Las naves espaciales no tripuladas o robóticas son naves espaciales sin personas a bordo. Las naves espaciales no tripuladas pueden tener distintos niveles de autonomía respecto de la intervención humana; pueden ser controlados a distancia , guiados a distancia o autónomos : tienen una lista preprogramada de operaciones, que ejecutarán a menos que se les indique lo contrario. Una nave espacial robótica para mediciones científicas suele denominarse sonda espacial u observatorio espacial .
Muchas misiones espaciales son más adecuadas para operaciones telerobóticas que para operaciones tripuladas , debido a su menor costo y factores de riesgo. Además, algunos destinos planetarios como Venus o las proximidades de Júpiter son demasiado hostiles para la supervivencia humana, dada la tecnología actual. Los planetas exteriores como Saturno , Urano y Neptuno están demasiado distantes para alcanzarlos con la tecnología actual de vuelos espaciales tripulados, por lo que las sondas telerobóticas son la única forma de explorarlos. La telerobótica también permite la exploración de regiones vulnerables a la contaminación por microorganismos terrestres, ya que las naves espaciales pueden esterilizarse. Los seres humanos no pueden ser esterilizados del mismo modo que una nave espacial, ya que coexisten con numerosos microorganismos, y estos microorganismos también son difíciles de contener dentro de una nave espacial o un traje espacial.
La primera misión espacial no tripulada fue el Sputnik , lanzado el 4 de octubre de 1957 para orbitar la Tierra. Casi todos los satélites , módulos de aterrizaje y rovers son naves espaciales robóticas. No todas las naves espaciales no tripuladas son naves espaciales robóticas; por ejemplo, una bola reflectora es una nave espacial no robótica y no tripulada. Las misiones espaciales en las que hay otros animales a bordo, pero ningún ser humano, se denominan misiones no tripuladas.
Muchas naves espaciales habitables también tienen distintos niveles de características robóticas. Por ejemplo, las estaciones espaciales Salyut 7 y Mir , y el módulo de la Estación Espacial Internacional Zarya , eran capaces de realizar maniobras de mantenimiento y acoplamiento remotas guiadas tanto con naves de reabastecimiento como con nuevos módulos. Las naves espaciales de reabastecimiento sin tripulación se utilizan cada vez más para estaciones espaciales tripuladas .
La primera nave espacial robótica fue lanzada por la Unión Soviética (URSS) el 22 de julio de 1951, en un vuelo suborbital que transportaba a dos perros Dezik y Tsygan. [1] Otros cuatro vuelos de este tipo se realizaron hasta el otoño de 1951.
El primer satélite artificial , el Sputnik 1 , fue puesto en una órbita terrestre de 215 por 939 kilómetros (116 por 507 millas náuticas) por la URSS el 4 de octubre de 1957. El 3 de noviembre de 1957, la URSS puso en órbita el Sputnik 2 . Con un peso de 113 kilogramos (249 lb), el Sputnik 2 puso en órbita al primer animal, la perra Laika . [2] Dado que el satélite no fue diseñado para separarse de la etapa superior de su vehículo de lanzamiento , la masa total en órbita fue de 508,3 kilogramos (1121 libras). [3]
En una reñida carrera con los soviéticos , Estados Unidos lanzó su primer satélite artificial, el Explorer 1 , en una órbita de 357 por 2543 kilómetros (193 por 1373 millas náuticas) el 31 de enero de 1958. El Explorer I era un satélite de 205 centímetros (80,75 millas náuticas). pulgadas) de largo por un cilindro de 15,2 centímetros (6,00 pulgadas) de diámetro que pesa 14,0 kilogramos (30,8 libras), en comparación con el Sputnik 1, una esfera de 58 centímetros (23 pulgadas) que pesaba 83,6 kilogramos (184 libras). El Explorer 1 llevaba sensores que confirmaron la existencia de los cinturones de Van Allen, un importante descubrimiento científico en aquel momento, mientras que el Sputnik 1 no llevaba sensores científicos. El 17 de marzo de 1958, Estados Unidos puso en órbita su segundo satélite, Vanguard 1 , que era aproximadamente del tamaño de una toronja y permanece en una órbita de 670 por 3850 kilómetros (360 por 2080 millas náuticas) en 2016 [actualizar].
