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Logística espacial

La logística espacial es "la teoría y la práctica de impulsar el diseño de sistemas espaciales para su operatividad y capacidad de soporte, y de gestionar el flujo de material, servicios e información necesarios a lo largo del ciclo de vida de un sistema espacial". [1] Incluye la logística terrestre en apoyo de los viajes espaciales, incluido cualquier "diseño y desarrollo, adquisición, almacenamiento, movimiento, distribución, mantenimiento, evacuación y disposición de material espacial", el movimiento de personas en el espacio (tanto de rutina como para emergencias médicas y de otro tipo) y la contratación y el suministro de cualquier servicio de apoyo necesario para mantener los viajes espaciales. La investigación y la práctica de la logística espacial se centran principalmente en el modelado y la gestión de la cadena de suministro astrologístico desde la Tierra hasta los destinos en todo el sistema solar, así como en las estrategias de arquitectura del sistema para minimizar tanto los requisitos logísticos como los costos operativos de las operaciones humanas y robóticas en el espacio. [1]

Historia

Ya en 1960 Wernher von Braun habló de la necesidad y el subdesarrollo de la logística espacial: [2]

Tenemos un problema logístico en el espacio... que desafiará el pensamiento de los ingenieros logísticos más visionarios. Como saben, actualmente estamos investigando tres regiones del espacio: la región cercana a la Tierra, la región lunar y los planetas . Si bien es seguro decir que todos nosotros, sin duda, hemos sido conscientes de muchos o la mayoría de los requisitos y problemas logísticos en el debate, al menos de manera general, creo que también es seguro afirmar que muchos de nosotros no nos hemos dado cuenta del enorme alcance de las tareas realizadas en el área de la logística. Espero que los debates permitan comprender mejor el hecho de que el apoyo logístico es una parte importante de la mayoría de los grandes proyectos de desarrollo. El apoyo logístico, de hecho, es una de las principales causas del éxito o el fracaso de muchas empresas.

En 2004, cuando la NASA inició una iniciativa gubernamental para explorar la Luna , Marte y más allá, [3] se habían identificado una serie de deficiencias tanto en la capacidad como en la capacidad para satisfacer las necesidades logísticas incluso en la órbita terrestre baja. [4] [5]

En 2005, los analistas reconocieron la oportunidad que se avecinaba para que los gobiernos nacionales involucrados en el programa del Transbordador Espacial redujeran costos mediante la adquisición comercial de servicios de logística de transporte de carga una vez completada la fase de construcción de la Estación Espacial Internacional , [4] lo que se esperaba para 2010. [5]

Actividades posteriores a 2005

Según Manufacturing Business Technology, [6]

La NASA ha otorgado 3,8 millones de dólares a dos profesores de ingeniería del MIT para que realicen un estudio interdisciplinario con el fin de adaptar la logística de la cadena de suministro para apoyar el transporte y la transferencia de material interplanetario. Los profesores David Simchi-Levi y Olivier de Weck, de la División de Sistemas de Ingeniería del MIT, encabezarán el proyecto en colaboración con el Laboratorio de Propulsión a Chorro , Payload Systems y United Space Alliance .
La exploración espacial sostenible es imposible sin una gestión adecuada de la cadena de suministro y, a diferencia de Apolo, la exploración futura tendrá que depender de una red de suministro compleja en tierra y en el espacio. El objetivo principal de este proyecto es desarrollar un marco integral de gestión de la cadena de suministro y una herramienta de planificación para la logística espacial. El marco logístico espacial integrado final comprenderá el movimiento terrestre de material e información, la transferencia a los sitios de lanzamiento , la integración de la carga útil en los vehículos de lanzamiento y el lanzamiento a la órbita baja terrestre , la transferencia en el espacio y planetaria, y la logística de la superficie planetaria. El modelo de gestión de la cadena de suministro interplanetaria liderado por el MIT adoptará un enfoque de desarrollo de cuatro fases:
1. Revisión de las lecciones aprendidas en materia de gestión de la cadena de suministro a partir de proyectos comerciales y militares basados ​​en la Tierra, incluidos los submarinos navales y la logística en el Ártico
2. Análisis de redes logísticas espaciales basadas en modelos de órbitas Tierra-Luna-Marte y sitios de aterrizaje y exploración previstos
3. Modelado de la oferta y la demanda que contempla la incertidumbre en la demanda, la combinación de cargas, los costos y las interrupciones de la cadena de suministro.
4. Desarrollo de una arquitectura de cadena de suministro interplanetaria.

