Nave espacial sin tripulación

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Las naves espaciales no tripuladas o naves espaciales robóticas son naves espaciales sin personas a bordo. Las naves espaciales no tripuladas pueden tener distintos niveles de autonomía respecto de la intervención humana, como control remoto o guía remota. También pueden ser autónomas , es decir, tienen una lista preprogramada de operaciones que se ejecutarán a menos que se indique lo contrario. Una nave espacial robótica para mediciones científicas a menudo se denomina sonda espacial u observatorio espacial .

Muchas misiones espaciales son más adecuadas para operaciones telerobóticas que tripuladas , debido a los menores costos y factores de riesgo. Además, algunos destinos planetarios como Venus o las cercanías de Júpiter son demasiado hostiles para la supervivencia humana, dada la tecnología actual. Los planetas exteriores como Saturno , Urano y Neptuno están demasiado lejos 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 que son vulnerables a la contaminación por microorganismos terrestres, ya que las naves espaciales pueden esterilizarse. Los humanos no pueden esterilizarse de la misma manera 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 vehículos exploradores 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 tripulada no robótica. Las misiones espaciales en las que hay otros animales a bordo, pero no humanos, 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 Zarya de la Estación Espacial Internacional , eran capaces de realizar maniobras de mantenimiento y acoplamiento guiadas a distancia tanto con naves de reabastecimiento como con nuevos módulos. Las naves espaciales de reabastecimiento sin tripulación se utilizan cada vez más en las estaciones espaciales tripuladas .

La primera nave espacial robótica fue lanzada por la Unión Soviética (URSS) el 22 de julio de 1951, un vuelo suborbital que transportaba a dos perros, Dezik y Tsygan. ^[1] Se realizaron otros cuatro vuelos similares 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 libras), el Sputnik 2 llevó al primer animal en órbita, la perra Laika . ^[2] Dado que el satélite no fue diseñado para desprenderse 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 , a una órbita de 357 por 2543 kilómetros (193 por 1373 millas náuticas) el 31 de enero de 1958. El Explorer I era un cilindro de 205 centímetros (80,75 pulgadas) de largo por 15,2 centímetros (6,00 pulgadas) de diámetro que pesaba 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 ese 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 tenía aproximadamente el tamaño de un pomelo y que en 2016 permanece en una órbita de 670 por 3.850 kilómetros (360 por 2.080 millas náuticas) ^[update].

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 la Luna 1 orbitó alrededor de la Luna y luego del Sol.

El éxito de estas primeras misiones dio inicio a una carrera entre Estados Unidos y la URSS para superarse mutuamente con sondas cada vez más ambiciosas. La 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 sonda soviética Venera 4 fue la primera sonda atmosférica en estudiar Venus. El sobrevuelo de Marte de la Mariner 4 en 1965 tomó las primeras imágenes de su superficie llena de cráteres, a las que los soviéticos respondieron unos meses después con imágenes de su superficie desde la Luna 9. En 1967, la 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, la Voyager 2, el 5 de noviembre de 2018. ^[6]

Otros nueve países han lanzado satélites con éxito 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]

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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 bus (o plataforma). El bus proporciona la estructura física, el control térmico, la energía eléctrica, el control de actitud y la telemetría, el seguimiento y el mando. ^[16]

El JPL divide el "sistema de vuelo" de una nave espacial en subsistemas. ^[17] Estos incluyen:

La estructura de la columna vertebral física, que

• Proporciona integridad mecánica general de la nave espacial.
• garantiza que los componentes de la nave espacial estén soportados y puedan soportar cargas de lanzamiento

A veces se lo denomina subsistema de comandos y datos. Suele ser responsable de:

• almacenamiento de secuencia de comandos
• mantenimiento del reloj de la nave espacial
• Recopilación y notificación de datos de telemetría de naves espaciales (por ejemplo, estado de la nave espacial)
• Recopilar y comunicar datos de la misión (por ejemplo, imágenes fotográficas)

Este sistema es el principal responsable de la correcta orientación de la nave espacial en el espacio (actitud) a pesar de los efectos de perturbaciones externas: gradientes de gravedad, pares de campo magnético, radiación solar y resistencia aerodinámica; además, puede ser necesario reposicionar partes móviles, como antenas y paneles solares. ^[18]

La detección integrada incorpora un algoritmo de transformación de imágenes para interpretar los datos de imágenes terrestres inmediatos, detectar y evitar en tiempo real los peligros del terreno que pueden impedir un 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 basándose en información pregrabada y cámaras para comprender su ubicación y determinar su posición y si es correcta o necesita hacer correcciones (localización). Las cámaras también se utilizan para detectar posibles peligros, ya sea un mayor consumo de combustible o un peligro físico como un mal lugar de aterrizaje en un cráter o en la ladera de un acantilado que haría que el aterrizaje no fuera ideal (evaluación de peligros).

