combustión de inserción en órbita. El ahorro en masa de combustible permite añadir más instrumentación científica a la misión, o permite utilizar una nave espacial más pequeña y menos costosa y, potencialmente, un vehículo de lanzamiento más pequeño y menos costoso . [1]
Debido al calentamiento aerodinámico que se produce durante el paso atmosférico, la nave espacial debe estar dentro de una cubierta aerodinámica (o un sistema de entrada desplegable) con un sistema de protección térmica . El vehículo también requiere una guía autónoma de circuito cerrado durante la maniobra para permitir que el vehículo apunte a la órbita de captura deseada y ordene al vehículo que salga de la atmósfera cuando se haya disipado suficiente energía. Para garantizar que el vehículo tenga suficiente autoridad de control para evitar que la nave espacial penetre demasiado profundamente en la atmósfera o salga prematuramente sin disipar suficiente energía, se requiere el uso de una cubierta aerodinámica de elevación o un sistema de modulación de la resistencia, que puede cambiar el área de producción de resistencia del vehículo durante el vuelo. [2] [3]
Se ha demostrado que la aerocaptura es factible en Venus , la Tierra , Marte y Titán utilizando vehículos de entrada existentes y materiales de sistemas de protección térmica. [4] Hasta hace poco, los vehículos de media L/D (sustentación-arrastre) se consideraban esenciales para la aerocaptura en Urano y Neptuno, debido a las grandes incertidumbres en el estado de entrada y los perfiles de densidad atmosférica. [5] Sin embargo, los avances en la navegación interplanetaria y las técnicas de guía atmosférica han demostrado que los aeroshells heredados de baja L/D como Apollo ofrecen suficiente autoridad de control para la aerocaptura en Neptuno. [6] [7] La aerocaptura en Júpiter y Saturno se considera un objetivo a largo plazo, ya que sus enormes pozos de gravedad dan como resultado velocidades de entrada muy altas y entornos aerotérmicos hostiles, lo que hace que la aerocaptura sea una opción menos atractiva y, tal vez, inviable en estos destinos. [4] Sin embargo, es posible utilizar una asistencia aerogravedad en Titán para insertar una nave espacial alrededor de Saturno. [8]
La aerocaptura se ha estudiado para misiones planetarias desde principios de la década de 1960. El artículo pionero de London sobre el uso de maniobras aerodinámicas para cambiar el plano de un satélite en órbita terrestre, en lugar de utilizar una maniobra propulsora, se considera un precursor del concepto de aerocaptura. [9] El concepto de aerocaptura se denominó entonces frenado aerodinámico o "aerofrenado", y Repic et al. lo investigaron como un posible método de inserción en órbita para misiones a Marte y Venus. [10] [11] En la terminología moderna [ aclaración necesaria ] , el aerofrenado se refiere a una maniobra de "aeroasistencia" diferente y no debe confundirse con la aerocaptura. [ cita requerida ] El artículo de Cruz de 1979 fue el primero en utilizar la palabra aerocaptura, y fue seguido por una serie de estudios centrados en sus aplicaciones al Retorno de Muestras de Marte (SR).
A finales de los años 1980, se concibió el Experimento de Vuelo Asistido (AFE, por sus siglas en inglés) para utilizar una carga útil lanzada por un transbordador para demostrar la aerocaptura en la Tierra. El proyecto dio como resultado una serie de desarrollos importantes, incluido un software de vuelo de guía, pero finalmente se canceló debido a sobrecostos y nunca se llevó a cabo. [12] A finales de los años 1990, se consideró la aerocaptura para la misión Mars Odyssey (en ese entonces denominada Mars 2001 Surveyor), pero luego se descartó en favor del aerofrenado debido a razones de costo y al legado de otras misiones a Marte. [13] A principios de los años 2000, la aerocaptura fue identificada como el área de enfoque del programa de Tecnología de Propulsión Espacial (ISPT, por sus siglas en inglés) de la NASA. En el marco de este proyecto, se formó un Equipo de Análisis de Sistemas de Aerocaptura (ASAT, por sus siglas en inglés) multicéntrico para definir misiones de aerocaptura de referencia en varios destinos del Sistema Solar e identificar cualquier brecha tecnológica que deba cerrarse antes de la implementación en un proyecto de vuelo. El equipo ASAT dirigido por Mary Kae Lockwood en el Centro de Investigación Langley de la NASA estudió en gran detalle los conceptos de misiones de aerocaptura a Venus, Marte, Titán y Neptuno. [14] Desde 2016, existe un renovado interés en la aerocaptura, particularmente con respecto a la inserción en órbita de satélites pequeños en Venus y Marte, [15] y misiones de clase Flagship a Urano y Neptuno en la próxima década. [16]
Los tecnólogos de la NASA están desarrollando formas de colocar vehículos espaciales robóticos en órbitas científicas de larga duración alrededor de destinos distantes del Sistema Solar sin la necesidad de las pesadas cargas de combustible que históricamente han limitado el rendimiento del vehículo, la duración de la misión y la masa disponible para cargas útiles científicas.
