Inyección translunar
Una inyección translunar (TLI) es una maniobra de propulsión utilizada para colocar una nave espacial en una trayectoria que hará que llegue a la Luna.
Historia
GRAIL-A· Luna· Tierra
Tierra· Luna· Chandrayaan-2
Lunar Reconocimiento Orbiter· Tierra· Luna
La primera sonda espacial en intentar TLI fue la Luna 1 de la Unión Soviética el 2 de enero de 1959, que fue diseñada para impactar en la Luna. Sin embargo, la quema no salió exactamente como estaba planeado y la nave espacial no alcanzó la Luna por más de tres veces su radio y fue enviada a una órbita heliocéntrica. Luna 2 realizó la misma maniobra con mayor precisión el 12 de septiembre de 1959 y se estrelló contra la Luna dos días después. Los soviéticos repitieron este éxito con 22 misiones Luna más y 5 misiones Zond viajando a la Luna entre 1959 y 1976.
Estados Unidos lanzó su primer intento de impacto lunar, el Ranger 3, el 26 de enero de 1962, que no logró llegar a la Luna. A esto le siguió el primer éxito estadounidense, el Ranger 4, el 23 de abril de 1962. Se lanzaron otras 27 misiones estadounidenses a la Luna entre 1962 y 1973, incluidos cinco aterrizajes suaves Surveyor exitosos, cinco sondas de vigilancia Lunar Orbiter y nueve misiones Apolo. que llevó a los primeros humanos a la Luna.
La primera misión tripulada por humanos en realizar TLI fue el Apolo 8 el 21 de diciembre de 1968, lo que convirtió a su tripulación en los primeros humanos en abandonar la órbita terrestre baja.
Para las misiones lunares Apolo, TLI fue realizado por el motor J-2 reiniciable en la tercera etapa S-IVB del cohete Saturno V. Esta quema de TLI en particular duró aproximadamente 350 segundos, proporcionando de 3,05 a 3,25 km/s (10 000 a 10 600 pies/s) de cambio de velocidad, momento en el que la nave espacial viajaba a aproximadamente 10,4 km/s (34 150 pies/s) en relación con la tierra. El Apolo 8 TLI se observó espectacularmente desde las islas de Hawái en el cielo antes del amanecer al sur de Waikiki, se fotografió y se informó en los periódicos al día siguiente. En 1969, el TLI antes del amanecer del Apolo 10 era visible desde Cloncurry, Australia. Se describió como los faros de un automóvil que se acercaban a una colina en la niebla, con la nave espacial apareciendo como un cometa brillante con un tinte verdoso.
En 1990, Japón lanzó su primera misión lunar, usando el satélite Hiten para volar cerca de la Luna y colocar el microsatélite Hagoromo en una órbita lunar. Después de eso, exploró un nuevo método TLI de baja delta-v con un tiempo de transferencia de 6 meses (en comparación con los 3 días de Apollo).
La nave espacial estadounidense Clementine de 1994, diseñada para exhibir tecnologías livianas, usó un TLI de 3 semanas de duración con dos sobrevuelos terrestres intermedios antes de entrar en una órbita lunar.
En 1997, Asiasat-3 se convirtió en el primer satélite comercial en alcanzar la esfera de influencia de la Luna cuando, después de un lanzamiento fallido, pasó dos veces cerca de la Luna en forma de delta-v bajo para alcanzar su órbita geoestacionaria deseada.. Pasó a 6200 km de la superficie de la Luna.
El satélite de demostración de tecnología ESA SMART-1 de 2003 se convirtió en el primer satélite europeo en orbitar la Luna. Después de ser lanzado a una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO), utilizó motores de iones alimentados por energía solar para la propulsión. Como resultado de su maniobra TLI delta-v extremadamente baja, la nave espacial tardó más de 13 meses en alcanzar una órbita lunar y 17 meses en alcanzar la órbita deseada.
China lanzó su primera misión a la Luna en 2007, colocando la nave espacial Chang'e 1 en una órbita lunar. Utilizó múltiples encendidos para aumentar lentamente su apogeo y llegar a la vecindad de la Luna.