El primer intento de sonda lunar fue la Luna E-1 No.1 , lanzada el 23 de septiembre de 1958. El objetivo de una sonda lunar fracasó repetidamente hasta el 4 de enero de 1959, cuando Luna 1 orbitó alrededor de la Luna y luego del Sol.
El éxito de estas primeras misiones inició una carrera entre Estados Unidos y la URSS para superarse mutuamente con sondas cada vez más ambiciosas. Mariner 2 fue la primera sonda en estudiar otro planeta, revelando a los científicos la temperatura extremadamente alta de Venus en 1962, mientras que la soviética Venera 4 fue la primera sonda atmosférica en estudiar Venus. El sobrevuelo de la Mariner 4 a Marte en 1965 tomó las primeras imágenes de su superficie llena de cráteres, a las que los soviéticos respondieron unos meses más tarde con imágenes de su superficie tomadas por Luna 9 . En 1967, el Surveyor 3 de Estados Unidos recopiló información sobre la superficie de la Luna que resultaría crucial para la misión Apolo 11 que llevó humanos a la Luna dos años después. [4]
La primera sonda interestelar fue la Voyager 1 , lanzada el 5 de septiembre de 1977. Entró en el espacio interestelar el 25 de agosto de 2012, [5] seguida por su gemela Voyager 2 el 5 de noviembre de 2018. [6]
Otros nueve países han lanzado con éxito satélites utilizando sus propios vehículos de lanzamiento: Francia (1965), [7] Japón [8] y China (1970), [9] el Reino Unido (1971), [10] India (1980), [ 11] Israel (1988), [12] Irán (2009), [13] Corea del Norte (2012), [14] y Corea del Sur (2022). [15]
La telerobótica se convierte en telepresencia cuando el retardo de tiempo es lo suficientemente corto como para permitir que los humanos controlen la nave espacial casi en tiempo real. Incluso el retraso de dos segundos en la velocidad de la luz de la Luna está demasiado lejos para la exploración por telepresencia desde la Tierra. Las posiciones L1 y L2 permiten retrasos de ida y vuelta de 400 milisegundos, lo que es lo suficientemente cercano para la operación de telepresencia. También se ha sugerido la telepresencia como una forma de reparar satélites en órbita terrestre desde la Tierra. El Simposio de Exploración Telerobótica de 2012 exploró este y otros temas. [dieciséis]
En el diseño de naves espaciales, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos considera que un vehículo está formado por la carga útil de la misión y el autobús (o plataforma). El autobús proporciona estructura física, control térmico, energía eléctrica, control de actitud y telemetría, seguimiento y mando. [17]
El JPL divide el "sistema de vuelo" de una nave espacial en subsistemas. [18] Estos incluyen:
La estructura física principal, que
A veces se lo denomina subsistema de comando y datos. A menudo es responsable de:
Este sistema es el principal responsable de la orientación correcta de la nave espacial en el espacio (actitud) a pesar de las perturbaciones externas: efectos del gradiente de gravedad, pares del campo magnético, radiación solar y resistencia aerodinámica; Además, puede ser necesario reposicionar piezas móviles, como antenas y paneles solares. [19]
La detección integrada incorpora un algoritmo de transformación de imágenes para interpretar los datos terrestres de las imágenes inmediatas, realizar una detección en tiempo real y evitar peligros del terreno que puedan impedir el aterrizaje seguro y aumentar la precisión del aterrizaje en un sitio de interés deseado utilizando técnicas de localización de puntos de referencia. La detección integrada completa estas tareas confiando en información pregrabada y cámaras para comprender su ubicación y determinar su posición y si es correcta o necesita hacer alguna corrección (localización). Las cámaras también se utilizan para detectar posibles peligros, ya sea un aumento del consumo de combustible o un peligro físico, como un mal lugar de aterrizaje en un cráter o acantilado, que haría que el aterrizaje no fuera ideal (evaluación de peligros).