Ejemplos de clases de suministro

Entre las clases de suministro identificadas por el Centro de Logística Espacial del MIT: [7]

En la categoría de transporte espacial para el apoyo a la ISS se podrían incluir:

Tianzhou (nave espacial) es la única nave espacial no tripulada desechable para reabastecimiento de la Estación Espacial China .

Estado de la capacidad logística de la ISS en 2005

En 2005, James Baker y Frank Eichstadt proporcionaron una instantánea de la logística de una única instalación espacial, la Estación Espacial Internacional, a través de un estudio exhaustivo [8] . Esta sección del artículo hace amplia referencia a ese estudio.

Requisitos de carga de la ISS

En 2004 , el transbordador espacial estadounidense , el Progress ruso y, en una medida muy limitada, los vehículos rusos Soyuz eran los únicos sistemas de transporte espacial capaces de transportar carga a la ISS. [8]

Sin embargo, en 2004 ya se había previsto que el vehículo de transferencia automatizado europeo (ATV) y el vehículo de transferencia H-IIA japonés (HTV) entrarían en servicio antes de que terminara el ensamblaje de la ISS . A partir de 2004, el transbordador estadounidense transportaba la mayor parte de la carga presurizada y no presurizada y proporcionaba prácticamente toda la capacidad de recuperación de masa descendente (la capacidad de reentrada no destructiva de la carga). [8] [ necesita actualización ]

Capacidades de los vehículos de carga

Baker y Eichstadt también escribieron, en 2005: [8]

Es necesario comprender los requisitos futuros de carga de la ISS para dimensionar un vehículo de carga comercial diseñado para reemplazar las capacidades del transbordador y aumentar los vehículos alternativos planificados actualmente. Es difícil establecer estimaciones precisas de los requisitos de transferencia de carga de la ISS debido a los cambios constantes en los requisitos logísticos, los niveles de atención de la tripulación, la disponibilidad de vehículos y el papel cambiante que desempeñará la ISS en los objetivos de exploración e investigación espacial de la NASA.
Se muestra un aumento de la necesidad de entrega de carga no presurizada durante los años 2007-2010. Este aumento de la tasa es el resultado de un plan actual para preposicionar repuestos no presurizados en la ISS antes del retiro del transbordador. La provisión de un transportador de carga comercial capaz de transportar repuestos no presurizados para complementar el transbordador elimina la necesidad de preposicionamiento y alinea los promedios estimados durante 2007-2010 a aproximadamente 24.000 kg para carga presurizada y 6.800 kg para carga no presurizada. Si se considera la capacidad de entrega de los sistemas restantes después de que se retire el transbordador, se obtiene.
El retiro del transbordador y la dependencia de Progress, ATV y HTV para la logística de la ISS no permitirán recuperar significativamente la capacidad de transporte de carga. Además, no hay evidencia que sugiera que alguno de estos sistemas de transporte de carga pueda aumentar la producción y las tasas de lanzamiento para cubrir la deficiencia de entrega de carga.

Oportunidad comercial

Baker y Eichstadt también escribieron, en 2005: [8]