Un estudio demostró que el uso de la aerocaptura en lugar del siguiente mejor método (quema de propulsor y frenado aerodinámico ) permitiría un aumento significativo de la carga útil científica para misiones que abarcan desde Venus (un aumento del 79 %) hasta Titán (un aumento del 280 %) y Neptuno (un aumento del 832 %). Además, el estudio demostró que el uso de la tecnología de aerocaptura podría permitir misiones científicamente útiles a Júpiter y Saturno. [17]
La tecnología de aerocaptura también se ha evaluado para su uso en misiones tripuladas a Marte y se ha descubierto que ofrece importantes beneficios en términos de masa. Sin embargo, para esta aplicación, la trayectoria debe estar restringida para evitar cargas de desaceleración excesivas en la tripulación. [18] [19] Aunque existen restricciones similares en las trayectorias para misiones robóticas, los límites humanos suelen ser más estrictos, especialmente a la luz de los efectos de la microgravedad prolongada en las tolerancias de aceleración.
Para realizar la aerocaptura, el vehículo debe ingresar a la atmósfera dentro del corredor de entrada teórico de la aerocaptura. Si ingresa por un corredor demasiado empinado, el vehículo no podrá salir de la atmósfera. Si ingresa por un corredor demasiado plano, el vehículo saldrá de la atmósfera sin agotar suficiente energía. Entrar dentro del corredor permite que el sistema de guía del vehículo alcance las condiciones de salida deseadas para una órbita de captura alrededor del planeta. [20]
La maniobra de aerocaptura se puede llevar a cabo con tres tipos básicos de sistemas. La nave espacial puede estar encerrada en una estructura cubierta con material de protección térmica, también conocido como diseño de aerocapa rígida. De manera similar, otra opción es que el vehículo despliegue un dispositivo de aerocaptura, como un escudo térmico inflable, conocido como diseño de aerocapa inflable, o un faldón de arrastre desplegado mecánicamente. La tercera opción de diseño principal es un globo inflable de arrastre, una combinación de globo y paracaídas hecho de material delgado y duradero que se remolca detrás del vehículo después de desplegarse en el vacío del espacio.
El sistema de carcasa aerodinámica rígida y cuerpo romo encierra una nave espacial en una carcasa protectora. Esta carcasa actúa como una superficie aerodinámica, proporcionando sustentación y resistencia, y brinda protección contra el intenso calentamiento que se experimenta durante el vuelo atmosférico a alta velocidad. Una vez que la nave espacial es capturada en órbita, la carcasa aerodinámica se desecha.
La NASA ha utilizado sistemas de aeroshell romos en el pasado para misiones de entrada atmosférica. El ejemplo más reciente es el de los rovers de exploración de Marte, Spirit y Opportunity , que se lanzaron en junio y julio de 2003 y aterrizaron en la superficie marciana en enero de 2004. Otro ejemplo es el módulo de mando Apollo . El módulo se utilizó para seis vuelos espaciales no tripulados desde febrero de 1966 hasta abril de 1968 y once misiones tripuladas desde Apollo 7 en octubre de 1968 hasta la última misión lunar tripulada Apollo 17 en diciembre de 1972. Debido a su amplia tradición, el diseño del sistema de aeroshell es bien conocido. La adaptación del aeroshell de la entrada atmosférica a la aerocaptura requiere una personalización específica de la misión del material de protección térmica para adaptarse a los diferentes entornos de calentamiento de la aerocaptura. Además, se desean adhesivos de mayor temperatura y estructuras ligeras de alta temperatura para minimizar la masa del sistema de aerocaptura. [1]
El diseño de la carcasa aerodinámica desplegable o inflable se parece mucho al diseño de la carcasa aerodinámica o del cuerpo romo. Pero a diferencia de la carcasa aerodinámica de elevación, los sistemas desplegables o inflables no producen sustentación. La única variable de control es el área de resistencia. La carcasa aerodinámica inflable se suele denominar un sistema híbrido, con una pieza frontal rígida y un desacelerador inflado y acoplado para aumentar el área de resistencia. Justo antes de entrar en la atmósfera, la carcasa aerodinámica inflable se extiende desde una tapa frontal rígida y proporciona una superficie más grande para reducir la velocidad de la nave espacial. Fabricada con material de película fina y reforzada con una tela de cerámica, el diseño de la carcasa aerodinámica inflable podría ofrecer muchas de las mismas ventajas y funcionalidades que los diseños de ballute trasero. Si bien no es tan grande como el ballute trasero, la carcasa aerodinámica inflable es aproximadamente tres veces más grande que el sistema de carcasa aerodinámica rígida y realiza la maniobra de aerocaptura a mayor altura en la atmósfera, lo que reduce las cargas de calentamiento. Debido a que el sistema es inflable, la nave espacial no está encerrada durante el lanzamiento y el crucero, lo que permite una mayor flexibilidad durante el diseño y las operaciones de la nave espacial. [1]