En las misiones de exploración planetaria que involucran naves espaciales robóticas, existen tres partes clave en los procesos de aterrizaje en la superficie del planeta para garantizar un aterrizaje seguro y exitoso. [20] Este proceso incluye una entrada al campo de gravedad planetario y a la atmósfera, un descenso a través de esa atmósfera hacia una región de valor científico prevista/objetivo, y un aterrizaje seguro que garantice que se preserve la integridad de la instrumentación de la nave. Mientras la nave robótica atraviesa esas zonas, también debe ser capaz de estimar su posición en comparación con la superficie para garantizar un control fiable de sí misma y su capacidad de maniobra. La nave espacial robótica también debe realizar de manera eficiente evaluaciones de peligros y ajustes de trayectoria en tiempo real para evitar peligros. Para lograr esto, la nave espacial robótica requiere un conocimiento preciso de dónde está ubicada en relación con la superficie (localización), qué puede representar un peligro desde el terreno (evaluación de peligros) y hacia dónde debe dirigirse actualmente la nave espacial (evitación de peligros). Sin la capacidad de realizar operaciones de localización, evaluación y evitación de peligros, la nave espacial robótica se vuelve insegura y puede entrar fácilmente en situaciones peligrosas, como colisiones en superficies, niveles indeseables de consumo de combustible y/o maniobras inseguras.
Los componentes del subsistema de telecomunicaciones incluyen antenas de radio, transmisores y receptores. Estos pueden usarse para comunicarse con estaciones terrestres en la Tierra o con otras naves espaciales. [21]
El suministro de energía eléctrica en las naves espaciales generalmente proviene de células fotovoltaicas (solares) o de un generador termoeléctrico de radioisótopos . Otros componentes del subsistema incluyen baterías para almacenar energía y circuitos de distribución que conectan los componentes a las fuentes de energía. [22]
Las naves espaciales suelen estar protegidas de las fluctuaciones de temperatura con aislamiento. Algunas naves espaciales utilizan espejos y parasoles como protección adicional contra el calentamiento solar. También suelen necesitar protección contra micrometeoroides y desechos orbitales. [23]
La propulsión de naves espaciales es un método que permite a una nave espacial viajar a través del espacio generando empuje para empujarla hacia adelante. [24] Sin embargo, no existe un sistema de propulsión universalmente utilizado: monopropulsor, bipropulsor, propulsión iónica, etc. Cada sistema de propulsión genera empuje de formas ligeramente diferentes y cada sistema tiene sus propias ventajas y desventajas. Pero la mayor parte de la propulsión de las naves espaciales actuales se basa en motores de cohetes . La idea general detrás de los motores de cohetes es que cuando un oxidante entra en contacto con la fuente de combustible, se produce una liberación explosiva de energía y calor a altas velocidades, lo que impulsa la nave espacial hacia adelante. Esto sucede debido a un principio básico conocido como Tercera Ley de Newton . Según Newton, "a toda acción le corresponde una reacción igual y opuesta". A medida que la energía y el calor se liberan desde la parte trasera de la nave espacial, las partículas de gas son empujadas para permitir que la nave espacial avance. La razón principal detrás del uso de motores de cohetes en la actualidad es que los cohetes son la forma de propulsión más poderosa que existe.
Para que funcione un sistema de propulsión, suele haber una línea de oxidante y una línea de combustible. De esta forma se controla la propulsión de la nave espacial. Pero en una propulsión monopropulsor, no hay necesidad de una línea de oxidante y solo se requiere la línea de combustible. [25] Esto funciona debido a que el oxidante está unido químicamente a la propia molécula de combustible. Pero para que el sistema de propulsión pueda ser controlado, la combustión del combustible sólo puede ocurrir debido a la presencia de un catalizador . Esto es bastante ventajoso debido a que hace que el motor del cohete sea más liviano y económico, fácil de controlar y más confiable. Pero la desventaja es que la sustancia química es muy peligrosa de fabricar, almacenar y transportar.
