La astronáutica es la parte teórica-práctica de los proyectos de las investigaciones espaciales, entiéndase como los margenes externos de la atmósfera del espacio Terrestre, mediante una cierta variedad de elementos artificiales, tripulados o no, es decir, el estudio de trayectorias, navegación, exploración y supervivencia humana en el espacio.
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¿Qué es la Astronáutica?
La astronáutica habla básicamente de las diferentes hipótesis y prácticas de las exploraciones fuera de la atmósfera de nuestro planeta Tierra, a través de un conjunto de elementos esenciales, tripulados o no, es decir, la evaluación de todos los cursos, las expediciones, la exploración y la supervivencia humana en el espacio. Incluye la construcción de diseños de naves espaciales y lanzadores que los pondrán en órbita, o los llevarán a los planetas, lunas, asteroides, cometas, etc.
En general la astronáutica refleja un conjunto de subdivisiones y una gran complejidad, debido a las difíciles condiciones en las que se pretende que funcionen las unidades. Actualmente, la exploración espacial ha demostrado ser una disciplina muy útil, como todos los países participantes. La astronáutica, combinada con la astronomía y la astrofísica, ha conducido a disciplinas científicas mejoradas o nuevas: astrodinámica, astro, astrogeofísica de telemetría espacial, astro astrofisiología, etc.
Las áreas generales de Astronáutica, en colaboración con varios campos científicos y técnicos (en materias como la astronomía, matemáticas, física, tecnología de cohetes, robótica, electrónica, ingeniería informática, biotecnología, medicina, ciencia de materiales, etc.) son:
- El diseño de los ingenios espaciales (“naves” en términos generales), así como los materiales con que serán construidas.
- La investigación en sistemas de propulsión y aplicación de los propulsantes que posibiliten el despegue y la navegación de los aparatos espaciales.
- El cálculo de las velocidades y trayectorias de despegue, navegación, acople y reingreso de los aparatos, sea en relación a la Tierra o a otros cuerpos celestes, así como las técnicas a utilizar en las mismas.
- La supervivencia de los seres humanos en el espacio, bien sea en el interior de las naves o fuera de ellas.
- Las técnicas de comunicación de las naves con la Tierra, o entre ellas en el espacio exterior.
- La técnicas de exploración y colonización del espacio, así como de los cuerpos celestes.
- La astronáutica, en combinación con la astronomía y la astrofísica, ha dado origen y potenciado a nuevas disciplinas científicas: astrodinámica, astrofotografía, telemetría espacial, astrogeofísica, astroquímica, astrometeorología, etc.
Historia de la Astronáutica
La primera mención de un vuelo de tipo astronáutico se registra en el mito griego de Dédalo e Ícaro, ya que se hicieron alas con plumas unidas por cera para volar desde Creta; El último tuvo que volar en dirección al sol, pagando con su vida la mayor curiosidad cuando se derritió la cera que unía sus alas.
A lo largo de los siglos, el tema del acceso humano a los otros cuerpos celestes fue tratado de manera pintoresca e ignorante. Fue a partir del trabajo de Kepler donde se fundaron las bases teóricas del futuro astronauta cuando describieron las leyes que rigen los movimientos de los cuerpos celestes. Cyrano de Bergerac en su cómica historia de un viaje a la luna en 1650 describió por primera vez que el uso de un cohete de polvo compuesto puede levantar una nave contra el sistema lunar.
La astronáutica dio nueva velocidad para trabajar a Jules Verne de la Tierra a la Luna en 1866 cuando el autor describe, con cierta precisión científica, un viaje a la Luna, un sistema balístico. El trabajo de la gente estimuló el interés por la astronáutica y dio origen al género literario de ciencia ficción, rico en petróleo, que tiene una fuente inagotable de inspiración en los viajes astronáuticos.
El verdadero abuelo de la astronáutica fue el ingeniero peruano Pedro Paulet, quien construye sus estudios sobre la migración de pulpos, cuyo estudio le dio la idea de viajar en jet, actualmente utilizando cometas espaciales. Este invento se difundió en una serie de sellos estadounidenses, en colaboración entre la NASA, 1974, 100 años después.
El científico ruso Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), el estadounidense Robert Goddard (1882-1945) y el rumano Hermann Oberth (1894-1989) trabajaron por separado y establecieron los fundamentos teóricos y prácticos de la astronáutica actual. En 1927, se fundó la Sociedad Astronáutica en Breslau, frecuentada por Oberth, Werner von Braun y otros.
Un paso significativo en el desarrollo de la astronáutica fue la fabricación y el uso de propósitos militares, el trabajo de los nazis y los cohetes V2, que sería el modelo técnico que utilizarían los rusos y los estadounidenses para su propia nave espacial en la próxima década después de la Segunda Guerra Mundial.
Durante la década de 1950, rusos y estadounidenses compitieron por el primer objeto en ingresar al espacio orbital. La ventaja que tienen los rusos, que pusieron en órbita el primer satélite artificial, Sputnik I (4 de octubre de 1957), un hito que marca el inicio oficial de la Astronáutica del ejercicio. Esto fue seguido por la primera nave espacial orbital de un hombre, una compañía que correspondía nuevamente a los rusos, enviando al cosmonauta Yuri Gagarin al espacio (12 de abril de 1961).
Por su parte, los estadounidenses respondieron con los programas Géminis y Apolo, diseñados para llevar al hombre a la luna. Los hitos de este objetivo fueron el viaje circumlam apollo VIII (21-27 de diciembre de 1968), que demostró la posibilidad práctica de llegar a través de una nave espacial tripulada en el espacio, otra estrella del sistema solar.