India le siguió en 2008, lanzando el Chandrayaan-1 en un GTO y, al igual que la nave espacial china, aumentando su apogeo a lo largo de una serie de encendidos.
El módulo de aterrizaje suave Beresheet de las Industrias Aeroespaciales de Israel utilizó esta maniobra en 2019, pero se estrelló en la Luna.
En 2011, los satélites GRAIL de la NASA utilizaron una ruta delta-v baja hacia la Luna, pasando por el punto Sol-Tierra L1 y tardando más de 3 meses.
Teoría
Las trayectorias típicas de transferencia lunar se aproximan a las transferencias de Hohmann, aunque en algunos casos también se han utilizado transferencias de baja energía, como con la sonda Hiten. Para misiones de corta duración sin perturbaciones significativas de fuentes fuera del sistema Tierra-Luna, una transferencia Hohmann rápida suele ser más práctica.
Una nave espacial realiza TLI para comenzar una transferencia lunar desde una órbita de estacionamiento circular baja alrededor de la Tierra. La gran quema de TLI, generalmente realizada por un motor de cohete químico, aumenta la velocidad de la nave espacial, cambiando su órbita de una órbita circular baja de la Tierra a una órbita altamente excéntrica. A medida que la nave espacial comienza a desplazarse por el arco de transferencia lunar, su trayectoria se aproxima a una órbita elíptica alrededor de la Tierra con un apogeo cercano al radio de la órbita de la Luna. La quemadura TLI está dimensionada y cronometrada para apuntar con precisión a la Luna mientras gira alrededor de la Tierra. La quema está programada para que la nave espacial se acerque al apogeo a medida que se acerca la Luna. Finalmente, la nave espacial entra en la esfera de influencia de la Luna, realizando un giro lunar hiperbólico.
Devolución gratuita
En algunos casos, es posible diseñar un TLI para apuntar a una trayectoria de retorno libre, de modo que la nave espacial gire detrás de la Luna y regrese a la Tierra sin necesidad de más maniobras de propulsión.
Estas trayectorias de retorno libre agregan un margen de seguridad a las misiones de vuelos espaciales tripulados, ya que la nave espacial regresará a la Tierra 'gratis'; después de la quemadura TLI inicial. Los Apolos 8, 10 y 11 comenzaron con una trayectoria de retorno libre, mientras que las misiones posteriores utilizaron una trayectoria híbrida funcionalmente similar, en la que se requiere una corrección de rumbo a mitad de camino para llegar a la luna.
Modelado
Cónicas parcheadas
La selección de blancos TLI y las transferencias lunares son una aplicación específica del problema de n cuerpos, que se puede aproximar de varias formas. La forma más sencilla de explorar las trayectorias de transferencia lunar es mediante el método de las cónicas parcheadas. Se supone que la nave espacial acelera solo bajo la dinámica clásica de 2 cuerpos, dominada por la Tierra hasta que alcanza la esfera de influencia de la Luna. El movimiento en un sistema cónico parcheado es determinista y fácil de calcular, lo que se presta para el diseño de misiones aproximadas y el 'reverso del sobre'. estudios.
Circular restringida de tres cuerpos (RC3B)
Sin embargo, de manera más realista, la nave espacial está sujeta a las fuerzas gravitatorias de muchos cuerpos. La gravitación de la Tierra y la Luna dominan la aceleración de la nave espacial, y dado que la masa de la nave espacial es insignificante en comparación, la trayectoria de la nave espacial puede aproximarse mejor como un problema restringido de tres cuerpos. Este modelo es una aproximación más cercana pero carece de una solución analítica, lo que requiere un cálculo numérico.
Más precisión
Una simulación más detallada implica modelar el verdadero movimiento orbital de la Luna; gravitación de otros cuerpos astronómicos; la falta de uniformidad de la gravedad de la Tierra y la Luna; incluyendo la presión de radiación solar; y así. La propagación del movimiento de la nave espacial en dicho modelo es numéricamente intensiva, pero necesaria para la verdadera precisión de la misión.
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