Un sistema de propulsión bipropulsor es un motor de cohete que utiliza un propulsor líquido. [26] Esto significa que tanto el oxidante como la línea de combustible están en estado líquido. Este sistema es único porque no requiere ningún sistema de ignición, los dos líquidos se quemarían espontáneamente tan pronto como entraran en contacto entre sí y producirían la propulsión para empujar la nave espacial hacia adelante. El principal beneficio de contar con esta tecnología es que este tipo de líquidos tienen una densidad relativamente alta, lo que permite que el volumen del tanque de propulsor sea pequeño, aumentando así la eficiencia espacial. El inconveniente es el mismo que el del sistema de propulsión monopropulsor: muy peligroso de fabricar, almacenar y transportar.
Un sistema de propulsión iónica es un tipo de motor que genera empuje mediante bombardeo de electrones o aceleración de iones. [27] Al disparar electrones de alta energía a un átomo propulsor (carga neutra), se eliminan electrones del átomo propulsor y esto da como resultado que el átomo propulsor se convierta en un átomo cargado positivamente. Los iones cargados positivamente son guiados para pasar a través de rejillas cargadas positivamente que contienen miles de orificios alineados con precisión que funcionan a altos voltajes. Luego, los iones cargados positivamente alineados aceleran a través de una rejilla aceleradora cargada negativa que aumenta aún más la velocidad de los iones hasta 40 kilómetros por segundo (90.000 mph). El impulso de estos iones cargados positivamente proporciona el empuje necesario para impulsar la nave espacial hacia adelante. La ventaja de tener este tipo de propulsión es que es increíblemente eficiente para mantener la velocidad constante, necesaria para los viajes al espacio profundo. Sin embargo, la cantidad de empuje producido es extremadamente baja y necesita mucha energía eléctrica para funcionar.
A menudo es necesario mover los componentes mecánicos para su despliegue después del lanzamiento o antes del aterrizaje. Además del uso de motores, muchos movimientos únicos se controlan mediante dispositivos pirotécnicos . [28]
Las naves espaciales robóticas son sistemas diseñados específicamente para un entorno hostil específico. [29] Debido a su especificación para un entorno particular, varía mucho en complejidad y capacidades. Mientras que una nave espacial no tripulada es una nave espacial sin personal ni tripulación y es operada por control automático (procede con una acción sin intervención humana) o remoto (con intervención humana). El término "nave espacial sin tripulación" no implica que la nave espacial sea robótica.
Las naves espaciales robóticas utilizan la telemetría para enviar por radio a la Tierra los datos adquiridos y la información sobre el estado del vehículo. Aunque generalmente se las denomina "controladas remotamente" o "telerobóticas", las primeras naves espaciales orbitales, como el Sputnik 1 y el Explorer 1, no recibieron señales de control desde la Tierra. Poco después de estas primeras naves espaciales, se desarrollaron sistemas de comando para permitir el control remoto desde tierra. Una mayor autonomía es importante para sondas distantes donde el tiempo de viaje de la luz impide una decisión y un control rápidos desde la Tierra. Las sondas más nuevas, como Cassini-Huygens y Mars Exploration Rovers, son altamente autónomas y utilizan computadoras a bordo para operar de forma independiente durante largos períodos de tiempo. [30] [31]
Una sonda espacial es una nave espacial robótica que no orbita la Tierra, sino que explora más en el espacio exterior. Las sondas espaciales tienen a bordo diferentes conjuntos de instrumentos científicos. Una sonda espacial puede acercarse a la Luna; viajar por el espacio interplanetario; sobrevuelo, órbita o aterrizaje en otros cuerpos planetarios; o entrar en el espacio interestelar. Las sondas espaciales envían los datos recopilados a la Tierra. Las sondas espaciales pueden ser orbitadores, módulos de aterrizaje y rovers. Las sondas espaciales también pueden recolectar materiales de su objetivo y devolverlos a la Tierra. [32] [33]
Una vez que una sonda ha abandonado las proximidades de la Tierra, su trayectoria probablemente la llevará a lo largo de una órbita alrededor del Sol similar a la órbita de la Tierra. Para llegar a otro planeta, el método práctico más sencillo es una órbita de transferencia de Hohmann . Técnicas más complejas, como los tirachinas gravitacionales , pueden ahorrar más combustible, aunque pueden requerir que la sonda pase más tiempo en tránsito. Algunas misiones de alto Delta-V (como aquellas con grandes cambios de inclinación ) sólo pueden realizarse, dentro de los límites de la propulsión moderna, utilizando tirachinas gravitacionales. Una técnica que utiliza muy poca propulsión, pero que requiere una cantidad de tiempo considerable, consiste en seguir una trayectoria en la Red de Transporte Interplanetario . [34]
Un telescopio espacial u observatorio espacial es un telescopio en el espacio exterior utilizado para observar objetos astronómicos. Los telescopios espaciales evitan el filtrado y la distorsión de la radiación electromagnética que observan y evitan la contaminación lumínica con la que se encuentran los observatorios terrestres . Se dividen en dos tipos: satélites que cartografian todo el cielo ( estudio astronómico ) y satélites que se centran en objetos astronómicos seleccionados o partes del cielo y más allá. Los telescopios espaciales son distintos de los satélites de imágenes de la Tierra , que apuntan hacia la Tierra para obtener imágenes satelitales , aplicadas para análisis meteorológico , espionaje y otros tipos de recopilación de información .
