Rumbo al cosmos (20 page)

Un viaje en tres etapas

Y es justamente de esta forma como se realiza el estudio de la trayectoria en un primer análisis: descomponiendo el viaje en tres etapas, inicial, media, y final, en cada una de las cuales se considerará únicamente la influencia del cuerpo principal: la Tierra, el Sol, y el planeta de destino, en nuestro caso. La frontera entre una zona y otra vendrá determinada por las llamadas “esferas de influencia” de cada uno de los planetas, entelequia matemática que nos define la zona en la que podemos despreciar otras influencias gravitatorias que no sean las de ese cuerpo principal. Obtendremos así una descomposición de la órbita en tres fases: una órbita terrestre de escape, una órbita heliocéntrica que constituirá la parte principal del viaje, y una órbita hiperbólica (de escape también, pero a la inversa, de llegada en lugar de salida) en el planeta de destino. Allí, llegado el caso, se realizaría la maniobra pertinente para inyectar a la sonda en una órbita circular o elíptica alrededor del planeta, pero esa sería ya una nueva fase. Tenemos así una simplificación que nos da resultados muy aproximados e intuitivos para un primer estudio, que luego podrán refinarse mediante cálculos más complejos en los que se tendrá en cuenta de forma real todas las influencias gravitatorias en cada una de las fases.

Pero antes de seguir hablando del viaje interplanetario, hagamos un pequeño inciso para estudiar las diferencias entre estas órbitas comentadas: las elípticas y las hiperbólicas o de escape.

Tipos de órbitas

Las órbitas simples pueden tener tres formas básicas: elíptica, parabólica o hiperbólica; existe también la órbita circular, pero puede considerarse un caso particular de órbita elíptica, con excentricidad nula (la excentricidad es el parámetro que mide la desviación de la forma de una elipse con respecto a una circunferencia).

Si analizamos la puesta en órbita de un vehículo alrededor de la Tierra o de otro astro cualquiera, tenemos que para cada velocidad de inyección en órbita obtendremos una órbita distinta. Consideremos que para describir una órbita circular el vehículo requiere una velocidad “v”. Pues bien, si aumentamos dicha velocidad, empezaremos a hacer la órbita cada vez más elíptica, de mayor excentricidad. Si seguimos aumentando la velocidad, llegará un momento en que ésta sea tan grande que la gravedad terrestre no podrá contrarrestarla: dado que la fuerza de la gravedad decrece con la distancia, para una velocidad determinada el vehículo se seguirá alejando sin que la gravedad, cada vez menor, sea capaz de detenerlo, sino sólo de frenarlo cada vez con menos fuerza. El vehículo escapará a la atracción terrestre, y vagará libremente por el espacio. En esas condiciones, diríamos que está en una trayectoria “de escape” del campo gravitatorio terrestre, y la forma de la órbita vista desde la Tierra sería una hipérbola (o una parábola para el caso exacto, y poco probable, de que su velocidad coincida exactamente con la velocidad mínima de escape, ni un poco más ni un poco menos).

Imagen: Si se aumenta la velocidad por encima de la correspondiente a la órbita circular, se van obteniendo órbitas elípticas cada vez de mayor excentricidad, para llegar a la velocidad de escape, correspondiente a la parábola; velocidades mayores darán lugar a trayectorias hiperbólicas. (
Esquema: J.Casado
)

En estas condiciones, olvidando el efecto de la Tierra, ya suficientemente lejos, y si no existiera ningún otro objeto en el universo, el vehículo continuaría viajando de forma rectilínea y con velocidad constante eternamente. Al no haber ninguna influencia exterior, ninguna fuerza que lo frene o lo desvíe, el vehículo sigue por propia inercia. Según la segunda ley de Newton, en ausencia de influencias exteriores, un cuerpo mantiene su estado de movimiento uniforme y rectilíneo o de reposo eternamente.