Una de las principales tecnologías de desaceleración inflable es la configuración de ballute de arrastre . El diseño incluye un desacelerador toroidal , o en forma de rosquilla, hecho de un material liviano de película delgada . El ballute es mucho más grande que la nave espacial y se remolca detrás de la nave, como un paracaídas, para reducir la velocidad del vehículo. El diseño de "arrastre" también permite un desprendimiento fácil después de que se complete la maniobra de aerocaptura. El diseño de ballute de arrastre tiene ventajas de rendimiento sobre el diseño de aeroshell rígido, como no limitar el tamaño y la forma de la nave espacial y someter al vehículo a cargas aerodinámicas y térmicas mucho menores. Debido a que el ballute de arrastre es mucho más grande que la nave espacial, la aerocaptura ocurre en lo alto de la atmósfera, donde se genera mucho menos calor. El ballute soporta la mayor parte de las fuerzas aerodinámicas y el calor, lo que permite el uso de una protección térmica mínima alrededor de la nave espacial. Una de las principales ventajas de la configuración de ballute es la masa. Mientras que la capa aerodinámica rígida puede representar entre el 30 y el 40 % de la masa de una nave espacial, la fracción de masa de la bola podría ser tan solo del 8 al 12 %, lo que permitiría ahorrar masa para una mayor carga científica. [1]
La aerocaptura aún no se ha probado en una misión planetaria, pero el salto de reentrada de Zond 6 y Zond 7 al regresar a la Luna fueron maniobras de aerocaptura, ya que convirtieron una órbita hiperbólica en una órbita elíptica. En estas misiones, dado que no se intentó elevar el perigeo después de la aerocaptura, la órbita resultante aún intersectó la atmósfera y la reentrada se produjo en el siguiente perigeo.
La aerocaptura se planeó originalmente para el orbitador Mars Odyssey [21] pero luego se cambió a aerofrenado por razones de costo y de compatibilidad con otras misiones. [22]
Se ha propuesto y analizado la aerocaptura para la llegada a la luna de Saturno, Titán. [23]
La aerocaptura dentro de la ficción se puede leer en la novela 2010: Odisea dos de Arthur C. Clarke , en la que dos naves espaciales (una rusa y otra china) utilizan la aerocaptura en la atmósfera de Júpiter para deshacerse de su exceso de velocidad y posicionarse para explorar los satélites de Júpiter. Esto se puede ver como un efecto especial en la versión cinematográfica en la que solo una nave espacial rusa se somete a la aerocaptura (en la película incorrectamente llamada aerofrenado ).
Los jugadores del videojuego Kerbal Space Program a menudo emplean la aerocaptura, particularmente cuando exploran los satélites de Jool (un gigante gaseoso que sirve como análogo de Júpiter en el juego).
En la serie de televisión Stargate Universe , el piloto automático de la nave Destiny emplea la aerocaptura dentro de la atmósfera de un gigante gaseoso en el borde de un sistema estelar. Esto coloca a la nave en dirección directa hacia la estrella en el centro del sistema.
En la novela de ciencia ficción Delta-v , los mineros de asteroides utilizan una nave de aerocaptura construida especialmente en un intento desesperado por regresar a la Tierra desde el asteroide Ryugu .
Aerocapture forma parte de una familia de tecnologías de "aeroasistencia" que está desarrollando la NASA para misiones científicas a cualquier cuerpo planetario con una atmósfera apreciable. Estos destinos podrían incluir Marte , Venus y la luna Titán de Saturno , junto con los planetas exteriores .
El aerofrenado es otra maniobra de asistencia aerodinámica que comparte algunas similitudes, pero también algunas diferencias importantes, con la aerocaptura. Mientras que la aerocaptura se utiliza para introducir una nave espacial en órbita desde una trayectoria hiperbólica, el aerofrenado se utiliza para reducir la apoapsis de una nave espacial que ya está en órbita.
Una de las principales ventajas de utilizar una técnica de aerocaptura en lugar de una técnica de aerofrenado es que permite conceptos de misión para vuelos espaciales tripulados debido al rápido proceso de transición a la órbita deseada, acortando la duración de la misión en meses. [ eliminar o aclaración necesaria ]
