La prevención de colisiones de naves espaciales es la implementación y el estudio de procesos que minimizan la posibilidad de que una nave espacial en órbita colisione inadvertidamente con otros objetos en órbita. El tema más común de la investigación y el desarrollo de prevención de colisiones de naves espaciales es el de los satélites artificiales en órbitas geocéntricas . El tema incluye procedimientos diseñados para prevenir la acumulación de desechos espaciales en órbita, métodos analíticos para predecir colisiones probables y procedimientos de prevención para maniobrar las naves espaciales en conflicto y alejarlas del peligro.
La velocidad orbital alrededor de cuerpos grandes (como la Tierra ) es rápida, lo que hace que se utilice una energía cinética significativa en las colisiones en órbita. Por ejemplo, a la velocidad orbital baja de la Tierra de ~7,8 km/s, dos naves espaciales que colisionen perpendicularmente se encontrarían a ~12,2 km/s. Casi ningún material estructuralmente sólido conocido puede soportar un impacto tan enérgico. La mayor parte del satélite se vaporizaría instantáneamente por la colisión y se rompería en una miríada de pedazos expulsados con fuerza en todas direcciones. Debido a esto, es probable que cualquier nave espacial que colisione con otro objeto en órbita sufra daños críticos o quede completamente destruida.
Si se permite que una masa crítica de desechos espaciales se acumule en la órbita terrestre, se podría producir una serie de colisiones en cascada entre satélites en órbita y otros objetos, lo que se conoce como el síndrome de Kessler . Más colisiones generarían nuevos fragmentos más pequeños que generarían más colisiones, y así sucesivamente. El bucle de retroalimentación positiva resultante crearía regiones fuera de los límites en órbita debido al riesgo de colisión y, finalmente, bloquearía por completo el acceso al espacio debido al arriesgado ascenso a través de órbitas llenas de desechos durante el lanzamiento.
De todos los satélites lanzados por vehículos de lanzamiento artificiales que permanecen en órbita terrestre en la actualidad, muy pocos siguen en funcionamiento. A fecha de septiembre de 2021, la Oficina de Residuos Espaciales de la ESA estima que algo más de la mitad de los satélites en el espacio siguen en funcionamiento. [1]
Si bien la cantidad de satélites lanzados a la órbita es relativamente baja en comparación con la cantidad de espacio disponible en órbita alrededor de la Tierra, se producen situaciones de riesgo y colisiones ocasionales. La colisión de satélites de 2009 destruyó por completo ambas naves espaciales y dio lugar a la creación de aproximadamente 1000 nuevos fragmentos de desechos espaciales de más de 10 cm (4 pulgadas) y muchos más pequeños. [2]
Existen otros materiales más pequeños en órbita alrededor de la Tierra que también podrían causar daños importantes a los satélites. Se trata de objetos relativamente pequeños, como micrometeoritos , restos de colisiones de satélites o pequeños satélites naturales.
Estos objetos parecen inofensivos, pero incluso partículas diminutas como motas de pintura pueden dañar las naves espaciales. [3] Las motas de pintura provocaron la necesidad de reemplazar ventanas después de muchos vuelos del transbordador espacial . [4]
Muchas empresas están lanzando grandes constelaciones de satélites para proporcionar comunicaciones de alta velocidad y acceso a Internet desde la órbita baja terrestre , en concreto las constelaciones Starlink de SpaceX y el Proyecto Kuiper planificado por Amazon . Se prevé que cada uno de estos sistemas utilice decenas de miles de satélites, lo que aumentará enormemente el número total de satélites y agravará los problemas de los desechos espaciales.
Se aplican varias prácticas recomendadas para minimizar la cantidad de objetos lanzados que se convierten en desechos espaciales incontrolables, y la técnica varía según la órbita del objeto. La mayoría de las medidas de protección garantizan que los satélites y otros objetos artificiales solo permanezcan en sus órbitas operativas mientras sean funcionales y controlables. Estas responsabilidades recaen en el operador del satélite, que está obligado por acuerdos internacionales sobre cómo deshacerse de los objetos en órbita.
Los objetos lanzados a trayectorias suborbitales se desorbitarán rápidamente debido a la resistencia atmosférica. Entre ellos se incluyen los satélites lanzados en cohetes de sondeo diseñados para regresar rápidamente de la órbita y las etapas de propulsión de cohetes que gastan su combustible antes de alcanzar la velocidad orbital. Los satélites en trayectorias suborbitales no suelen requerir ningún cuidado intencional por parte del operador para garantizar el reingreso y su eliminación.