Las naves espaciales de carga o de reabastecimiento son naves espaciales robóticas diseñadas específicamente para transportar carga , posiblemente para apoyar el funcionamiento de las estaciones espaciales mediante el transporte de alimentos, propulsor y otros suministros. Esto es diferente de una sonda espacial, cuyas misiones son realizar investigaciones científicas.
Las naves espaciales de carga automatizadas se han utilizado desde 1978 y han dado servicio a Salyut 6 , Salyut 7 , Mir , la Estación Espacial Internacional y la estación espacial Tiangong .
A partir de 2023, se utilizarán tres naves espaciales de carga diferentes para abastecer a la Estación Espacial Internacional : la rusa Progress , la estadounidense SpaceX Dragon 2 y Cygnus . La Tianzhou china se utiliza para abastecer la estación espacial Tiangong .
Se dice que el animal, lanzado en un viaje de ida a bordo del Sputnik 2 en noviembre de 1957, murió sin dolor en órbita aproximadamente una semana después del despegue.
Ahora, se ha revelado que murió por sobrecalentamiento y pánico apenas unas horas después de que comenzara la misión.
La transmisión de información entre la Tierra y las naves espaciales, entre dos o más puntos de la Tierra a través de naves espaciales o utilizando medios artificiales ubicados en el espacio (un cinturón de agujas, una nube de partículas ionizadas, etc.), y entre dos o más naves espaciales. .
Las misiones espaciales actuales muestran un rápido crecimiento en los requisitos de autonomía a bordo.
Este es el resultado del aumento en la complejidad de la misión, la intensidad de la actividad de la misión y la duración de la misión.
Además, en el caso de las naves espaciales interplanetarias, las operaciones se caracterizan por un complicado acceso al control terrestre, debido a las grandes distancias y al entorno relevante del sistema solar[…] Para manejar estos problemas, el diseño de la nave espacial debe incluir alguna forma de capacidad de control autónomo.
La comunicación con la Tierra es sólo dos veces por sol (día marciano), por lo que el rover se encuentra solo (autónomo) durante gran parte de su viaje a través del paisaje marciano.
Los científicos envían comandos al rover en un "enlace ascendente" por la mañana y recopilan datos en un "enlace descendente" por la tarde.
Durante un enlace ascendente, se le dice al rover adónde ir, pero no exactamente cómo llegar allí.
En cambio, el comando contiene las coordenadas de los puntos de referencia hacia un destino deseado.
El rover debe navegar de un punto de referencia a otro sin ayuda humana.
El rover tiene que utilizar su "cerebro" y sus "ojos" para estos casos.
El "cerebro" de cada rover es el software de la computadora a bordo que le dice al rover cómo navegar en función de lo que ven las Hazcams (cámaras para evitar peligros).
Está programado con un conjunto determinado de respuestas a un conjunto determinado de circunstancias.
A esto se le llama "autonomía y evitación de riesgos".
