Nave espacial sin tripulación
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Tema: Plano espacial Buran fue lanzado, orbitado por la Tierra, y aterrizado como una nave espacial no construida en 1988 (izquierda). Modelo del telescopio espacial James Webb (derecha).
Naves espaciales robóticas o naves espaciales sin tripulación son naves espaciales sin personas a bordo. Las naves espaciales sin tripulación pueden tener diferentes niveles de autonomía con respecto a la intervención humana; pueden ser controlados a distancia, guiados a distancia o incluso autónomos, lo que significa que tienen una lista preprogramada de operaciones, que ejecutarán a menos que se indique lo contrario. Una nave espacial robótica diseñada para realizar mediciones de investigación científica a menudo se denomina sonda espacial u observatorio espacial.
Muchas misiones espaciales son más adecuadas para la operación telerrobótica que para la operación tripulada, debido a su menor costo y menores factores de riesgo. Además, algunos destinos planetarios como Venus o la vecindad de Júpiter son demasiado hostiles para la supervivencia humana, dada la tecnología actual. Los planetas exteriores como Saturno, Urano y Neptuno están demasiado lejos para alcanzarlos con la tecnología actual de vuelos espaciales tripulados, por lo que las sondas telerrobóticas son la única forma de explorarlos. La telerrobótica también permite la exploración de regiones que son vulnerables a la contaminación por microorganismos terrestres, ya que las naves espaciales pueden esterilizarse. Los seres humanos no pueden esterilizarse de la misma manera que una nave espacial, ya que coexisten con numerosos microorganismos, y estos microorganismos también son difíciles de contener dentro de una nave espacial o un traje espacial.
La primera misión espacial sin tripulación fue Sputnik, lanzada el 4 de octubre de 1957 para orbitar la Tierra. Casi todos los satélites, módulos de aterrizaje y rovers son naves espaciales robóticas. No todas las naves espaciales sin tripulación son naves espaciales robóticas; por ejemplo, una bola reflectora es una nave espacial no robótica sin tripulación. Las misiones espaciales en las que hay otros animales pero no humanos a bordo se denominan misiones sin tripulación.
Muchas naves espaciales habitables también tienen distintos niveles de características robóticas. Por ejemplo, las estaciones espaciales Salyut 7 y Mir, y el módulo Zarya de la Estación Espacial Internacional, eran capaces de realizar maniobras de acoplamiento y mantenimiento de la estación guiadas a distancia con naves de reabastecimiento y módulos nuevos. Las naves espaciales de reabastecimiento sin tripulación se utilizan cada vez más para estaciones espaciales tripuladas.
Historia
La Unión Soviética (URSS) lanzó la primera nave espacial robótica el 22 de julio de 1951, un vuelo suborbital que transportaba a dos perros, Dezik y Tsygan. Otros cuatro vuelos de este tipo se realizaron hasta el otoño de 1951.
El primer satélite artificial, el Sputnik 1, fue puesto en una órbita terrestre de 215 por 939 kilómetros (116 por 507 nmi) por la URSS el 4 de octubre de 1957. El 3 de noviembre de 1957, la URSS orbitó el Sputnik 2. Pesaje 113 kilogramos (249 lb), el Sputnik 2 llevó al primer animal a la órbita, la perra Laika. Dado que el satélite no fue diseñado para separarse de la etapa superior de su vehículo de lanzamiento, la masa total en órbita fue de 508,3 kilogramos (1121 lb).
En una reñida carrera con los soviéticos, Estados Unidos lanzó su primer satélite artificial, el Explorer 1, a una órbita de 357 por 2543 kilómetros (193 por 1373 millas náuticas) el 31 de enero de 1958. El Explorer I era un 205- cilindro de un centímetro (80,75 pulgadas) de largo por 15,2 centímetros (6,00 pulgadas) de diámetro que pesaba 14,0 kilogramos (30,8 lb), en comparación con el Sputnik 1, una esfera de 58 centímetros (23 pulgadas) que pesaba 83,6 kilogramos (184 lb). Explorer 1 llevaba sensores que confirmaron la existencia de los cinturones de Van Allen, un importante descubrimiento científico en ese momento, mientras que Sputnik 1 no llevaba sensores científicos. El 17 de marzo de 1958, EE. UU. puso en órbita su segundo satélite, Vanguard 1, que tenía aproximadamente el tamaño de una toronja y permanece en una órbita de 670 por 3850 kilómetros (360 por 2080 nmi) a partir de 2016.