Pero en la realidad no ocurre así: en el espacio hay más cuerpos celestes, aparte de la propia Tierra. Cuando un objeto en trayectoria de escape ha abandonado la influencia terrestre, otros efectos gravitatorios actúan sobre él. El primero, el del Sol. De esta forma, el objeto que abandona la órbita terrestre, se encuentra inmerso en una órbita alrededor del Sol, como los planetas. Es decir, la órbita que vista desde la Tierra era hiperbólica, es en realidad una órbita elíptica alrededor del Sol… o hiperbólica también, si la velocidad fuera tan enorme como para superar la velocidad de escape del campo gravitatorio solar.

Volvamos ahora de nuevo a nuestra trayectoria interplanetaria:

Según lo explicado anteriormente, lo único que hay que hacer para conseguir el viaje interplanetario es comunicar a nuestro vehículo una velocidad adecuada para que recorra la órbita heliocéntrica de transferencia que le llevará a las proximidades del planeta de destino. Esa velocidad será, por supuesto, superior a la velocidad de escape terrestre (cuyo valor aproximado son 11 km/s); cuánto superior dependerá de la órbita de transferencia elegida en cada caso. Esa cantidad en exceso de la velocidad de escape es lo que se denomina “exceso de velocidad hiperbólica” (o simplemente, velocidad hiperbólica), y en nuestro análisis simplificado equivale a la velocidad con la que se insertaría el vehículo en la órbita heliocéntrica de transferencia.

Correcciones de trayectoria

De acuerdo con esto, en un caso ideal, una vez insertado el vehículo en su trayectoria, debería recorrerla sin ningún problema hasta llegar a su destino. Es decir, bastaría el impulso inicial dado por el lanzador para que el vehículo llegase hasta el planeta a estudiar. Pero en la práctica no es así: desde el mismo momento de la inserción en órbita hay errores en la posición y en la velocidad del vehículo, pues, aunque la precisión de los lanzadores y de los motores auxiliares es cada vez mayor, la exactitud total no existe. Además de esto, hay multitud de perturbaciones exteriores de mayor o menor magnitud que actúan sobre el vehículo durante su viaje desviándolo de su trayectoria nominal.

Imagen: La trayectoria de cualquier vehículo espacial está sometida a perturbaciones de diferente tipo que será necesario corregir periódicamente. (
Imagen: NASA
)

Estos efectos no se pueden evitar, y por ello la única solución es corregir los errores a los que dan lugar. Para ello se equipa al vehículo con pequeños motores encargados de realizar esas correcciones en su orientación (actitud), en su posición, o en su velocidad. A estos motores se los alimenta a partir de un depósito de propulsante cuya cantidad está estimada con la mayor precisión posible de forma que sea el necesario, pero no más, para cumplir su cometido durante toda la vida prevista para la misión. Los motores y su propulsante son un lastre indeseado aunque imprescindible, y su peso debe mantenerse al mínimo por razones obvias.

Los cálculos que determinan la cantidad de propulsante requerido para llevar a cabo las correcciones necesarias durante la misión son complejos, pues la propia naturaleza de las perturbaciones y errores del lanzador hace que su predicción sea resultado de estimaciones, no de cálculos exactos. Los datos de partida para esta estimación tampoco son exactos, sino que la mayor parte de las veces proceden de datos estadísticos: valores medios y desviaciones típicas de los errores del lanzador en cuanto a posición y velocidad de inyección, valores medios de perturbaciones tales como la presión de radiación solar, etc. En otros casos, las fuentes de error son incluso incuantificables: perturbaciones en el movimiento de la sonda debido al movimiento del líquido propulsante dentro del depósito, errores cometidos por los propios motores encargados de corregir estos... Sin embargo, incluso en estos casos se intenta acotar la magnitud de su influencia en base a datos de misiones similares, reservándose un porcentaje de propulsante para la corrección de este tipo de errores más aleatorios.