En las misiones de exploración planetaria que involucran naves espaciales robóticas, hay tres partes clave en los procesos de aterrizaje en la superficie del planeta para garantizar un aterrizaje seguro y exitoso. ^[19] Este proceso incluye una entrada en el campo de gravedad planetario y la atmósfera, un descenso a través de esa atmósfera hacia una región prevista/objetivo de valor científico y un aterrizaje seguro que garantice que se preserve la integridad de la instrumentación de la nave. Mientras la nave espacial robótica pasa por esas partes, también debe ser capaz de estimar su posición en comparación con la superficie para garantizar un control confiable de sí misma y su capacidad para maniobrar bien. La nave espacial robótica también debe realizar de manera eficiente la evaluación de peligros y los ajustes de trayectoria en tiempo real para evitar peligros. Para lograr esto, la nave espacial robótica requiere un conocimiento preciso de dónde se encuentra la nave espacial en relación con la superficie (localización), qué puede representar peligros 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 fácilmente entrar en situaciones peligrosas, como colisiones en la superficie, 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 utilizarse para comunicarse con estaciones terrestres en la Tierra o con otras naves espaciales. ^[20]

El suministro de energía eléctrica a 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. ^[21]

Las naves espaciales suelen estar protegidas de las fluctuaciones de temperatura mediante aislamiento. Algunas naves espaciales utilizan espejos y parasoles para una protección adicional contra el calentamiento solar. También suelen necesitar protección contra los micrometeoroides y los desechos orbitales. ^[22]

La propulsión de naves espaciales es un método que permite a una nave espacial viajar a través del espacio generando empuje para impulsarla hacia adelante. ^[23] Sin embargo, no existe un sistema de propulsión de uso universal: monopropelente, bipropelente, propulsión iónica, etc. Cada sistema de propulsión genera empuje de formas ligeramente diferentes y cada sistema tiene sus propias ventajas y desventajas. Pero, la mayoría de la propulsión de naves espaciales hoy en día se basa en motores de cohetes . La idea general detrás de los motores de cohetes es que cuando un oxidante se encuentra con la fuente de combustible, hay 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 la Tercera Ley de Newton . Según Newton, "a cada acción hay 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 se empujan para permitir que la nave espacial se impulse hacia adelante. La razón principal detrás del uso de motores de cohetes hoy en día es porque los cohetes son la forma de propulsión más poderosa que existe.

Para que un sistema de propulsión funcione, normalmente hay una línea de oxidante y una línea de combustible. De esta manera, se controla la propulsión de la nave espacial. Pero en una propulsión monopropelente, no hay necesidad de una línea de oxidante y solo se requiere la línea de combustible. ^[24] Esto funciona debido a que el oxidante está unido químicamente a la propia molécula de combustible. Pero para que el sistema de propulsión esté controlado, la combustión del combustible solo 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 el químico es muy peligroso de fabricar, almacenar y transportar.

Un sistema de propulsión bipropelente es un motor de cohete que utiliza un propelente líquido. ^[25] Esto significa que tanto el oxidante como la línea de combustible están en estado líquido. Este sistema es único porque no requiere un sistema de ignición, los dos líquidos se quemarían espontáneamente tan pronto como entraran en contacto entre sí y producirían la propulsión para impulsar la nave espacial hacia adelante. El principal beneficio de tener esta tecnología es que este tipo de líquidos tienen una densidad relativamente alta, lo que permite que el volumen del tanque de propelente sea pequeño, aumentando así la eficacia espacial. La desventaja es la misma que la del sistema de propulsión monopropelente: muy peligroso de fabricar, almacenar y transportar.

