Rumbo al cosmos (22 page)

Imagen: Antena de 35 metros de diámetro de la red de espacio profundo de la ESA en Cebreros, Ávila. (
Foto: ESA
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En una misión espacial, una vez que el vehículo ha sido inyectado por el lanzador en la trayectoria deseada, sea ésta una órbita terrestre o una trayectoria interplanetaria, teóricamente la seguirá de forma inercial por tiempo indefinido. Pero en la práctica, existen perturbaciones que alterarán la trayectoria seguida y obligarán a ejecutar diferentes correcciones en el transcurso de la misión.

Las perturbaciones pueden afectar tanto a la trayectoria como a la actitud (orientación en el espacio) del vehículo, y pueden ser de muy diversa naturaleza. Para empezar, tenemos el propio error de inyección del lanzador: lógicamente, ninguna máquina es perfecta, y el cohete encargado de situar al vehículo en su trayectoria correcta siempre comete algún pequeño error al hacerlo. Dichos errores pueden darse en dirección (hacia dónde se mueve), posición (altura en la que es dejado por el cohete) y velocidad del vehículo. Estos errores son inevitables, y aunque en los lanzadores actuales se encuentran bastante minimizados, a menudo será necesario corregirlos con pequeñas maniobras de corrección posteriores.

Pero los errores de inyección del lanzador son eso, errores, y no perturbaciones propiamente dichas. Las perturbaciones pueden venir inducidas por múltiples factores, tanto externos como incluso internos al propio vehículo, y todos ellos pueden afectar al desarrollo de la misión, dando lugar a la necesidad de maniobras de corrección de actitud o corrección de órbita. Veremos aquí una pequeña muestra de estas posibles fuentes de perturbación.

Un tiquismiquis al que todo le perturba

En los entornos de los planetas, uno de los principales efectos perturbadores pueden ser los gradientes de gravedad creados sobre el vehículo. Principalmente en el caso de satélites, y no de sondas interplanetarias, este efecto llega a ser notorio con el paso del tiempo; se basa simplemente en el hecho de que, al no estar la masa del satélite uniformemente distribuida, y al depender las fuerzas gravitatorias de la masa del cuerpo, resulta que no todos los elementos del vehículo están sometidos a la misma fuerza de atracción por parte de la Tierra (o del planeta correspondiente), sino que los componentes más pesados son atraídos con más fuerza que los ligeros. La diferencia es muy pequeña, pero con el paso del tiempo la actitud del satélite puede llegar a cambiar. Este efecto no altera su posición, pues la fuerza de atracción total sobre el centro de masas del vehículo no cambia, pero sí puede hacerle rotar sobre sí mismo. Hay que tener en cuenta, no obstante, que este efecto puede ser beneficioso si se ha considerado adecuadamente a la hora de repartir las masas, pues puede ayudar a la estabilización del vehículo si se diseña para que las mayores masas estén en la parte que debe mirar hacia la Tierra. De hecho, este efecto se ha utilizado a veces como forma de estabilización de algunos satélites de órbita baja, para mantener sus antenas u otros instrumentos apuntando hacia la Tierra.

Un efecto similar al anterior es el del campo magnético planetario; en este caso las fuerzas que actúan no son de origen gravitatorio, sino magnético, pero su efecto es muy análogo al descrito anteriormente: al estar el satélite inmerso en el campo magnético del planeta, y al portar en su interior componentes metálicos, cables que conducen electricidad y aparatos generadores de campos electromagnéticos, aparecen fuerzas que tienden a rotar el vehículo para alinearlo con las líneas del campo. Al igual que en el caso anterior, el efecto es sólo de perturbación de la actitud, no de la posición, pues la carga total del satélite es nula, y por tanto no hay fuerzas globales sobre el mismo. Y también, como en el caso anterior, el efecto puede aprovecharse como forma de estabilización, y de hecho se utilizó, por ejemplo, en el primer satélite español, el Intasat, lanzado en 1974.

Tenemos también los efectos causados por el achatamiento terrestre: la Tierra no es una esfera perfecta; en realidad tiene una forma más bien de pelota aplastada por los polos, aunque si vamos más al detalle veremos que todavía tiene más irregularidades de menor magnitud. Todo ello hace que la masa de la Tierra no se encuentre uniformemente distribuida, lo que provoca que las fuerzas gravitatorias que genera no sean iguales en todos los puntos situados a la misma distancia de su centro, como ocurriría en el caso ideal. Esto produce irregularidades en las órbitas de los satélites que hoy en día son previsibles en gran parte, pues la forma exacta de la Tierra se conoce ya con mucha precisión y se tiene en cuenta al realizar los cálculos de órbita, pero siempre quedarán pequeñas irregularidades imposibles de considerar que alterarán las órbitas respecto a las teóricas.