El tanque externo del transbordador espacial está diseñado para desecharse rápidamente después del lanzamiento. El gran tanque externo permanece unido al transbordador espacial desde el despegue hasta que este y el transbordador viajan a una velocidad ligeramente inferior a la orbital y alcanzan una altitud de aproximadamente 113 km (70 mi), momento en el que se desprende y sigue una trayectoria balística para reingresar rápidamente a la atmósfera. La mayor parte del tanque externo se desintegra debido al calor de la reentrada, mientras que el transbordador utiliza propulsores de control de reacción para completar su inserción orbital. [5]
La gran mayoría de los satélites artificiales y estaciones espaciales orbitan en órbitas terrestres bajas (LEO, por sus siglas en inglés), [6] con altitudes medias inferiores a 2000 km (1200 mi). Los satélites LEO están cerca de las partes más gruesas de la atmósfera, donde es posible un reingreso seguro, porque el Delta-v requerido para desacelerar desde LEO es pequeño. La mayoría de los satélites LEO utilizan el último combustible de mantenimiento de la posición que les queda a bordo (utilizado para mantener la órbita del satélite contra fuerzas como la fricción atmosférica que perturban gradualmente la órbita) para ejecutar quemas de desorbitación y deshacerse de ellos mismos. [7]
La facilidad de acceso para desorbitar los satélites LEO al final de su vida útil lo convierte en un método exitoso para controlar el riesgo de desechos espaciales en LEO.
Las órbitas con altitudes medias superiores a la órbita terrestre baja (como las órbitas terrestres medias (MEO), las órbitas geoestacionarias ( GSO/GEO) y otras) están lejos de las partes más densas de la atmósfera, lo que hace que las quemas de desorbitación completas sean mucho más imprácticas. Pocos diseños de satélites tienen márgenes de combustible suficientes para poder permitirse una maniobra de este tipo al final de su vida útil.
Los satélites que se encuentren en altitudes cercanas al límite inferior de la MEO pueden utilizar la "regla de los 25 años" para desacelerar con propulsión a bordo de modo que se salgan de órbita en un plazo de 25 años, pero esta disposición sólo se permite si los operadores de satélites pueden demostrar mediante análisis estadístico que hay menos de una probabilidad de 1/10.000 de que la reentrada atmosférica cause lesiones humanas o daños materiales. Los satélites desechados de esta manera vuelven a entrar en la atmósfera en una zona del Océano Pacífico Sur alejada de las zonas habitadas llamada cementerio de naves espaciales . [8]
Las naves espaciales que orbitan a altitudes superiores entre la órbita baja y la órbita terrestre alta (HEO), más comúnmente en la órbita geoestacionaria (GSO) y la órbita geoestacionaria (GEO), sumamente específicas y concurridas, están demasiado lejos para hacer uso de la "regla de los 25 años". La GSO y la GEO requieren que el plano orbital sea casi perfectamente ecuatorial y la altitud sea lo más cercana posible a una órbita perfectamente circular de 35.786 km (22.236 mi), lo que significa que el espacio es limitado y no se puede permitir que los satélites permanezcan allí más allá de su vida útil. En lugar de desacelerar para el reingreso, la mayoría de los satélites a estas altitudes aceleran ligeramente hacia órbitas cementerio más altas , donde permanecerán para siempre fuera del camino de la interacción con los satélites operativos.
Históricamente, muchos diseños de lanzadores multietapa gastaban completamente su combustible para alcanzar la órbita y dejaban sus etapas de cohetes gastadas en órbita, como en la antigua familia soviética de cohetes Zenit . [9] Estas etapas superiores son grandes satélites artificiales, que dependiendo de la órbita pueden tardar muchos años en reingresar.
La mayoría de los diseños modernos incluyen márgenes de combustible suficientes para quemar combustible después de inyectar la carga útil en órbita. El Falcon 9 de SpaceX es un vehículo de lanzamiento diseñado para minimizar el efecto de su etapa superior sobre los desechos espaciales. El cohete está compuesto por dos etapas, la primera de las cuales es suborbital. Reingresa a los pocos minutos del lanzamiento, ya sea utilizando intencionalmente el combustible reservado para la recuperación de la etapa para aterrizar y reutilizarlo o se lo deja continuar en su trayectoria balística y desintegrarse al reingresar a la atmósfera.
