Cápsula de reentrada

Una cápsula de reentrada es la parte de una cápsula espacial que regresa a la Tierra después de un vuelo espacial. La forma está determinada en parte por la aerodinámica; Una cápsula es aerodinámicamente estable y cae primero con el extremo romo, lo que permite que sólo el extremo romo requiera un escudo térmico para la entrada atmosférica. Una cápsula tripulada contiene el panel de instrumentos de la nave espacial, espacio de almacenamiento limitado y asientos para los miembros de la tripulación. Debido a que la forma de una cápsula tiene poca sustentación aerodinámica, el descenso final se realiza mediante paracaídas, ya sea para detenerse en tierra, en el mar o mediante captura activa por parte de un avión. Por el contrario, el desarrollo de vehículos de reentrada de aviones espaciales intenta proporcionar un perfil de reentrada más flexible.

Estructura

Las cápsulas de reentrada suelen tener menos de 5 metros (16 pies) de diámetro debido a los requisitos aerodinámicos del vehículo de lanzamiento. El diseño de la cápsula es volumétricamente eficiente y estructuralmente fuerte, por lo que normalmente es posible construir cápsulas pequeñas con un rendimiento comparable a los diseños de cuerpos de elevación o aviones espaciales en todos los aspectos excepto en la relación elevación-resistencia por un menor costo. La nave espacial Soyuz es un ejemplo. La mayoría de las cápsulas han utilizado un escudo térmico ablativo para el reingreso y no son reutilizables. Parece probable que, a partir de diciembre de 2005, el vehículo de tripulación multipropósito Orion utilice una cápsula diez veces reutilizable con un escudo térmico reemplazable. No hay límite, salvo por falta de experiencia en ingeniería, en el uso de baldosas cerámicas de alta temperatura o láminas cerámicas de temperatura ultraalta en cápsulas de reentrada.

Los materiales para la cápsula están diseñados de diferentes maneras, como la estructura de panal de aluminio del módulo de comando Apollo. El aluminio es muy ligero y la estructura le da a la cápsula una resistencia adicional. Las primeras naves espaciales tenían una capa de vidrio incrustada con resina sintética y se sometían a temperaturas muy altas. La fibra de carbono, los plásticos reforzados y la cerámica son materiales nuevos que se mejoran constantemente para su uso en la exploración espacial.

Reingreso

La mayoría de las cápsulas de reentrada han utilizado un escudo térmico ablativo para la reentrada y no son reutilizables. Las primeras naves espaciales tenían una capa de vidrio incrustada con resina sintética y se sometían a temperaturas muy altas.

Las cápsulas de reentrada son ideales para reentradas de alta energía. Las cápsulas vuelven a entrar primero por el extremo de popa con los ocupantes acostados, ya que esta es la posición óptima para que el cuerpo humano resista las fuerzas G inducidas cuando la cápsula impacta la atmósfera. La forma redondeada (cuerpo romo) de una cápsula forma una onda de choque que mantiene la mayor parte del calor alejado del escudo térmico, pero aún así es necesario un sistema de protección térmica. La cápsula espacial debe ser lo suficientemente fuerte como para resistir fuerzas de reentrada, como la resistencia al avance, y debe reentrar en un ángulo de ataque preciso para evitar un salto fuera de la superficie de la atmósfera o aceleraciones destructivas.

Cuando la cápsula de reentrada atraviesa la atmósfera, comprime el aire que tiene delante, que se calienta a temperaturas muy altas. La temperatura de la superficie de una cápsula puede alcanzar los 1.480 °C (2.700 °F) a medida que desciende a través de la atmósfera terrestre. Para evitar que este calor llegue a las estructuras interiores, las cápsulas suelen estar equipadas con un escudo térmico ablativo que carboniza y vaporiza, eliminando el calor.

El módulo de comando Apollo volvió a entrar con el centro de masa desplazado de la línea central; esto hizo que la cápsula asumiera una actitud en ángulo a través del aire, proporcionando sustentación que podría usarse para el control direccional. Se utilizaron propulsores del sistema de control de reacción para dirigir la cápsula girando el vector de elevación.

Para el descenso final se utilizan paracaídas, a veces complementados con cohetes de frenado si la cápsula está diseñada para aterrizar en la superficie de la Tierra. Ejemplos de cápsulas de aterrizaje terrestre incluyen Vostok, Voskhod, Soyuz, Shenzhou y el Boeing CST-100 Starliner. Otras cápsulas, como Mercurio, Géminis, Apolo, Orión y Dragón, caen en el océano.

Calefacción aerodinámica

Las cápsulas son adecuadas para reentradas de carga dinámica y de alta temperatura. Mientras que los planeadores de ala delta, como el transbordador espacial, pueden reentrar desde la órbita terrestre baja, y los cuerpos elevadores son capaces de entrar desde lugares tan lejanos como la Luna, es raro encontrar diseños de vehículos de reentrada desde Marte que no sean cápsulas. El diseño actual de RKK Energia para el Kliper, capaz de volar a Marte, es una excepción.