Siguiendo en el caso de órbitas terrestres (o de planetas similares), tenemos también los efectos de la resistencia atmosférica: la atmósfera terrestre no termina a una altitud determinada, sino que se va diluyendo poco a poco en el espacio haciendo que sea difícil determinar cuáles son sus límites. Debido a ello, los satélites en órbitas bajas o medias se encuentran inmersos en tenues trazas de gases procedentes de la atmósfera exterior, que, aunque lentamente, lo van frenando en su recorrido debido a la resistencia aerodinámica. Evidentemente, el efecto es mayor cuanto más baja sea la órbita, aunque todavía pueden notarse leves efectos a 1000 kilómetros de altura, por ejemplo. La disminución producida en la velocidad del satélite va provocando que la órbita sea cada vez más baja, acentuando así el efecto. La forma de contrarrestarlo es con periódicos impulsos del motor cohete que compensen la pérdida de velocidad. El inconveniente es que el gasto de propulsante es elevado, lo que supone un límite para la vida del vehículo situado en órbitas bajas. Cuando el propulsante se acaba, no hay forma de compensar la pérdida de altitud debida a la resistencia aerodinámica, y el satélite termina por entrar de lleno en la atmósfera, desintegrándose por efecto de las altas temperaturas que provoca la fricción con el aire a esas velocidades.

Además del Sol, el planeta de partida, y, en su caso, el planeta de llegada, también los demás cuerpos celestes ejercen su influencia gravitatoria sobre el vehículo, tanto en misiones orbitales como interplanetarias. La influencia de estos astros más alejados es prácticamente imposible tenerla en cuenta en la etapa de diseño de la misión, pues la complejidad que supondría el considerar la influencia de más de unos cuantos cuerpos sobre el vehículo sería enorme. Por otra parte, esta influencia puede considerarse prácticamente despreciable, debido a su lejanía. Sin embargo, con el paso del tiempo, esta pequeña influencia gravitatoria actúa sobre el vehículo perturbando su órbita, lo que la convierte en una perturbación más que debe ser corregida por los subsistemas de control de órbita y de control de actitud del vehículo.

El empuje de la luz

Otro importante efecto de perturbación, especialmente en el caso de misiones interplanetarias, es la presión de radiación solar: efectivamente, aunque nos pueda parecer increíble, los fotones y partículas componentes del viento solar que inciden sobre la superficie del vehículo espacial, ejercen una fuerza sobre el mismo que se conoce como presión de radiación solar (se utilizan términos de presión porque se trata de una fuerza por unidad de superficie: a mayor superficie expuesta, mayor número de fotones incidirán y mayor será la fuerza total). En realidad, de hecho, es la luz (los fotones) los que ejercen la mayor parte de esta fuerza; la contribución de las partículas con masa del viento solar, mucho menos numerosas, es mucho menor que la contribución de los fotones, partículas en principio sin masa, pero que provocan efectos de presión comparables a los de las partículas “reales” tal y como demostró Einstein con su fórmula que relaciona masa y energía.

La presión de radiación solar cae rápidamente con la distancia al Sol, por lo que el efecto sobre sondas interplanetarias será variable a lo largo de la misión. Por otro lado, el efecto precisa de la exposición a la luz solar para actuar, lo que significa que en el caso de satélites esta perturbación no tendrá lugar durante la parte de la órbita que se encuentre en el lado de sombra. El efecto a que da lugar esta perturbación es doble: por un lado, se trata de una fuerza sobre el vehículo que afecta a la órbita del mismo; su magnitud puede ir desde despreciable en muchos casos, hasta causar un cambio significativo en la velocidad (y por lo tanto la órbita) del vehículo, si la superficie expuesta es considerable y la distancia al Sol no muy alta. Y por otro lado, la perturbación afecta a la actitud del vehículo si el centro de presiones de la fuerza no está alineado con el centro de gravedad del mismo, lo cual sucede en la mayor parte de los casos. Esta influencia sobre la actitud es el principal problema de la presión de radiación solar, ya que este efecto sí es a menudo de una magnitud apreciable, obligando a un relativamente importante consumo de propulsante para corregirlo. La presión de radiación solar es una de las perturbaciones a largo plazo más importantes sobre gran parte de los vehículos espaciales, y en particular es la más importante en el caso de satélites geoestacionarios.

