Aerofrenado
Marte Reconnaissance Orbiter· Marte
Aerobraking es una maniobra de vuelo espacial que reduce el punto alto de una órbita elíptica (apoapsis) haciendo volar el vehículo a través de la atmósfera en el punto bajo de la órbita (periapsis). El arrastre resultante frena la nave espacial. El aerofrenado se usa cuando una nave espacial requiere una órbita baja después de llegar a un cuerpo con atmósfera, ya que requiere menos combustible que usar la propulsión para reducir la velocidad.
Método
Cuando un vehículo interplanetario llega a su destino, debe reducir su velocidad para alcanzar la órbita o aterrizar. Para alcanzar una órbita baja, casi circular, alrededor de un cuerpo con una gravedad sustancial (como se requiere para muchos estudios científicos), los cambios de velocidad requeridos pueden ser del orden de kilómetros por segundo. Usando la propulsión, la ecuación del cohete dicta que una gran fracción de la masa de la nave espacial debe consistir en combustible. Esto reduce la carga científica y/o requiere un cohete grande y costoso. Siempre que el cuerpo objetivo tenga una atmósfera, se puede usar aerofrenado para reducir los requisitos de combustible. El uso de una quemadura relativamente pequeña permite que la nave espacial entre en una órbita elíptica alargada. El aerofrenado luego acorta la órbita en un círculo. Si la atmósfera es lo suficientemente espesa, un solo paso puede ser suficiente para ajustar la órbita. Sin embargo, el aerofrenado generalmente requiere múltiples órbitas más altas en la atmósfera. Esto reduce los efectos del calentamiento por fricción, los efectos de turbulencia impredecibles, la composición atmosférica y la temperatura. El aerofrenado hecho de esta manera permite suficiente tiempo después de cada pasada para medir el cambio de velocidad y hacer correcciones para la próxima pasada. Lograr la órbita final puede llevar más de seis meses para Marte y puede requerir cientos de pasadas a través de la atmósfera. Después del último paso, la nave espacial debe recibir más energía cinética a través de motores de cohetes para elevar el periápside por encima de la atmósfera.
La energía cinética disipada por el aerofrenado se convierte en calor, lo que significa que la nave espacial debe disipar este calor. La nave espacial debe tener suficiente área de superficie y resistencia estructural para producir y sobrevivir la resistencia requerida. Las temperaturas y presiones asociadas con el aerofrenado no son tan severas como las del reingreso atmosférico o la aerocaptura. Las simulaciones del aerofrenado del Mars Reconnaissance Orbiter utilizan un límite de fuerza de 0,35 N por metro cuadrado con una sección transversal de la nave espacial de unos 37 m2, lo que equivale a una fuerza de arrastre máxima de unos 7,4 N, y una temperatura máxima esperada de 170 °C. La densidad de fuerza (es decir, la presión), aproximadamente 0,2 N por metro cuadrado, que se ejerció sobre el Mars Observer durante el aerofrenado es comparable a la resistencia aerodinámica de moverse a 0,6 m/s (2,16 km/h) al nivel del mar en la Tierra, aproximadamente la cantidad experimentada al caminar lentamente.
Con respecto a la navegación de naves espaciales, Moriba Jah fue el primero en demostrar la capacidad de procesar los datos de la Unidad de medición inercial (IMU) recopilados a bordo de la nave espacial, durante el aerofrenado, utilizando un filtro Kalman sin olor para inferir estadísticamente la trayectoria de la nave espacial independientemente de datos de medición basados en tierra. Jah hizo esto utilizando datos IMU reales de Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter. Además, este fue el primer uso de un filtro Kalman sin perfume para determinar la órbita de un objeto espacial antropogénico sobre otro planeta. Este método, que podría usarse para automatizar la navegación con aerofrenado, se llama Mediciones inerciales para la navegación asistida por aire (IMAN) y Jah ganó un premio de la Ley espacial de la NASA por este trabajo.
Muchas naves espaciales utilizan paneles solares para impulsar sus operaciones. Los paneles se pueden usar para refinar el aerofrenado para reducir el número de órbitas requeridas. Los paneles giran de acuerdo con un algoritmo impulsado por IA para aumentar/reducir la resistencia y pueden reducir los tiempos de llegada de meses a semanas.