Los ingenieros que construyen una cápsula de reentrada deben tener en cuenta fuerzas como la gravedad y la resistencia. La cápsula debe ser lo suficientemente fuerte como para frenar rápidamente, debe soportar temperaturas extremadamente altas o bajas y debe sobrevivir al aterrizaje. Cuando la cápsula se acerca a la superficie de un planeta o de una luna, tiene que reducir su velocidad a un ritmo muy exacto. Si se ralentiza demasiado rápido, todo lo que hay en la cápsula quedará aplastado. Si no frena lo suficientemente rápido, chocará contra la superficie y será destruido. Existen requisitos adicionales para el reingreso a la atmósfera. Si el ángulo de ataque es demasiado pequeño, la cápsula puede saltar de la superficie de la atmósfera. Si el ángulo de ataque es demasiado pronunciado, las fuerzas de desaceleración pueden ser demasiado altas o el calor de reentrada puede exceder las tolerancias del escudo térmico.

Las cápsulas vuelven a entrar primero por el extremo de popa con los ocupantes acostados, ya que esta es la posición óptima para que el cuerpo humano resista la fuerza G desacelerante. El extremo trasero tiene forma redondeada (cuerpo romo), ya que esto forma una onda de choque que no toca la cápsula y el calor se desvía en lugar de derretir el vehículo.

El módulo de comando Apollo volvió a ingresar con el centro de masa desplazado de la línea central; esto hizo que la cápsula adoptara una actitud en ángulo en el aire, proporcionando una elevación lateral que se utilizaría para el control direccional. Se utilizaron propulsores rotacionales para dirigir la cápsula bajo control automático o manual cambiando el vector de elevación.

A altitudes y velocidades más bajas, se utilizan paracaídas para reducir la velocidad de la cápsula generando más resistencia.

Las cápsulas también tienen que ser capaces de resistir el impacto cuando llegan a la superficie de la Tierra. Todas las cápsulas tripuladas por Estados Unidos (Mercury, Gemini, Apollo) aterrizaron en el agua; las cápsulas tripuladas soviéticas/rusas Soyuz y china Shenzhou (y las planificadas estadounidenses, rusas e indias) utilizan pequeños retrocohetes para aterrizar en tierra. En la menor gravedad de Marte, las bolsas de aire son suficientes para que algunas de las misiones robóticas aterricen de manera segura.

Gravedad, arrastre y elevación

Dos de las mayores fuerzas externas que experimenta una cápsula de reentrada son la gravedad y la resistencia.

La resistencia al arrastre es la resistencia de la cápsula a moverse en el aire. El aire es una mezcla de diferentes moléculas, incluidas nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono. Cualquier cosa que caiga a través del aire choca contra estas moléculas y, por lo tanto, se ralentiza. La cantidad de arrastre sobre una cápsula depende de muchas cosas, incluida la densidad del aire y la forma, masa, diámetro y rugosidad de la cápsula. La velocidad de una nave espacial depende en gran medida del efecto combinado de las dos fuerzas: la gravedad, que puede acelerar un cohete, y la resistencia, que lo ralentiza. Las cápsulas que ingresan a la atmósfera de la Tierra se ralentizarán considerablemente debido a que nuestra atmósfera es muy espesa.

Cuando la cápsula atraviesa la atmósfera, comprime el aire que tiene delante y se calienta a temperaturas muy altas (contrariamente a la creencia popular, la fricción no es significativa).

Un buen ejemplo de esto es una estrella fugaz. Una estrella fugaz, que suele ser pequeña, genera tanto calor a través de la atmósfera que el aire alrededor del meteorito brilla al rojo vivo. Entonces, cuando pasa un objeto enorme como una cápsula, se crea aún más calor.

A medida que la cápsula se ralentiza, la compresión de las moléculas de aire que golpean la superficie de la cápsula genera mucho calor. La superficie de una cápsula puede alcanzar los 1.480 °C (2.700 °F) a medida que desciende a través de la atmósfera terrestre. Todo este calor tiene que ser desviado. Las cápsulas de reentrada suelen estar recubiertas con un material que se funde y luego se vaporiza ("ablación"). Puede parecer contraproducente, pero la vaporización le quita calor a la cápsula. Esto evita que el calor de reentrada entre en la cápsula. Las cápsulas experimentan un régimen de calentamiento más intenso que los aviones espaciales y las cerámicas como las utilizadas en el transbordador espacial suelen ser menos adecuadas, y todas las cápsulas han utilizado ablación.