El primer intento de sonda lunar fue el Luna E-1 No.1, lanzado el 23 de septiembre de 1958. El objetivo de una sonda lunar fracasó repetidamente hasta el 4 de enero de 1959 cuando Luna 1 orbitó alrededor de la Luna y luego del Sol.
El éxito de estas primeras misiones inició una carrera entre EE. UU. y la URSS para superarse mutuamente con sondas cada vez más ambiciosas. Mariner 2 fue la primera sonda en estudiar otro planeta, revelando Venus' temperatura extremadamente alta para los científicos en 1962, mientras que la Venera 4 soviética fue la primera sonda atmosférica en estudiar Venus. El sobrevuelo de Marte de 1965 de Mariner 4 tomó las primeras imágenes de su superficie llena de cráteres, a lo que los soviéticos respondieron unos meses después con imágenes de su superficie de Luna 9. En 1967, el Surveyor 3 de Estados Unidos recopiló información sobre la superficie de la Luna que resultaría crucial para la misión Apolo 11 que llevó humanos a la Luna dos años después.
La primera sonda interestelar fue la Voyager 1, lanzada el 5 de septiembre de 1977. Ingresó al espacio interestelar el 25 de agosto de 2012, seguida por su gemela Voyager 2 el 5 de noviembre de 2018.
Otros nueve países han lanzado satélites con éxito utilizando sus propios vehículos de lanzamiento: Francia (1965), Japón y China (1970), Reino Unido (1971), India (1980), Israel (1988), Irán (2009), Corea del Norte (2012) y Corea del Sur (2022).
Telepresencia
La telerobótica se convierte en telepresencia cuando el tiempo de demora es lo suficientemente corto como para permitir que los humanos controlen la nave espacial casi en tiempo real. Incluso el retraso de dos segundos en la velocidad de la luz de la Luna está demasiado lejos para la exploración de telepresencia desde la Tierra. Las posiciones L1 y L2 permiten demoras de ida y vuelta de 400 milisegundos, que es lo suficientemente cerca para la operación de telepresencia. También se ha sugerido la telepresencia como una forma de reparar satélites en órbita terrestre desde la Tierra. El Simposio de Telerobótica de Exploración en 2012 exploró este y otros temas.
Diseño
En el diseño de naves espaciales, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos considera que un vehículo consiste en la carga útil de la misión y el autobús (o plataforma). El autobús proporciona estructura física, control térmico, energía eléctrica, control de actitud y telemetría, seguimiento y mando.
JPL divide el "sistema de vuelo" de una nave espacial en subsistemas. Éstas incluyen:
Estructura
Esta es la estructura física de la columna vertebral. Él:
- proporciona la integridad mecánica general de la nave espacial
- asegura que los componentes de naves espaciales sean compatibles y pueden soportar cargas de lanzamiento
Manejo de datos
Esto a veces se denomina subsistema de comando y datos. A menudo es responsable de:
- secuencia de comando almacenamiento
- mantenimiento del reloj espacial
- recopilación y presentación de datos de telemetría de naves espaciales (por ejemplo, la salud de las naves espaciales)
- recopilación y presentación de datos de la misión (por ejemplo, imágenes fotográficas)
Determinación y control de actitudes
Este sistema es el principal responsable de la orientación correcta de la nave espacial en el espacio (actitud) a pesar de los efectos de gradiente de gravedad de perturbaciones externas, pares de campo magnético, radiación solar y resistencia aerodinámica; además, puede ser necesario reposicionar piezas móviles, como antenas y paneles solares.