Las segundas etapas del Falcon 9 se manejan utilizando diferentes técnicas según la órbita. Para las órbitas terrestres bajas , la segunda etapa utiliza el combustible restante para realizar una combustión de desorbitación y desintegrarse en la atmósfera. Las etapas varadas en órbitas terrestres medias , como las órbitas de transferencia geoestacionarias (GTO) y la órbita geoestacionaria (GEO), generalmente no tienen suficiente combustible para desorbitarse por sí mismas. Las trayectorias GTO están diseñadas de tal manera que la órbita de la segunda etapa se desintegrará naturalmente y volverá a entrar en la atmósfera después de unos meses, mientras que las etapas de las misiones que apuntan a la inserción directa en GEO permanecerán durante mucho más tiempo. [10]
La mayoría de las predicciones de riesgo de impacto se calculan utilizando bases de datos de objetos en órbita con parámetros orbitales como la posición y la velocidad medidos mediante observaciones terrestres. La Red de Vigilancia Espacial del Departamento de Defensa de los Estados Unidos mantiene un catálogo de todos los objetos en órbita conocidos de tamaño aproximadamente igual o mayor que el de una pelota de béisbol . La información sobre artículos más pequeños de desechos espaciales es menos precisa o desconocida. [4]
Una vez que se conoce con precisión la órbita exacta de un objeto, el SSN del Departamento de Defensa publica los parámetros conocidos para su análisis público en space-track.org del Departamento de Defensa Archivado el 17 de noviembre de 2020 en Wayback Machine y en el Archivo Coordinado de Datos de Ciencia Espacial de la NASA. La órbita del objeto se puede proyectar entonces hacia el futuro, estimando dónde se ubicará y la probabilidad de que tenga un encuentro cercano con otro objeto en órbita. Las proyecciones de órbita a largo plazo tienen grandes barras de error debido a los efectos gravitacionales complicados que perturban gradualmente la órbita (similares a los del problema de los tres cuerpos ) y los errores de medición de los equipos de seguimiento terrestre. Por estas razones, los métodos para una medición y estimación más precisas son un campo activo de investigación.
La NASA realiza proyecciones orbitales y evalúa el riesgo de colisión de objetos conocidos de más de 10 cm (4 pulgadas). En el caso de activos críticos como la Estación Espacial Internacional , se realizan evaluaciones para el riesgo de que cualquier objeto atraviese una región rectangular a media milla (1,25 km) por encima/por debajo y 15 millas (25 km) por delante/por detrás en órbita y a ambos lados de la nave espacial. Esta zona de alto riesgo se conoce como la "caja de pizza" debido a la forma que se asemeja. [4]
Las técnicas actuales de prevención se basan en modificar ligeramente la órbita para minimizar el riesgo de colisión y luego devolver la nave espacial a su órbita anterior una vez que haya pasado el evento de riesgo. El método exacto utilizado para realizar ajustes orbitales difiere según los controles disponibles en la nave espacial. Las maniobras de prevención de colisiones a veces también se denominan maniobras de prevención de desechos (DAM, por sus siglas en inglés) cuando el objeto ofensivo es un artículo de desechos espaciales.
La NASA utiliza maniobras de evasión si el riesgo de colisión se identifica con suficiente antelación y el riesgo es alto. La política de la NASA para las naves espaciales tripuladas, que tienen propulsión a bordo, como el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional (acordada por todos los socios internacionales) requiere la planificación de maniobras de evasión si la probabilidad de colisión es alta [4].
Hasta agosto de 2020, la ISS ha realizado 27 maniobras para evitar colisiones desde su lanzamiento inicial en 1999 y la tendencia es al alza con el tiempo. La clase de desechos más peligrosa para el segmento orbital estadounidense son aquellos de entre 1 y 10 cm. [3] La población de desechos en este rango de tamaño es significativa y difícil de rastrear con precisión con los métodos actuales, por lo que merece más investigación.