En la práctica, las cápsulas crean una cantidad significativa y útil de elevación. Esta elevación se utiliza para controlar la trayectoria de la cápsula, lo que permite reducir las fuerzas G sobre la tripulación, además de reducir la transferencia máxima de calor hacia la cápsula. Cuanto más tiempo pasa el vehículo a gran altura, más fino es el aire y menos calor se conduce. Por ejemplo, el Apollo CM tenía una relación de sustentación y resistencia de aproximadamente 0,35. En ausencia de sustentación, la cápsula del Apolo habría sido sometida a una desaceleración de unos 20 g (8 g para naves espaciales en órbita terrestre baja), pero al utilizar la sustentación la trayectoria se mantuvo en alrededor de 4 g.

Diseños actuales

Shenzhou

La cápsula de reentrada es la cápsula "intermedia" Módulo de la nave espacial Soyuz o Shenzhou de tres partes: el módulo orbital está ubicado en la parte delantera de la nave espacial, con el módulo de servicio o equipo adjunto en la parte trasera. Una característica del sistema de aterrizaje permite el uso de un solo paracaídas y un "cohete de frenado", por lo que el escudo térmico se deja caer desde la nave espacial de manera similar al despliegue de la bolsa de aterrizaje en la nave espacial Mercury de EE. UU. Al igual que el módulo de mando de la nave espacial Apolo, la cápsula de reentrada de Shenzhou no tiene capacidades reutilizables; cada nave espacial vuela una vez y luego "desechada" (generalmente enviado a museos).

Se conocen pocos detalles sobre la cápsula de reentrada de Shenzhou, excepto que utiliza alguna tecnología del diseño Soyuz TM. A la nueva nave espacial Soyuz TMA, que ahora se utiliza únicamente para vuelos a la Estación Espacial Internacional, se le modificaron los sofás para permitir que los miembros de la tripulación más altos vuelen y cuenta con una "cabina de vidrio" tecnología similar a la que se encuentra en el transbordador espacial y en los aviones comerciales y militares más nuevos.

Soyuz

La ex Unión Soviética sufrió dos desastres y un casi desastre, y los tres involucraron a la cápsula durante la salida de órbita y el reingreso. La Soyuz 1 terminó en desastre cuando los paracaídas no se desplegaron y la cápsula se estrelló contra la tierra a velocidades superiores a 483 km/h (300 mph), matando al cosmonauta Vladimir Komarov. La Soyuz 5 casi termina en un desastre, cuando la cápsula de reentrada entró en la atmósfera por el morro, atribuido a una falla en la separación del módulo de servicio similar a la del vuelo Vostok 1. Afortunadamente, el módulo de servicio se quemó y la cápsula se enderezó por sí sola.

La Soyuz 11 terminó en desastre en 1971 cuando una válvula de ecualización, utilizada para igualar la presión del aire durante el descenso final de la Soyuz, se abrió prematuramente en el vacío del espacio, matando a los tres miembros de la tripulación, que no llevaban trajes espaciales. Los vuelos posteriores, de Soyuz 12 a Soyuz 40, utilizaron una tripulación de dos hombres porque hubo que quitar el tercer asiento para los controles del traje presurizado. La versión Soyuz-T recuperó el tercer asiento.

Lista de cápsulas de reentrada

Probado en vuelo:

• KH-1 a KH-4 CORONA
• Módulo de reingreso de Vostok
• KH-5 Argon
• McDonnell Cápsula de mercurio
• KH-6 Lanyard
• Zenit (Vostok-derived)
• KH-7 Gambit (Dos cápsulas por lanzamiento)
• Cápsula McDonnell Gemini
• Módulos de reingreso de Voskhod
• Módulo de mando de Apolo
• KH-8 Gambit 3
• Módulo de reentrada de soyuz
• Luna 16
• KH-9 Hexagon (4 cápsulas por lanzamiento)
• Luna 20
• Yantar
• Fanhui Shi Weixing
• Luna 24
• VA TKS cápsula de reentrada
• Experimento de reentrada orbital
• Cápsula de retorno de la muestra Stardust
• Génesis muestra cápsula de retorno
• Atmospheric Reentry Demonstrator
• Módulo de reentrada Shenzhou
• Experimento de recuperación de cápsulas espaciales
• SpaceX Dragon
• Cápsula de entrada de Hayabusa
• VBK-Raduga
• Orion MPCV
• Cápsula de retorno OSIRIS-REx
• SpaceX Dragon 2
• Boeing CST-100
• IXV (cuerpo elevador)
• nave espacial tripulada de próxima generación
• El módulo de reingreso de Chang'e 5.
• Varda W-1

En desarrollo:

• SpaceX Starship
• Gaganyaan
• Oryol/Orel
• La cápsula de reingreso de Chang'e 6.
• Martian Moons eXploration (MMX)
• Vehículo de entrada de la Tierra (retorno de muestras de Marte)
• Kavoshgar E