Encuentro espacial
Serie de maniobras orbitales para acercar dos naves espaciales entre sí

El astronauta Christopher Cassidy utiliza un telémetro para determinar la distancia entre el transbordador espacial Endeavour y la Estación Espacial Internacional.
Encuentro de la etapa de ascenso del módulo lunar Eagle con el módulo de comando Columbia en órbita lunar después de regresar de un aterrizaje

Un encuentro espacial ( / ˈrɒndɪvuː / ) 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 aproximan a una distancia muy cercana (por ejemplo, dentro del 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 permite permanecer a una distancia constante mediante el mantenimiento de la posición orbital . El encuentro puede o no ser seguido por 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 "aterrizar" 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, seguida de un "descenso" que comparte algunas similitudes con el acoplamiento.

Historia

En su primer programa de vuelo espacial tripulado , 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 divergieron lentamente 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 la mecánica orbital compleja en planes de vuelo relativamente simples para mis colegas". [4]

Primer intento fallido

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 encontrarse con la etapa superior de su vehículo de lanzamiento Titan II agotado . McDivitt no pudo acercarse lo suficiente para mantener la posición, debido a problemas de percepción de profundidad y a la ventilación del propulsor de la etapa que lo mantenía en movimiento. [5] Sin embargo, los intentos de encuentro de Gemini 4 no tuvieron éxito en gran medida porque los ingenieros de la NASA aún tenían que aprender la mecánica orbital involucrada en el proceso. Simplemente apuntar la nariz del vehículo activo hacia el objetivo y empujar no tuvo éxito. Si el objetivo está por 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 solo 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 en una órbita más baja, que tiene un período orbital más corto que le permite alcanzarlo, y luego ejecutar una transferencia Hohmann de regreso a la altura orbital original). [6]

Como comentó más tarde el ingeniero de GPO André Meyer: "Hay una buena explicación de lo que salió mal con el encuentro". La tripulación, como todos los demás en MSC , "simplemente no comprendió ni razonó la mecánica orbital involucrada. Como resultado, todos nos volvimos mucho más inteligentes y realmente perfeccionamos las maniobras de encuentro, que Apollo usa ahora".

—  [6]

Primer encuentro exitoso

Gemini 7 fotografiado desde Gemini 6 en 1965

El primer encuentro exitoso lo logró el astronauta estadounidense Wally Schirra el 15 de diciembre de 1965. Schirra maniobró la nave espacial Gemini 6 a 30 cm de su nave gemela Gemini 7. Las naves espaciales no estaban equipadas para acoplarse entre sí, pero mantuvieron la posición durante más de 20 minutos. Schirra comentó más tarde: [7]

Alguien dijo... cuando te acercas a tres millas (5 km), ya has llegado al punto de encuentro. Si alguien cree que ha llegado al punto de encuentro a tres millas (5 km), ¡que se divierta! Fue entonces cuando empezamos a hacer nuestro trabajo. No creo que el punto de encuentro termine hasta que te detengas, completamente detenido, sin movimiento relativo entre los dos vehículos, a una distancia de aproximadamente 120 pies (37 m). ¡Eso es el punto de encuentro! A partir de ahí, es cuestión de mantener la posición. Es entonces cuando puedes volver atrás y jugar al juego de conducir un coche o un avión o empujar una patineta; es así de sencillo.

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 que camina por una calle principal muy transitada con mucho tráfico pasando rápidamente y ve a una chica linda caminando del otro lado. Él dice "Oye, espera", pero ella ya no está. Eso es una mirada pasajera, no un encuentro.

Primer atraque

Vehículo objetivo Gemini 8 Agena
El Gemini 8 se acopla al vehículo Agena

El primer acoplamiento de dos naves espaciales se logró el 16 de marzo de 1966 cuando la nave Gemini 8 , bajo el mando de Neil Armstrong , se reunió y se acopló con un vehículo objetivo Agena no tripulado . La misión Gemini 6 iba a ser la primera de acoplamiento, pero tuvo que ser cancelada 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 el Cosmos 186 y el 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. Los sistemas automatizados llevaron la nave a 200 metros (660 pies), mientras que Beregovoy la acercó más con control manual. [11]