Aterrizaje en terreno peligroso
En las misiones de exploración planetaria que involucran naves espaciales robóticas, hay tres partes clave en los procesos de aterrizaje en la superficie del planeta para garantizar un aterrizaje seguro y exitoso. Este proceso incluye una entrada en el campo de gravedad planetario y la atmósfera, un descenso a través de esa atmósfera hacia una región deseada/objetiva de valor científico, y un aterrizaje seguro que garantiza la preservación de la integridad de la instrumentación en la nave. Mientras la nave espacial robótica atraviesa esas partes, también debe ser capaz de estimar su posición en comparación con la superficie para garantizar un control confiable de sí mismo y su capacidad para maniobrar bien. La nave espacial robótica también debe realizar evaluaciones de peligros y ajustes de trayectoria de manera eficiente en tiempo real para evitar peligros. Para lograr esto, la nave espacial robótica requiere un conocimiento preciso de dónde se encuentra la nave espacial en relación con la superficie (localización), qué puede representar peligros del terreno (evaluación de peligros) y hacia dónde debe dirigirse la nave espacial actualmente (evitación de peligros). Sin la capacidad de operaciones de localización, evaluación de peligros y evitación, la nave espacial robótica se vuelve insegura y puede entrar fácilmente en situaciones peligrosas como colisiones en la superficie, niveles de consumo de combustible no deseados y/o maniobras inseguras.
Entrada, descenso y aterrizaje
La detección integrada incorpora un algoritmo de transformación de imágenes para interpretar los datos terrestres de las imágenes inmediatas, realizar una detección en tiempo real y evitar los peligros del terreno que pueden impedir un aterrizaje seguro y aumentar la precisión del aterrizaje en un sitio de interés deseado mediante la localización de puntos de referencia. tecnicas La detección integrada completa estas tareas basándose en información y cámaras pregrabadas para comprender su ubicación y determinar su posición y si es correcta o necesita hacer correcciones (localización). Las cámaras también se utilizan para detectar posibles peligros, ya sea un aumento del consumo de combustible o un peligro físico, como un lugar de aterrizaje deficiente en un cráter o en un acantilado que haría que el aterrizaje no fuera el ideal (evaluación de peligros).
Telecomunicaciones
Los componentes del subsistema de telecomunicaciones incluyen antenas de radio, transmisores y receptores. Estos pueden usarse para comunicarse con estaciones terrestres en la Tierra o con otras naves espaciales.
Energía eléctrica
El suministro de energía eléctrica en las naves espaciales generalmente proviene de células fotovoltaicas (solares) o de un generador termoeléctrico de radioisótopos. Otros componentes del subsistema incluyen baterías para almacenar energía y circuitos de distribución que conectan los componentes a las fuentes de energía.
Control de temperatura y protección del medio ambiente
Las naves espaciales suelen estar protegidas de las fluctuaciones de temperatura con aislamiento. Algunas naves espaciales usan espejos y parasoles para protección adicional contra el calor solar. También suelen necesitar protección contra micrometeoroides y desechos orbitales.
Propulsión
La propulsión de naves espaciales es un método que permite que una nave espacial viaje por el espacio generando empuje para empujarla hacia adelante. Sin embargo, no existe un sistema de propulsión de uso universal: monopropulsor, bipropulsor, propulsión iónica, etc. Cada sistema de propulsión genera empuje de formas ligeramente diferentes y cada sistema tiene sus propias ventajas y desventajas. Pero, la mayor parte de la propulsión de naves espaciales hoy en día se basa en motores de cohetes. La idea general detrás de los motores de cohetes es que cuando un oxidante se encuentra con la fuente de combustible, hay una liberación explosiva de energía y calor a altas velocidades, lo que impulsa a la nave hacia adelante. Esto sucede debido a un principio básico conocido como la Tercera Ley de Newton. Según Newton, 'a toda acción le corresponde una reacción igual y opuesta'. A medida que la energía y el calor se liberan desde la parte posterior de la nave espacial, las partículas de gas se empujan para permitir que la nave espacial se propulse hacia adelante. La razón principal detrás del uso de motores de cohetes en la actualidad es que los cohetes son la forma de propulsión más poderosa que existe.