Además de las deficiencias en el soporte de la ISS, existen oportunidades alternativas para un sistema de transporte de carga comercial. El retiro del transbordador también resultará en la incapacidad de realizar investigaciones en órbita terrestre baja (LEO) independientemente de la ISS. Un servicio de carga útil comercial podría servir como una plataforma de investigación de vuelo libre para satisfacer esta necesidad. A medida que surjan requisitos de soporte logístico para la iniciativa de exploración espacial de la NASA, se podrá utilizar el sistema comercial existente.
Por último, el interés naciente en el desarrollo de estaciones espaciales comerciales no gubernamentales debe tener en cuenta las cuestiones de reabastecimiento. Sin duda, estas consideraciones se someterán a un análisis de fabricación/compra. Los sistemas existentes que han amortizado sus costos de desarrollo en múltiples programas gubernamentales y no gubernamentales deberían favorecer una decisión de "compra" por parte de los operadores de estaciones espaciales comerciales. A medida que surjan estos mercados, las empresas comerciales estarán en condiciones de proporcionar servicios logísticos a una fracción del costo de los sistemas desarrollados por el gobierno. Las economías de escala resultantes beneficiarán a ambos mercados. Esta conclusión fue alcanzada por un estudio de Price-Waterhouse encargado por la NASA en 1991. [9] El estudio concluyó que el valor del servicio de módulo comercial basado en activos de vuelo de SPACEHAB con un valor actual neto estimado de $160 millones habría costado al gobierno de los EE. UU. más de mil millones de dólares para desarrollarlo y operarlo utilizando el costo estándar más la contratación. Las operaciones y desarrollos comerciales de SPACEHAB (como el Transportador de Carga Integrado) desde 1991 representan ahorros de costos adicionales con respecto a los sistemas de propiedad y operación del gobierno.
Las empresas comerciales tienen más probabilidades de invertir eficientemente capital privado en mejoras de servicios, disponibilidad continua garantizada y mayor capacidad de servicio. Esta tendencia, habitual en aplicaciones no aeroespaciales, ha sido demostrada por SPACEHAB en el mercado de sistemas espaciales comerciales mediante mejoras continuas de módulos e introducción de nuevos transportadores logísticos.
Las deficiencias en la capacidad de transporte de carga de la ISS, las oportunidades emergentes y la experiencia adquirida en las operaciones terrestres y aéreas existentes de SPACEHAB han fomentado el desarrollo del Servicio de Carga Comercial (CPS). Como sistema desarrollado comercialmente, SPACEHAB reconoce que para optimizar su capacidad y asequibilidad es necesario adoptar ciertos enfoques en el desarrollo y las operaciones del sistema.
El primer enfoque impone requisitos moderados al sistema. La introducción de capacidades fundamentales en la fase inicial y la incorporación de capacidades mejoradas más adelante reducen el costo de lanzamiento y acortan el tiempo de desarrollo.
El segundo es la utilización de la tecnología y las capacidades existentes, cuando sea apropiado. Una característica típica de los programas de la NASA es la búsqueda continua de tecnologías de reciente desarrollo. Si bien es atractiva desde la perspectiva del avance técnico, esta búsqueda es costosa y a menudo no genera capacidades operativas. Un módulo de carga desarrollado comercialmente maximizará el uso de las tecnologías existentes (listas para usar, siempre que sea posible) y buscará avances técnicos solo cuando los requisitos del sistema o las condiciones del mercado impulsen la necesidad de tales avances. Además, los costos asociados con el desarrollo de naves espaciales no se limitan a los asociados con los sistemas del vehículo. También deben considerarse los costos significativos asociados con la infraestructura. Las instalaciones de logística y procesamiento de vehículos existentes de SPACEHAB, ubicadas junto con el campo de lanzamiento Eastern y en las instalaciones Sea Launch, permiten evitar costos significativos de desarrollo del sistema.
Por último, SPACEHAB ha logrado reducir los costos y el cronograma al emplear procesos comerciales en lugar de procesos gubernamentales. Como resultado, el modelo de integración de la misión de SPACEHAB para un portaaviones basado en el transbordador es de 14 meses, en comparación con los 22 meses para un módulo logístico multipropósito (MPLM) basado en el transbordador similar. [10]

Capacidad de transferencia de rack

Baker y Eichstadt también escribieron, en 2005: [8]

La ISS utiliza el International Standard Payload Rack (ISPR) como la estructura principal de alojamiento de carga útil y experimentos en todos los módulos operados por los EE. UU. La transferencia de ISPR hacia y desde la ISS requiere el paso a través de la escotilla que solo se encuentra en los lugares de atraque del Common Berthing Mechanism (CBM). El diámetro del CBM combinado con las proporciones de ISPR generalmente hace que los diámetros de los vehículos de carga sean de tamaños que solo se pueden acomodar en carenados de carga útil de 5 m lanzados en vehículos de lanzamiento desechables evolucionados (EELV).