El primer acoplamiento tripulado exitoso [12] ocurrió el 16 de enero de 1969 cuando la Soyuz 4 y la Soyuz 5 se acoplaron, recogiendo a los dos miembros de la tripulación de la Soyuz 5, que tuvieron que realizar una actividad extravehicular para llegar a la Soyuz 4. [13]

En marzo de 1969, el Apolo 9 logró la primera transferencia interna 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 . [14]

El primer acoplamiento espacial múltiple tuvo lugar cuando tanto la Soyuz 26 como la Soyuz 27 se acoplaron a la estación espacial Salyut 6 durante enero de 1978. [ cita requerida ]

Usos

La mayoría de los encuentros son para atracar, como en esta foto de las tripulaciones y los modelos de naves espaciales del histórico primer acoplamiento de las naves espaciales soviéticas y estadounidenses Apollo-Soyuz en 1975, lo que marcó el final de la carrera espacial.
Un panel solar de color dorado, doblado y retorcido, con varios agujeros. A la derecha de la imagen se puede ver el borde de un módulo y al fondo se ve la Tierra.
Paneles solares dañados en el módulo Spektr de la Mir tras una colisión con una nave espacial Progress sin tripulación en septiembre de 1997 como parte del transbordador espacial Mir . La nave espacial Progress se utilizó para reabastecer la estación. En este encuentro espacial que salió mal, la Progress colisionó con la Mir, lo que inició una despresurización que se detuvo al cerrar la escotilla del Spektr .

Un encuentro se produce cada vez que una nave espacial lleva a miembros de la tripulación o suministros a una estación espacial en órbita. La primera nave espacial en hacer esto fue la Soyuz 11 , que se acopló con éxito a la estación Salyut 1 el 7 de junio de 1971. [15] Las misiones de vuelos espaciales tripulados han logrado encuentros 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 a los miembros de la tripulación hacia y desde la ISS. Con la introducción del Programa de Tripulación Comercial de la NASA, Estados Unidos puede utilizar su propio vehículo de lanzamiento junto con la Soyuz, una versión actualizada de la Crew Dragon de SpaceX. [16]

Las naves espaciales robóticas también se utilizan para reunirse con estaciones espaciales y reabastecerlas. Las naves espaciales Soyuz y Progress se han acoplado automáticamente tanto con Mir [17] como con la ISS utilizando el sistema de acoplamiento Kurs ; el vehículo de transferencia automatizado europeo 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 acoplamiento . El vehículo de transferencia H-II japonés (HTV), SpaceX Dragon y la nave espacial Cygnus de Orbital Sciences maniobran para un encuentro cercano y mantienen el mantenimiento de la estación, 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 directamente a la estación espacial. El segmento ruso solo utiliza puertos de acoplamiento, por lo que no es posible que HTV, Dragon y Cygnus encuentren un atracadero allí. [18]

El encuentro espacial se ha utilizado para una variedad de otros propósitos, incluidas las recientes misiones de servicio al telescopio espacial Hubble . Históricamente, para las misiones del Proyecto Apolo que llevaron astronautas a la Luna , la etapa de ascenso del módulo lunar Apolo se encontraba y se acoplaba con el módulo de comando y servicio Apolo en maniobras de encuentro en órbita lunar . Además, la tripulación del STS-49 se encontraba con el satélite de comunicaciones Intelsat VI F-3 y le conectaba un motor de cohete para permitirle realizar una maniobra orbital . [ cita requerida ]

En el futuro, es posible que se produzca un encuentro con un vehículo robótico Hubble (HRV) automatizado, que aún no se ha desarrollado, y con el CX-OLEV, que se está desarrollando para encontrarse con un satélite geoestacionario que se ha quedado sin combustible. El CX-OLEV se haría cargo del mantenimiento de la posición orbital y/o finalmente llevaría al satélite a una órbita cementerio, después de lo cual el CX-OLEV podría posiblemente reutilizarse para otro satélite. La transferencia gradual de la órbita de transferencia geoestacionaria a la órbita geoestacionaria llevará varios meses, utilizando propulsores de efecto Hall . [19]

Alternativamente, las dos naves espaciales ya están juntas, y simplemente se desacoplan y acoplan de una manera diferente:

  • Nave espacial Soyuz desde un punto de acoplamiento a otro en la ISS o Salyut [ cita requerida ]
  • En la nave espacial Apolo , se realizó una maniobra conocida como transposición, acoplamiento y extracción aproximadamente una hora después de la inyección translunar de la secuencia de la tercera etapa del cohete Saturno V /LM dentro del adaptador LM/CSM (en orden de abajo a arriba en el lanzamiento, también el orden de atrás hacia adelante con respecto al movimiento actual), con el CSM tripulado, el LM en esta etapa sin tripulación: [ cita requerida ]
    • El CSM se separó, mientras que los cuatro paneles superiores del adaptador LM fueron desechados.
    • El CSM giró 180 grados (desde el motor hacia atrás, hacia el LM, hacia adelante)
    • El CSM se conectó al LM mientras este todavía estaba conectado a la tercera etapa.
    • La combinación CSM/LM luego se separó de la tercera etapa.

La NASA a veces se refiere a " Operaciones de encuentro, proximidad , acoplamiento y desacoplamiento " (RPODU) para el conjunto de todos los procedimientos de vuelo espacial que normalmente se necesitan en torno a las operaciones de naves espaciales donde dos naves espaciales trabajan cerca una de la otra con la intención de conectarse entre sí. [20]

Fases y métodos

Módulo de mando y servicio Charlie Brown visto desde el módulo lunar Snoopy
Encuentro orbital. 1/ Ambas naves espaciales deben estar en el mismo plano orbital. La ISS vuela en una órbita más alta (menor velocidad), el ATV vuela en una órbita más baja y alcanza a la ISS. 2/ En el momento en que el ATV y la ISS forman un ángulo alfa (aproximadamente 2°), el ATV cruza la órbita elíptica hacia la ISS. [21]

La técnica estándar para el encuentro y el acoplamiento consiste en acoplar un vehículo activo, el "perseguidor", 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 requerida ]

Para entender correctamente el encuentro de naves espaciales es esencial entender la relación entre la velocidad de la nave espacial y la órbita. Una nave espacial en una órbita determinada no puede alterar arbitrariamente su velocidad. Cada órbita se correlaciona con una cierta velocidad orbital. Si la nave espacial enciende los propulsores y aumenta (o disminuye) su velocidad, obtendrá una órbita diferente, una con una altitud mayor o menor. En órbitas circulares, las órbitas más altas tienen una velocidad orbital menor. Las órbitas más bajas tienen una velocidad orbital mayor.

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. [21] Para el acoplamiento, la velocidad de los dos vehículos también debe coincidir. El "perseguidor" se coloca en una órbita ligeramente inferior a la del objetivo. Cuanto más baja sea la órbita, mayor será la velocidad orbital. La diferencia en las velocidades orbitales del perseguidor y el objetivo es, por lo tanto, tal que el perseguidor es más rápido que el objetivo y lo alcanza. [ cita requerida ]

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 perseguidor se acelerará. Este aumento de velocidad lleva al perseguidor a una órbita más alta. El aumento de velocidad se elige de tal manera que el perseguidor asuma aproximadamente la órbita del objetivo. Paso a paso, el perseguidor se acerca al objetivo, hasta que se pueden iniciar las operaciones de proximidad (ver más abajo). En la fase final, la velocidad de acercamiento se reduce mediante el uso del sistema de control de reacción del vehículo activo . El acoplamiento se produce normalmente a una velocidad de 0,1 pies/s (0,030 m/s) a 0,2 pies/s (0,061 m/s). [22]

Fases de encuentro

El encuentro espacial de una nave espacial activa, o "perseguidora", con una nave espacial (supuestamente) pasiva puede dividirse en varias fases y normalmente comienza con las dos naves espaciales en órbitas separadas, normalmente separadas por más de 10.000 kilómetros (6.200 millas): [23]

FaseDistancia de separaciónDuración típica de la fase
Órbita de deriva A
(fuera de la vista, fuera de contacto)		>2 λ máx. [24]1 a 20 días
Órbita de deriva B
(a la vista, en contacto)		2 λ máx. a 1 kilómetro (3300 pies)1 a 5 días
Operaciones de proximidad A1000–100 metros (3280–330 pies)1 a 5 órbitas
Operaciones de proximidad B100–10 metros (328–33 pies)45 – 90 minutos
Unión cósmica<10 metros (33 pies)<5 minutos

Se pueden utilizar diversas técnicas para efectuar las maniobras de traslación y rotación necesarias para las operaciones de proximidad y atraque. [25]

Métodos de abordaje

Los dos métodos de aproximación más comunes para operaciones de proximidad son en línea con la trayectoria de vuelo de la nave espacial (llamada V-bar, 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 R-bar, ya que está a lo largo del vector radial, con respecto a la Tierra, del objetivo). [23] 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 acoplamiento asignado.