Monopropelente
Para que un sistema de propulsión funcione, generalmente hay una línea de oxidante y una línea de combustible. De esta manera, se controla la propulsión de la nave espacial. Pero en una propulsión monopropelente, no hay necesidad de una línea de oxidante y solo requiere la línea de combustible. Esto funciona debido a que el oxidante se une químicamente a la propia molécula de combustible. Pero para que el sistema de propulsión sea controlado, la combustión del combustible solo puede ocurrir debido a la presencia de un catalizador. Esto es bastante ventajoso debido a que hace que el motor del cohete sea más liviano y económico, fácil de controlar y más confiable. Pero, la desventaja es que el producto químico es muy peligroso de fabricar, almacenar y transportar.
Bipropelente
Un sistema de propulsión bipropulsor es un motor de cohete que utiliza un propulsor líquido. Esto significa que tanto el oxidante como la línea de combustible están en estado líquido. Este sistema es único porque no requiere un sistema de encendido, los dos líquidos entrarían en combustión espontánea tan pronto como entren en contacto y producirían la propulsión para empujar la nave espacial hacia adelante. El principal beneficio de contar con esta tecnología es que este tipo de líquidos tienen una densidad relativamente alta, lo que permite que el volumen del tanque propulsor sea pequeño, aumentando así la eficacia del espacio. El inconveniente es el mismo que el del sistema de propulsión monopropulsor: muy peligroso de fabricar, almacenar y transportar.
Ión
Un sistema de propulsión iónica es un tipo de motor que genera empuje mediante el bombardeo de electrones o la aceleración de iones. Al disparar electrones de alta energía a un átomo propulsor (carga neutra), elimina electrones del átomo propulsor y esto hace que el átomo propulsor se convierta en un átomo con carga positiva. Los iones cargados positivamente son guiados para pasar a través de rejillas cargadas positivamente que contienen miles de orificios alineados con precisión que funcionan a altos voltajes. Luego, los iones cargados positivamente alineados aceleran a través de una rejilla aceleradora cargada negativamente que aumenta aún más la velocidad de los iones hasta 40 kilómetros por segundo (90,000 mph). El impulso de estos iones cargados positivamente proporciona el impulso para impulsar la nave espacial hacia adelante. La ventaja de tener este tipo de propulsión es que es increíblemente eficiente para mantener una velocidad constante, que es necesaria para viajar al espacio profundo. Sin embargo, la cantidad de empuje producido es extremadamente baja y necesita mucha energía eléctrica para funcionar.
Dispositivos mecánicos
Los componentes mecánicos a menudo deben moverse para su despliegue después del lanzamiento o antes del aterrizaje. Además del uso de motores, muchos movimientos de una sola vez son controlados por dispositivos pirotécnicos.
Nave espacial robótica versus no tripulada
Las naves espaciales robóticas son un sistema diseñado específicamente para un entorno hostil específico. Debido a su especificación para un entorno particular, varía mucho en complejidad y capacidades. Mientras que una nave espacial sin tripulación es una nave espacial sin personal ni tripulación y es operada por control automático (procede con una acción sin intervención humana) o por control remoto (con intervención humana). El término 'nave espacial sin tripulación' no implica que la nave espacial sea robótica.
Control
Las naves espaciales robóticas utilizan la telemetría para transmitir por radio a la Tierra los datos adquiridos y la información del estado del vehículo. Aunque generalmente se lo conoce como "controlado remotamente" o 'telerobotic', las primeras naves espaciales orbitales, como el Sputnik 1 y el Explorer 1, no recibieron señales de control de la Tierra. Poco después de estas primeras naves espaciales, se desarrollaron sistemas de comando para permitir el control remoto desde tierra. Una mayor autonomía es importante para las sondas distantes donde el tiempo de viaje de la luz impide una decisión y un control rápidos desde la Tierra. Las sondas más nuevas, como Cassini–Huygens y los Mars Exploration Rovers, son altamente autónomas y usan computadoras a bordo para operar de manera independiente durante largos períodos de tiempo.