Sin embargo, la presión de radiación solar, bien utilizada, puede pasar de ser una perturbación a ser una fuente de propulsión gratuita. Un claro ejemplo de esto son las propuestas de naves impulsadas por medio de velas solares, concepto actualmente en desarrollo. Otro caso práctico fue el de la Mariner 10 en su viaje a Mercurio: en aquella ocasión se utilizaron los paneles solares de la sonda como una especie de vela solar para aprovechar el importante efecto de la presión de radiación solar en la órbita de este planeta; de esta forma se realizaron unas maniobras que permitieron llevar a cabo un nuevo sobrevuelo de Mercurio cuando ya no quedaba propulsante en los motores para hacerlo por medios más convencionales.

Si la presión ejercida por la luz del Sol nos puede parecer algo casi de magia para los que estamos acostumbrados a no sentir otro efecto que su luz y calor en nuestra vida en la Tierra, quizás nos sorprendamos más al saber que no es ésta la única presión que actúa sobre un vehículo que surca el espacio. Aunque parezca increíble, el vehículo se ve sometido también a la presión de radiación de su propia antena. Efectivamente, la antena del vehículo emite una radiación electromagnética resultante de las transmisiones a la Tierra, que, de acuerdo con la dualidad onda-corpúsculo de la mecánica cuántica, equivale a la emisión de partículas. Por tanto, esta emisión provoca una reacción sobre el vehículo (principio de acción y reacción) que equivale a una fuerza actuando sobre el mismo. La magnitud de esta fuerza es proporcional a la potencia de emisión de la antena, pero en cualquier caso suele ser muy pequeña, por lo que su efecto sobre la órbita es prácticamente despreciable. Sin embargo, si la antena está descentrada respecto al centro de masas del vehículo, sí aparecerá un momento de giro sobre el mismo que, aunque pequeño, afectará con el tiempo a su actitud. Por ello, debe tenerse en cuenta al calcular los consumos de propulsante debidos al control de actitud, siendo por otra parte perfectamente conocida la magnitud del efecto en función de la potencia de la antena.

Para perturbarme me basto solo

Siguiendo con las perturbaciones de origen interno, tenemos también las debidas a la propia mecánica del satélite o sonda espacial: el vehículo porta en su interior mecanismos y pequeños motores que, debido a su movimiento y al principio de acción y reacción, provocan alteraciones en la actitud del mismo. Por ejemplo, si hay un motor que hace girar una unidad de cinta magnética o un disco duro encargados de almacenar datos para su envío a Tierra en una próxima transmisión, el giro de ese motor provoca un giro de sentido contrario sobre el vehículo que lo porta. Se trata, sin embargo, de un efecto en general pequeño y difícil de cuantificar de forma precisa, por lo que su corrección se realiza en función de las necesidades, y la cantidad de propulsante necesaria se basa en una estimación aproximada.

Además de mecanismos, en el interior del vehículo también suele haber líquidos, principalmente propulsante, que pueden moverse con cierta libertad en respuesta a pequeñas aceleraciones, pudiendo provocar dicho movimiento una variación momentánea de la distribución de masas de la nave. El buen equilibrado de un vehículo espacial es fundamental para su correcto control de actitud, por lo que el movimiento de líquidos puede afectarlo al desequilibrarlo. El efecto se puede minimizar situando el principal depósito de propulsante coincidiendo con el centro de masas del satélite o sonda, pero nunca será posible eliminar por completo esta fuente de perturbación.

Existen más efectos perturbadores sobre la órbita y la actitud de los vehículos espaciales, aunque podemos considerar que los que hemos enumerado son los más comunes e importantes. Pero hay que tener en cuenta que, aparte de éstas, existen otras múltiples perturbaciones de tipo más instantáneo, como pueden ser las producidas por eyección de elementos del vehículo, expulsión al exterior de algunos desechos en el caso de misiones tripuladas, etcétera. En conjunto, todas ellas afectan bien a la órbita o bien a la actitud de la nave espacial, por lo que necesitarán correcciones por parte de los motores dispuestos al efecto. Lo que a su vez requiere detallados cálculos, a menudo basados en datos estadísticos, para prever el propulsante necesario para poder llevar a cabo de forma satisfactoria la misión durante la vida operativa prevista.