Enfoque con barra en V

La aproximación en V es una aproximación del "perseguidor" horizontalmente a lo largo del vector de velocidad de la nave espacial pasiva, es decir, desde atrás o desde adelante, y en la misma dirección que el movimiento orbital del objetivo pasivo. El movimiento es paralelo a la velocidad orbital del objetivo. [23] [26] En la aproximación en V desde atrás, el perseguidor enciende pequeños propulsores para aumentar su velocidad en la dirección del objetivo. Esto, por supuesto, también impulsa al perseguidor a una órbita más alta. Para mantener al perseguidor en el vector V, se encienden otros propulsores en la dirección radial. Si esto se omite (por ejemplo, debido a una falla del propulsor), el perseguidor será llevado a una órbita más alta, que está asociada 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 una falla del propulsor. [ cita requerida ]

La STS-104 fue la tercera misión del transbordador espacial que realizó una llegada con barra en V a la Estación Espacial Internacional . [27] La ​​barra en V, o vector de velocidad , se extiende a lo largo de una línea directamente delante de la estación. Los transbordadores se aproximan a la ISS a lo largo de la barra en V cuando se acoplan al puerto de acoplamiento PMA-2 . [28]

Enfoque de barra R

El enfoque de barra R consiste en que el perseguidor se mueva 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. [23] [26] Cuando está por debajo del objetivo, el perseguidor enciende propulsores radiales para acercarse al objetivo. Con esto aumenta su altitud. Sin embargo, la velocidad orbital del perseguidor permanece sin cambios (los disparos de propulsores en la dirección radial no tienen efecto sobre la velocidad orbital). Ahora en una posición ligeramente más alta, pero con una velocidad orbital que no corresponde a la velocidad circular local, el perseguidor se queda ligeramente detrás del objetivo. Se necesitan pequeños pulsos de cohete en la dirección de la velocidad orbital para mantener al perseguidor a lo largo del vector radial del objetivo. Si estos pulsos de 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 enfoque de barra R, este efecto es más fuerte que para el enfoque de barra V, lo que hace que el enfoque de barra R sea el más seguro de los dos. [ cita requerida ] Generalmente, es preferible la aproximación con barra R desde abajo, ya que el perseguidor se encuentra 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 perseguidor se encuentra en una órbita más alta (más lenta) que el objetivo y, por lo tanto, tiene que esperar a que el objetivo se acerque a él. [ cita requerida ]

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 en el nadir". [29] El enfoque de barra R en el nadir también se utiliza para los vuelos a la ISS de los vehículos de transferencia H-II y de los vehículos SpaceX Dragon . [30] [31]

Enfoque de barra Z

Una aproximación de la nave espacial activa, o "perseguidora", horizontalmente desde el costado y ortogonal al plano orbital de la nave espacial pasiva (es decir, desde el costado y fuera del plano de la órbita de la nave espacial pasiva) se denomina aproximación de barra Z. [32]

Encuentro en la superficie

El astronauta del Apolo 12 , Conrad, con el Surveyor 3 y el módulo de aterrizaje del Apolo 2 al fondo, en la primera visita de una misión independiente más allá de la órbita terrestre baja

El Apolo 12 , el segundo aterrizaje tripulado en la Luna , realizó el primer encuentro fuera de la órbita terrestre baja al aterrizar cerca del Surveyor 3 y llevar partes de éste de regreso a la Tierra.

Véase también

Referencias

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Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Encuentro espacial .
  • Análisis de una nueva solución no lineal del movimiento orbital relativo por T. Alan Lovell
  • Los visitantes (encuentro) Archivado el 3 de abril de 2020 en Wayback Machine .
  • "Encuentro en la órbita lunar y el programa Apolo". NASA.
  • Manual de acoplamiento y encuentro automatizado de naves espaciales de Wigbert Fehse
  • El acuerdo sobre el sistema de acoplamiento es clave para la política espacial mundial – 20 de octubre de 2010
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