Un sistema de propulsión iónica es un tipo de motor que genera empuje mediante el bombardeo de electrones o la aceleración de iones. ^{[26] Al disparar} electrones de alta energía a un átomo propulsor (carga neutra), elimina electrones del átomo propulsor y esto da como resultado que el átomo propulsor se convierta en un átomo con carga positiva. 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 negativamente 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 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, que es 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 componentes mecánicos para su despliegue después del lanzamiento o antes del aterrizaje. Además del uso de motores, muchos movimientos puntuales se controlan mediante dispositivos pirotécnicos . ^[27]

Las naves espaciales robóticas son sistemas diseñados específicamente para un entorno hostil específico. ^[28] 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 o tripulación y es operada por control automático (procede con una acción sin intervención humana) o control remoto (con intervención humana). El término 'nave espacial no tripulada' no implica que la nave espacial sea robótica.

Las naves espaciales robóticas utilizan la telemetría para transmitir por radio a la Tierra los datos adquiridos y la información sobre el estado del vehículo. Aunque generalmente se las denomina "controladas a distancia" o "telerobóticas", las primeras naves espaciales orbitales, como Sputnik 1 y Explorer 1, no recibían señales de control desde la Tierra. Poco después de estas primeras naves espaciales, se desarrollaron sistemas de mando que permitían el control remoto desde tierra. Una mayor autonomía es importante para las sondas distantes, donde el tiempo de viaje de la luz impide tomar decisiones y controlarlas rápidamente desde la Tierra. Las sondas más nuevas, como Cassini-Huygens y los vehículos de exploración de Marte, son altamente autónomas y utilizan computadoras a bordo para operar de forma independiente durante períodos prolongados de tiempo. ^{[29] [30]}

Una sonda espacial es una nave espacial robótica que no orbita la Tierra, sino que explora más a fondo el espacio exterior. Las sondas espaciales tienen diferentes conjuntos de instrumentos científicos a bordo. Una sonda espacial puede acercarse a la Luna; viajar a través del espacio interplanetario; sobrevolar, orbitar o aterrizar en otros cuerpos planetarios; o ingresar al espacio interestelar. Las sondas espaciales envían datos recopilados a la Tierra. Las sondas espaciales pueden ser orbitadores, módulos de aterrizaje y exploradores. Las sondas espaciales también pueden recolectar materiales de su objetivo y devolverlos a la Tierra. ^{[31] [32]}

Una vez que una sonda ha dejado 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 simple es una órbita de transferencia de Hohmann . Las técnicas más complejas, como las hondas gravitacionales , pueden ser más eficientes en cuanto al consumo de 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 ) solo se pueden realizar, dentro de los límites de la propulsión moderna, utilizando hondas gravitacionales. Una técnica que utiliza muy poca propulsión, pero que requiere una cantidad considerable de tiempo, es seguir una trayectoria en la Red de Transporte Interplanetario . ^[33]

Un telescopio espacial u observatorio espacial es un telescopio en el espacio exterior que se utiliza para observar objetos astronómicos. Los telescopios espaciales evitan el filtrado y la distorsión de la radiación electromagnética que observan y evitan la contaminación lumínica que 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 se diferencian de los satélites de imágenes terrestres , que apuntan hacia la Tierra para obtener imágenes satelitales , que se aplican para el análisis meteorológico , el espionaje y otros tipos de recopilación de información .

Los cuatro vehículos de carga de la estación espacial actualmente activos. En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda: Progress, Cargo Dragon 2, Cygnus y Tianzhou.

Las naves espaciales de carga o de reabastecimiento son vehículos robóticos diseñados para transportar suministros, como alimentos, combustible y equipos, a estaciones espaciales. Esto las distingue de las sondas espaciales, que se centran principalmente en la exploración científica.

Las naves espaciales de carga automatizadas han estado prestando servicio a estaciones espaciales desde 1978, apoyando misiones como Salyut 6 , Salyut 7 , Mir , la Estación Espacial Internacional (ISS) y la estación espacial Tiangong .

En la actualidad, la ISS depende de tres tipos de naves espaciales de carga: la rusa Progress , ^[34] junto con la estadounidense Cargo Dragon 2 , ^{[35] [36]} y Cygnus . ^[37] La ​​estación espacial china Tiangong es abastecida únicamente por Tianzhou . ^{[38] [39] [40]}

El American Dream Chaser ^{[41] [42]} y el HTV-X japonés están en desarrollo para su uso futuro en la ISS. El European Automated Transfer Vehicle se utilizó anteriormente entre 2008 y 2015.

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