Cargas útiles presurizadas de reentrada recuperables

Baker y Eichstadt también escribieron, en 2005: [8]

El vehículo ruso Progress ha servido durante mucho tiempo como vehículo de carga que, al salir de una estación espacial, vuelve a entrar en la atmósfera de forma destructiva, destruyendo toda la "carga" a bordo. Este enfoque funciona de manera muy eficaz para eliminar masa no deseada de una estación espacial. Sin embargo, la NASA ha indicado que el regreso de cargas útiles desde la ISS es altamente deseable [5]. Por lo tanto, un sistema comercial debe examinar las implicaciones de incluir una capacidad de retorno de carga útil presurizada, ya sea en el diseño inicial o como una característica mejorada del servicio que se introducirá en el futuro. Proporcionar dicha capacidad requiere la incorporación de un subsistema de protección térmica, subsistemas de orientación de desorbitación, subsistemas de recuperación de aterrizaje, infraestructura de recuperación terrestre y licencia de la FAA. La recuperación de cargas útiles no presurizadas presenta desafíos únicos asociados con la naturaleza expuesta de los portadores no presurizados. Para implementar un sistema de reentrada recuperable para cargas útiles no presurizadas se requiere el desarrollo de un sistema de encapsulación. Las actividades de encapsulación deben ocurrir de forma autónoma antes del reingreso o como parte de las operaciones asociadas con la carga del portador de carga no presurizada con la carga de retorno. En cualquier caso, el costo adicional asociado con los sistemas de la nave espacial o el aumento de los requisitos operativos serán mayores que simplemente cargar y partir de un portador presurizado para un reingreso destructivo.

Capacidad de manifiesto mixto

Baker y Eichstadt también escribieron, en 2005: [8]

Por lo general, evitar soluciones puntuales brinda flexibilidad a un sistema determinado para proporcionar capacidades variables. El diseño de un transportador de carga que combine sistemas presurizados y no presurizados puede generar un aumento de costos si todos los alojamientos de carga asociados deben volar en cada vuelo. Para evitar costos innecesarios asociados con el diseño y el vuelo de una estructura que se adapte a capacidades relativas fijas de todos los tipos de cargas útiles, se adopta un enfoque modular para el CPS. Los requisitos de transporte de carga previstos para la ISS después de que se retire el transbordador indican que las misiones dedicadas presurizadas y no presurizadas pueden satisfacer los requisitos de masa de la ISS. El uso de características básicas comunes (es decir, módulo de servicio, sistema de acoplamiento, etc.) y la modularización de los elementos del transportador presurizado y no presurizado de la nave espacial garantiza la flexibilidad y, al mismo tiempo, evita las soluciones puntuales.

Transferencia de propulsor

Baker y Eichstadt también escribieron, en 2005: [8]

El segmento ruso de la ISS (RSOS) tiene la capacidad, a través de los mecanismos de acoplamiento de la sonda y el cono, de facilitar la transferencia de combustible. La incorporación de la capacidad de transferencia de combustible plantea problemas internacionales que requieren la coordinación de múltiples organizaciones corporativas y gubernamentales. Dado que los requisitos de combustible de la ISS están adecuadamente cubiertos por el Progress ruso y el ATV de la ESA, se pueden evitar los costos asociados con la incorporación de estas características. Sin embargo, la naturaleza modular del CPS junto con la capacidad inherente de los subsistemas seleccionados permite alternativas económicas a la transferencia de combustible en caso de que las necesidades de la ISS lo requieran.
Los costos indirectos considerados en el desarrollo de la arquitectura CPS incluyen los requisitos de licencia asociados con las Regulaciones Internacionales de Tráfico de Armas (ITAR) y los requisitos de licencia de lanzamiento y entrada comercial de la Administración Federal de Aviación (FAA). La licencia ITAR impulsa una selección cuidadosa de los proveedores de subsistemas del vehículo. Cualquier utilización o fabricación de subsistemas de naves espaciales por entidades no estadounidenses solo puede implementarse una vez que se obtengan las aprobaciones correspondientes del Departamento de Estado y/o Comercio. Los requisitos de licencia de la FAA requieren una selección cuidadosa de los sitios de lanzamiento y aterrizaje. Los vehículos desarrollados por una corporación organizada en los EE. UU., incluso si se lanzan en otro país, requieren una revisión del sistema del vehículo, las operaciones y el programa de seguridad por parte de la FAA para garantizar que los riesgos para las personas y la propiedad estén dentro de los límites aceptables [11].