Métodos relacionados
La aerocaptura es un método relacionado, pero más extremo, en el que no se realiza una inyección orbital inicial. En cambio, la nave espacial se sumerge profundamente en la atmósfera sin una quemadura de inserción inicial y emerge de este paso único en la atmósfera con un apoapsis cercano al de la órbita deseada. Luego se utilizan varias quemaduras de corrección pequeñas para elevar el periapsis y realizar los ajustes finales. Este método se planeó originalmente para el orbitador Mars Odyssey, pero los impactos significativos del diseño resultaron demasiado costosos.
Otra técnica relacionada es la asistencia de aerogravedad, en la que la nave espacial vuela a través de la atmósfera superior y utiliza sustentación aerodinámica en lugar de arrastre en el punto de máxima aproximación. Si se orienta correctamente, esto puede aumentar el ángulo de deflexión por encima del de una asistencia de gravedad pura, lo que da como resultado un delta-v más grande.
Misiones de naves espaciales
2001 Mars Odyssey· Marte
Marte· ExoMars Trace Gas Orbiter
Aunque la teoría del aerofrenado está bien desarrollada, usar la técnica es difícil porque se necesita un conocimiento muy detallado del carácter de la atmósfera del planeta objetivo para planificar la maniobra correctamente. Actualmente, la desaceleración se monitorea durante cada maniobra y los planes se modifican en consecuencia. Dado que ninguna nave espacial aún puede aerofrenar de manera segura por sí sola, esto requiere una atención constante tanto de los controladores humanos como de la Red del Espacio Profundo. Esto es particularmente cierto cerca del final del proceso, cuando los pases de arrastre están relativamente juntos (solo con una diferencia de 2 horas para Marte). La NASA ha utilizado el aerofrenado cuatro veces para modificar la órbita de una nave espacial a una con menor energía, menor altitud de apoapsis y una órbita más pequeña.
El 19 de marzo de 1991, la nave espacial Hiten demostró el aerofrenado. Esta fue la primera maniobra de aerofrenado de una sonda del espacio profundo. Hiten (también conocido como MUSES-A) fue lanzado por el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) de Japón. Hiten voló cerca de la Tierra a una altitud de 125,5 km sobre el Pacífico a 11,0 km/s. La resistencia atmosférica redujo la velocidad en 1,712 m/s y la altitud del apogeo en 8665 km. El 30 de marzo se realizó otra maniobra de aerofrenado.
En mayo de 1993, se utilizó aerofrenado durante la misión venusiana extendida de la nave espacial Magellan. Se utilizó para circularizar la órbita de la nave espacial con el fin de aumentar la precisión de la medición del campo de gravedad. Todo el campo de gravedad fue mapeado desde la órbita circular durante un ciclo de 243 días de la misión extendida. Durante la fase de terminación de la misión, un "experimento de molino de viento" se realizó: La presión molecular atmosférica ejerce un par a través de las alas de las células solares orientadas en forma de vela de molino de viento, se mide el contrapar necesario para evitar que la sonda gire.
En 1997, el orbitador Mars Global Surveyor (MGS) fue la primera nave espacial en utilizar aerofrenado como la principal técnica planificada de ajuste de la órbita. El MGS utilizó los datos recopilados de la misión Magellan a Venus para planificar su técnica de aerofrenado. La nave espacial usó sus paneles solares como "alas" para controlar su paso a través de la tenue atmósfera superior de Marte y bajar la apoapsis de su órbita en el transcurso de muchos meses. Desafortunadamente, una falla estructural poco después del lanzamiento dañó severamente uno de los paneles solares del MGS y requirió una mayor altitud de aerofrenado (y por lo tanto un tercio de la fuerza) de lo planeado originalmente, extendiendo significativamente el tiempo requerido para alcanzar la órbita deseada. Más recientemente, las naves espaciales Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter utilizaron aerofrenado, en ambos casos sin incidentes.