De este modo, de una forma estadística, basándose en datos históricos, y utilizando sofisticados métodos de cálculo, se cuantifica de una forma bastante aproximada el propulsante necesario para la misión. Que no es el necesario para cubrir el caso más desfavorable posible, pues la probabilidad de que absolutamente todos los factores actúen en contra es muy baja, sino únicamente el necesario para cubrir el caso más desfavorable dentro de los casos probables. Es, como se ve, un estudio complejo, en el que se llegan a generar miles e incluso millones de trayectorias por ordenador, cada una de ellas consecuencia de unas condiciones diferentes (debidas a los errores y perturbaciones), para analizar qué se necesitaría en cada caso para volver a la trayectoria prevista.

Estas estimaciones y cálculos estadísticos sirven para preparar la misión y prever la cantidad de propulsante que necesitará el vehículo. Pero una vez comenzada la misión, son ya datos reales, medidos por el propio vehículo mediante sus sensores de velocidad, posición, aceleración y actitud, o medidos desde tierra a partir de observaciones, los que determinan la magnitud de las correcciones a aplicar y el momento de hacerlo. Un software incorporado al propio vehículo se encarga de comparar datos reales y teóricos y de llevar a cabo las maniobras oportunas. De esta forma conseguimos enviar esos pequeños robots a explorar nuevos mundos situados a millones de kilómetros.

El seguimiento desde tierra de una misión espacial, sea ésta tripulada o no, tiene una importancia fundamental para el éxito de la misma. Desde tierra se envían a la nave o su tripulación instrucciones para el desarrollo de la misión, se establece comunicación con los astronautas en caso de haberlos, se determina con precisión la órbita seguida para comprobar que todo se desarrolla según lo previsto, o se reciben los datos enviados por los equipos de la nave.

El seguimiento desde tierra es llevado a cabo a lo largo de todas las fases de la misión. Desde que el lanzador deja el suelo, su ascenso es meticulosamente seguido por cámaras y antenas que reciben constante información de los sensores del vehículo sobre el funcionamiento de los diferentes equipos, la orientación del lanzador en el espacio, su situación en cada instante, su velocidad, aceleraciones, etc. Asimismo, el control de tierra en ocasiones envía órdenes al vehículo para realizar determinadas acciones, o incluso para ordenar al lanzador autodestruirse si durante el ascenso se observasen anomalías que pudieran resultar peligrosas. Este seguimiento se mantendrá, en mayor o menor medida, hasta la finalización de la misión.

La parte de seguimiento desde tierra comienza previendo, en la fase de preparación de la misión, cuáles van a ser los territorios sobrevolados por el lanzador durante su fase operativa, así como los que sobrevolará el vehículo final, ya sea un satélite terrestre o una sonda interplanetaria. Se obtiene así lo que se denomina la
traza
de la órbita del vehículo, es decir, la proyección sobre la superficie terrestre de la trayectoria seguida por éste, su “sombra” sobre el terreno, por expresarlo de una forma gráfica.

Dado que los parámetros orbitales de la misión son perfectamente conocidos desde las fases iniciales del proyecto, es relativamente sencillo calcular cuál va a ser esa traza, lo cual permite en caso necesario redefinir la trayectoria (al menos el tramo de ascenso inicial) si, por alguna razón, se requiere que sobrevuele una zona determinada. Por ejemplo, puede haber casos en los que se quiera enviar desde tierra una orden determinada en un momento dado de la misión, o realizar un chequeo de los sistemas antes de proceder con alguna fase crítica. Para ello, habrá que prever que en ese momento el vehículo esté dentro del radio de cobertura de una de las múltiples estaciones de seguimiento repartidas por el mundo.

Imagen: Representación de la traza de la trayectoria de un satélite sobre la superficie terrestre, y de las áreas de cobertura de algunas estaciones de seguimiento. (
Esquema: J.Casado
)