Estas maniobras de evasión casi siempre se llevan a cabo mediante el encendido de los propulsores de control de reacción a bordo, aunque pueden estar involucrados otros sistemas de orientación de satélites y naves espaciales como Magnetorquers , ruedas de reacción y giroscopios de momento de control . La ISS también puede utilizar los motores principales de una nave espacial de carga acoplada, generalmente una nave espacial Progress o un vehículo de transferencia automatizado . Las maniobras cambian ligeramente la trayectoria orbital y generalmente se realizan horas antes del evento de riesgo para permitir que los efectos del cambio orbital surtan efecto. [4]
Cuando dos operadores de satélites reciben una notificación de una posible colisión, uno o ambos operadores pueden decidir maniobrar su satélite, por ejemplo, la ESA y SpaceX en 2019. [11]
Investigaciones recientes han desarrollado algoritmos para ayudar en los esfuerzos de prevención de colisiones dentro de grandes constelaciones de satélites, [12] aunque se desconoce si dicha investigación se ha implementado en alguna constelación GNC activa .
Otro uso de una maniobra de prevención de colisiones es abortar un acoplamiento automático, y dicho procedimiento está integrado en el software que controla el acoplamiento de los vehículos de transferencia automática a la ISS. Esto puede ser iniciado por la tripulación a bordo de la estación espacial, como una anulación de emergencia, en caso de que surja un problema durante el acoplamiento. [13] Esta maniobra se demostró poco después del lanzamiento del primer ATV, Jules Verne , y posteriormente durante las aproximaciones de demostración a la estación que realizó a fines de marzo de 2008.
La mayoría de los satélites lanzados por humanos sin propulsión a bordo son pequeños CubeSats que dependen de dispositivos alternativos para el control de la orientación. A escala de objetos pequeños como CubeSats, las fuerzas relacionadas con la gran superficie relativa en proporción a la masa se vuelven significativas. Los CubeSats suelen lanzarse a la órbita baja terrestre , donde la atmósfera aún proporciona una pequeña cantidad de resistencia aerodinámica.
La resistencia aerodinámica de los satélites pequeños en órbita terrestre baja se puede utilizar para cambiar ligeramente las órbitas y evitar colisiones con desechos modificando la superficie expuesta a la resistencia atmosférica, alternando entre configuraciones de baja y alta resistencia para controlar la desaceleración. [14]
Los intentos de aliviar posibles colisiones se complican por factores que incluyen si
Todos estos sucesos limitan las opciones estratégicas para la reducción del riesgo de colisión de diferentes maneras. Muy poco puede evitar la colisión proyectada si ambos objetos no tienen capacidades de control. Si solo uno de los objetos es un satélite operativo, sería el único que contribuiría a una maniobra de evasión, lo que reduciría significativamente o agotaría por completo las reservas de combustible restantes. El satélite también puede no tener suficiente combustible para completar la maniobra correctamente, lo que reduciría su eficacia.
Las maniobras para evitar colisiones requieren un tiempo de planificación y ejecución considerable, lo que puede ser un problema si el riesgo no se prevé con suficiente antelación. La propulsión de las naves espaciales suele ser débil y depende de largos periodos de combustión para cambiar sus órbitas, y el cambio de velocidad suele requerir una fracción significativa de una órbita completa para producir el efecto deseado.
Por ejemplo, las maniobras que normalmente realiza la Estación Espacial Internacional para evitar colisiones suelen requerir encendidos de aproximadamente 150 segundos [15] y perturbaciones significativas en las operaciones de la tripulación debido a la reconfiguración lenta y obligatoria de los paneles solares de la estación para evitar daños por los dispositivos de propulsión. En términos generales, el tiempo de reacción más rápido estimado de la ISS desde el funcionamiento normal es de aproximadamente 5 horas y 20 minutos [16] para tener en cuenta el período de configuración de ~3 horas de la reconfiguración de la estación y las ~2 horas de tiempo de espera posterior al encendido para permitir que el cambio de velocidad surta efecto.
La prevención de colisiones es una preocupación durante las ventanas de lanzamiento de los vuelos espaciales . Por lo general, se debe realizar y aprobar una evaluación de colisión en el lanzamiento (COLA) antes de lanzar un satélite. Se dice que una ventana de lanzamiento tiene un período de inactividad de COLA durante los intervalos en los que el vehículo no puede despegar para garantizar que su trayectoria no lo lleve demasiado cerca de otro objeto que ya esté en el espacio. [17]