En 2014, se realizó con éxito un experimento de aerofrenado a modo de prueba cerca del final de la misión de la sonda Venus Express de la ESA.
En 2017-2018, el ExoMars Trace Gas Orbiter de la ESA realizó aerofrenado en Marte para reducir el apocentro de la órbita, siendo el primer aerofrenado operativo para una misión europea.
Aerofrenado en la ficción
En la novela Space Cadet de Robert A. Heinlein de 1948, el aerofrenado se usa para ahorrar combustible mientras se desacelera la nave espacial Aes Triplex para una misión extendida no planificada y aterrizaje en Venus, durante un tránsito del Cinturón de Asteroides a la Tierra.
La nave espacial Cosmonauta Alexei Leonov en la novela 2010: Odyssey Two de Arthur C. Clarke de 1982 y su adaptación cinematográfica de 1984 utiliza aerofrenado en las capas superiores de Júpiter& #39;s para establecerse en el punto L1 Lagrangiano del sistema Júpiter-Io.
En la serie de televisión de 2004 Space Odyssey: Voyage to the Planets, la tripulación de la nave espacial internacional Pegasus realiza una maniobra de aerofrenado en la atmósfera superior de Júpiter para reducir la velocidad lo suficiente como para entrar en la órbita joviana..
En el cuarto episodio de Stargate Universe, la antigua nave Destiny sufre una pérdida casi total de energía y debe usar aerofrenado para cambiar de rumbo. El episodio de 2009 termina en un suspenso con Destiny dirigiéndose directamente hacia una estrella.
En el juego sandbox de simulación espacial Kerbal Space Program, este es un método común para reducir la velocidad orbital de una nave. A veces se le llama con humor "rotura aerodinámica", porque la alta resistencia a veces hace que las embarcaciones grandes se partan en varias partes.
En la trilogía de Marte de Kim Stanley Robinson, la nave espacial Ares que transporta a los primeros cien humanos que llegan a Marte utiliza el aerofrenado para entrar en órbita alrededor del planeta. Más adelante en los libros, como un esfuerzo por espesar la atmósfera, los científicos ponen un asteroide en aerofrenado para vaporizarlo y liberar su contenido a la atmósfera.
En la película Interstellar de 2014, el piloto astronauta Cooper utiliza el aerofrenado para ahorrar combustible y reducir la velocidad de la nave espacial Ranger al salir del agujero de gusano para llegar a la órbita sobre el primer planeta.
Frenado aerodinámico
El frenado aerodinámico es un método utilizado en el aterrizaje de aeronaves para ayudar a los frenos de las ruedas a detener el avión. A menudo se usa para aterrizajes en pistas cortas o cuando las condiciones son húmedas, heladas o resbaladizas. El frenado aerodinámico se realiza inmediatamente después de que las ruedas traseras (soportes principales) toquen el suelo, pero antes de que caiga la rueda de morro. El piloto comienza a tirar hacia atrás de la palanca, aplicando presión de profundidad para mantener el morro alto. La actitud de morro alto expone una mayor parte de la superficie de la nave al flujo de aire, lo que produce una mayor resistencia, lo que ayuda a reducir la velocidad del avión. Los elevadores elevados también hacen que el aire empuje hacia abajo en la parte trasera de la nave, forzando a las ruedas traseras contra el suelo con más fuerza, lo que ayuda a las ruedas a frenar al ayudar a evitar el derrape. Por lo general, el piloto continuará reteniendo la palanca incluso después de que los elevadores pierdan su autoridad y la rueda de morro caiga, para mantener una presión adicional sobre las ruedas traseras.
El frenado aerodinámico es una técnica de frenado común durante el aterrizaje, que también puede ayudar a proteger los frenos de las ruedas y los neumáticos contra el desgaste excesivo, o contra el bloqueo y el deslizamiento de la nave fuera de control. A menudo lo utilizan pilotos privados, aviones comerciales, aviones de combate y fue utilizado por los transbordadores espaciales durante los aterrizajes.
Un Raptor F-22 aterrizando en Elmendorf AFB, demostrando frenado aerodinámico.
Frenado aerodinámico en aterrizajes de transbordador espacial.
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