Sondas espaciales y observatorios
Una sonda espacial es una nave espacial robótica que no orbita la Tierra, sino que explora el espacio exterior. Las sondas espaciales tienen diferentes conjuntos de instrumentos científicos a bordo. Una sonda espacial puede acercarse a la Luna; viajar por el espacio interplanetario; sobrevuelo, órbita o aterrizaje en otros cuerpos planetarios; o entrar en el espacio interestelar. Las sondas espaciales envían datos recopilados a la Tierra. Las sondas espaciales pueden ser orbitadores, módulos de aterrizaje y rovers. Las sondas espaciales también pueden recolectar materiales de su objetivo y devolverlo a la Tierra.
Una vez que una sonda ha dejado la vecindad de la Tierra, su trayectoria probablemente la llevará a lo largo de una órbita alrededor del Sol similar a la órbita de la Tierra. Para llegar a otro planeta, el método práctico más simple es una órbita de transferencia de Hohmann. Las técnicas más complejas, como las hondas gravitacionales, pueden ser más eficientes en combustible, aunque pueden requerir que la sonda pase más tiempo en tránsito. Algunas misiones de alto Delta-V (como aquellas con grandes cambios de inclinación) solo se pueden realizar, dentro de los límites de la propulsión moderna, utilizando tirachinas gravitacionales. Una técnica que utiliza muy poca propulsión, pero requiere una cantidad considerable de tiempo, es seguir una trayectoria en la Red de Transporte Interplanetario.
Un telescopio espacial u observatorio espacial es un telescopio en el espacio exterior que se utiliza para observar objetos astronómicos. Los telescopios espaciales evitan el filtrado y la distorsión de la radiación electromagnética que observan y evitan la contaminación lumínica que encuentran los observatorios terrestres. Se dividen en dos tipos: satélites que mapean todo el cielo (relevamiento astronómico) y satélites que se enfocan en objetos astronómicos seleccionados o partes del cielo y más allá. Los telescopios espaciales son distintos de los satélites de imágenes de la Tierra, que apuntan hacia la Tierra para obtener imágenes satelitales, aplicadas para análisis meteorológico, espionaje y otros tipos de recopilación de información.
Nave espacial de carga
Carga o nave espacial de reabastecimiento son naves espaciales robóticas que están diseñadas para transportar carga, posiblemente para apoyar estaciones espaciales & # 39; operación mediante el transporte de alimentos, propulsores y otros suministros. Esto es diferente de las sondas espaciales, cuyas misiones son realizar investigaciones científicas.
Las naves espaciales de carga automatizadas se han utilizado desde 1978 y han dado servicio a Salyut 6, Salyut 7, Mir, la Estación Espacial Internacional y la estación espacial Tiangong.
A partir de 2023, se utilizarán tres naves espaciales de carga diferentes para abastecer la Estación Espacial Internacional: Progress ruso, SpaceX Dragon 2 estadounidense y Cygnus. La Tianzhou china se utiliza para abastecer la estación espacial de Tiangong.
Vehículos de servicio de naves espaciales robóticas
- El vehículo de extensión de la misión es un enfoque alternativo que no utiliza la transferencia de combustible RCS en el espacio. Más bien, se conectaría al satélite objetivo de la misma manera que MDA SIS, y luego utilizaría "sus propios impulsores para proporcionar control de actitud para el objetivo".
- OSAM-1 es la misión de pruebas de ingeniería de servicios, montaje y fabricación de la NASA. El vehículo tiene dos cargas robóticas con un total de tres brazos robot y realiza múltiples tareas: repostar un satélite de observación terrestre antiguo Landsat 7, construir una antena de comunicaciones de segmentos y fabricar un rayo estructural.