Masa descendente

Si bien la logística espacial se centra en la masa ascendente , o la masa de la carga útil transportada a la órbita desde la Tierra, las operaciones de la estación espacial también tienen importantes requisitos de masa descendente. El regreso de la carga desde la órbita baja a la Tierra se conoce como transporte de masa descendente , la masa total de la carga útil logística que se devuelve desde el espacio a la superficie de la Tierra para su uso o análisis posterior. [12] La logística de masa descendente es un aspecto importante del trabajo de investigación y fabricación que se realiza en las instalaciones espaciales orbitales. En la década de 2020, el término también comenzó a usarse en el contexto del movimiento de masa hacia y desde otros cuerpos planetarios . Por ejemplo, "la capacidad de masa ascendente y descendente [del módulo de aterrizaje lunar Starship HLS de SpaceX ] superó con creces los requisitos de la NASA" [13]

En el caso de la Estación Espacial Internacional , ha habido períodos de tiempo en los que la capacidad de descenso de masa estuvo severamente restringida. Por ejemplo, durante aproximadamente diez meses desde el momento del retiro del transbordador espacial después de la misión STS-135 en julio de 2011 (y la pérdida resultante de la capacidad del transbordador espacial para devolver masa de carga útil), una preocupación creciente se convirtió en devolver carga de descenso de masa desde la órbita terrestre baja a la Tierra para su uso o análisis posterior. [12] Durante este período de tiempo, de los cuatro vehículos espaciales capaces de llegar y entregar carga a la Estación Espacial Internacional, solo el vehículo ruso Soyuz pudo devolver incluso una carga útil de carga muy pequeña a la Tierra. La capacidad de descenso de masa de carga de la Soyuz fue limitada ya que toda la cápsula espacial se llenó a su capacidad con los tres miembros de la tripulación de la ISS que regresan en cada regreso de la Soyuz. En ese momento, ninguno de los vehículos de reabastecimiento de carga restantes (la Agencia Espacial Rusa Progress , el ATV de la Agencia Espacial Europea (ESA) y el HTV de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA)) podían devolver ninguna carga de descenso de masa para uso o examen terrestre. [12]

Después de 2012, con el atraque exitoso de la nave comercial Dragon de SpaceX durante la misión Dragon C2+ en mayo de 2012, y el inicio de los vuelos de carga operacionales en octubre de 2012, [14] la capacidad de descenso de masa desde la ISS es ahora de 3.000 kilogramos (6.600 lb) por vuelo de la Dragon, un servicio que es proporcionado por la cápsula de carga Dragon de manera rutinaria. [15] Una cápsula de retorno probada en 2018 llamada HTV Small Re-entry Capsule (HSRC) podría usarse en futuros vuelos HTV. [16] La HSRC tiene una capacidad máxima de descenso de masa de 20 kilogramos (44 lb). [17]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab AIAA STLC. «Definición de logística espacial». AIAA . Consultado el 22 de noviembre de 2022 .
  2. ^ Wernher von Braun (1960). Wernher von Braun habla sobre la importancia de la logística espacial. AIAA . Archivado desde el original el 18 de octubre de 2010.
  3. ^ GW Bush, Un renovado espíritu de descubrimiento: La visión del presidente para la exploración espacial estadounidense, enero de 2004.
  4. ^ ab Baker, James D.; Eichstadt, James (mayo de 2005). "Servicio de transporte de carga comercial para la ISS". Acta Astronautica . 57 (2): 257–265. Código Bibliográfico :2005AcAau..57..257B. doi :10.1016/j.actaastro.2005.04.001.
  5. ^ ab Congreso de los Estados Unidos, Ley Nacional de Aeronáutica y del Espacio de 1958, en su forma enmendada, Ley Pública 85-568, 1984.
  6. ^ "El estudio de la gestión de la cadena de suministro y el transporte de materiales se vuelve interplanetario: Logística lunar". Tecnología de negocios de fabricación . 23 (8): 12. 1 de agosto de 2005. Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2012.
  7. ^ "Clases de suministro para la logística de exploración". Gestión de la cadena de suministro interplanetaria y arquitectura logística . Centro de Logística Espacial del MIT. Archivado desde el original el 5 de julio de 2008. Consultado el 8 de agosto de 2011 .
  8. ^ abcdefghi Baker, James D.; Eichstadt, Frank (mayo de 2005). "Servicio de transporte de carga comercial para la ISS". Acta Astronautica . 57 (2): 257–265. Código Bibliográfico :2005AcAau..57..257B. doi :10.1016/j.actaastro.2005.04.001.
  9. ^ Price Waterhouse, Análisis de las alternativas de arrendamiento y compra de la NASA para el módulo de aumento comercial Middeck, 1991.
  10. ^ Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, Plan de implementación del programa de la estación, vol. 6: Integración física de la carga, SSP 50200-06, diciembre de 1997.
  11. ^ Administración Federal de Aviación-Oficina de Transporte Espacial Comercial, 14 CFR, noviembre de 2000 (Capítulo III).
  12. ^ abc Bergin, Chris (20 de abril de 2012). "Cargo up and down: Dragon to demonstrate the importance of downmass". NASA Spaceflight . Consultado el 23 de abril de 2012. "Los viajes de carga en general son vitales para la Estación, sin embargo, sobre todo desde el final de la capacidad masiva de la que disfrutaba la ISS a través de la flota de transbordadores espaciales. Ahora que los orbitadores están retirados, una serie de vehículos de reabastecimiento apuntan a ocupar el lugar vacante, desde los vehículos rusos Progress en curso, hasta el ATV de Europa, el HTV de Japón y, en una medida muy pequeña, los vehículos rusos Soyuz. Sin embargo, fue la capacidad adicional del papel de downmass del transbordador con la ISS lo que a menudo se subestimó durante los últimos años de sus vuelos a la Estación, algo que los vehículos de reabastecimiento rusos, europeos y japoneses no pudieron mitigar una vez que se retiró la flota, salvo la muy pequeña downmass permitida por el Soyuz".
  13. ^ Burghardt, Thomas (20 de abril de 2021). "Después de que la NASA recurra a la Starship de SpaceX para los primeros aterrizajes de Artemis, la agencia busca incorporar vehículos futuros". SpaceNews . Consultado el 21 de abril de 2021 .
  14. ^ "La cápsula de SpaceX regresa con un aterrizaje seguro en el Pacífico". BBC . 28 de octubre de 2012 . Consultado el 23 de diciembre de 2012 .
  15. ^ Black, Charles (24 de diciembre de 2012). "Cuando Dragon hizo realidad los vuelos espaciales comerciales". SEN . Consultado el 26 de diciembre de 2012. La capacidad [de Dragon] para devolver mercancías es actualmente única porque todas las demás naves de suministro regulares (el Vehículo de Transferencia Automatizado (ATV) de Europa, el HTV (o "Kounotori") de Japón y el Progress de Rusia) se queman durante el reingreso controlado.
  16. ^ Hayashi, Kimiyo (13 de diciembre de 2018). "数多くの困難、時間との闘いを乗り越えて。小型回収カプセルが拓く未来" (en japonés) . Consultado el 22 de enero de 2019 . ... 貨物船「こうのとり」は残り2機（8号機、9号機）で終了となり、2021年度に打ち上げ予定の新型宇宙ステーション補給機HTV-Xにバトンタッチする。今回と同様の小型回収カプセル実験は9号機で再度行う可能性はあるが、自立的な回収カプセルはHTV-Xが運ぶことになるだろう。 ...
  17. ^ "日本独自の宇宙回収カプセル開発進む ＩＳＳの実験試料を迅速に研究者へ 有人船に応用も". Sankei Shimbun (en japonés). 18 de marzo de 2018 . Consultado el 10 de abril de 2018 . ... 回収能力はわずか約２０キロ。試料を冷蔵する場合は５キロ足らずだ。 ...

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