Tal y, por supuesto, el primer aterrizaje en la Luna de la Tripulación del Apolo XI el 20 de julio de 1969 (a las 21.57 ET, Centro Espacial de Houston) y a las 2.57 GMT del 21 de julio: los astronautas Neil Armstrong y Buzz Aldrin pisaron la Luna y exploraron Área por unas horas, mientras su compañero Michael Collins esperaba.
El tercer país europeo que tiene un área base para el espacio en sí mismo, sería el Reino Unido, que en octubre de 1971 allanó el camino para el satélite Prospero X-3 gracias a un cohete británico Black Arrow.
Entre 1963 y 1973, una conferencia internacional con países de Europa occidental, dirigida por el Reino Unido, Francia y Alemania, lanzó un programa espacial integrado con los proyectos de cohetes Europa I y Europa II. Más tarde, después del fracaso de todos los prototipos anteriores, la ESA se originó en 1974, cuyo cohete Ariane tuvo éxito por primera vez el 24 de diciembre de 1979.
El primer satélite artificial del mundo fue desarrollado y enviado a explorar, por la Unión Soviética, el 4 de octubre de 1957. Era Sputnik1, con un peso de 83,6 kg aproximadamente, para el cual se utilizó el cohete R-7 para satélites. En Europa occidental, Francia desarrolló y lanzó la Diamond Race, que tuvo lugar el 26 de noviembre de 1965, su satélite Asterix A1.
Diseño de las naves:
Todo diseño de un ingenio espacial debe tomar en cuenta:
1º El medio en que se desplaza (atmósfera, espacio).
2º La utilidad a que ha sido destinado (carga, transporte de seres humanos, investigación, comunicaciones, militar, etc.).
3º El sistema de propulsión ideado y el tipo de carburante empleado (combustibles líquidos, combustibles sólidos, combinados, o de otra naturaleza).
4º La fuerza de gravedad que deben vencer al abandonar o acercarse a la Tierra u otros cuerpos celestes.
El medio de desplazamiento
Todas las naves que se fabrican deben ser capaces de moverse a través de la atmósfera (en el proceso de inicio o reingreso), y a través del espacio, orbital o de un planeta a otro; Si de pronto tienen que explorar en la atmósfera de la Tierra o de otros mundos, deben adoptar una forma aerodinámica que suele darse mediante la presencia de alas, timones y escudos refractarios. Estos elementos son importantes en el inicio, la ascensión, el frenado, el reingreso, el aterrizaje. (Ver Articulo Sobre: Tormenta eléctrica).
Mientras que hay otras naves que prescinden de la mayoría de los factores anteriores, pero no renuncian a ninguna forma básica que los haga frenos efectivos para contratar sistemas de paracaídas u otros que le permitan tocar la Tierra u otros mundos de manera segura (por ejemplo, se trataba de Módulos de servicio de todas las naves de los programas Géminis y Apolo, que tenían una forma cónica contradictoria a la fricción en la atmósfera).
Se supone entonces que si las naves deben viajar en el espacio, no se requiere que su forma asuma elementos aerodinámicos, porque en ausencia de aire estos elementos son inútiles y para proporcionar dirección a los dispositivos, deben usar otros mecanismos (chorro de gas, el uso de motores u orbitales). la energía); Por lo tanto, la forma de la nave puede responder libremente a las otras condiciones mencionadas.
Por ejemplo, las estaciones espaciales carecen de estos elementos aerodinámicos, que deberían ser esenciales, porque su función no es navegar en la atmósfera sino exclusivamente en el espacio.
Materiales para su fabricación
La construcción debe considerar una elaboración, que pueda resistir las aceleraciones, el impacto de los micrometeoritos y las turbinas eólicas solares, fuerzas que pueden desestabilizar algunos de los sistemas de estas naves que pueden estar o no tripuladas de hecho, incluida la invalidez parcial o la destrucción total. Esta estructura consta de ciertos materiales equipados con características que le permiten cumplir con los rigores de inicio, navegación y reingreso.
A través de programas informáticos avanzados, los diseñadores a menudo simulan las condiciones y las tensiones que deben soportar los materiales y elementos que conforman las distintas unidades espaciales.
Los materiales satisfacen las altas exigencias de la potencia de impacto del micrometeorito, alta potencia térmica, capaz de hacer frente a la enorme presión y vibraciones que despegan, aceleran o frenan, absorben la mayor cantidad posible de la radiación espacial letal, al tiempo que capturan la energía de la luz a través de la aplicación en paneles solares.
Sin embargo, los materiales deben cumplir con el límite impuesto sobre el uso de combustibles químicos tradicionales, que requieren las naves actuales, con la menor masa posible: se incluye la menor masa de la nave, menor consumo de combustible y mayores posibilidades de viajes largos con retorno (el caso de las naves espaciales); Cuanto mayor sea la masa, mayores serán los costos y menor será la capacidad de realizar la anterior.
Por ejemplo, la gran masa de lanzaderas de la NASA les impide realizar vuelos extraorbitales (por ejemplo, exploración lunar o a otros planetoides) porque sus reservas de combustible son limitadas. Por lo tanto, lo ideal es que los materiales utilizados proporcionen la máxima resistencia, resistencia estructural y funcionalidad, pero con el mayor ahorro de masa posible.
El diseño de los recipientes que deben funcionar en entornos muy hostiles, con condiciones extremas de calor, frío o presión, debe contar con una tecnología que los respalde. La nave soviética llamada Venera, que exploró Venus desde 1961, pensó, por ejemplo, en su material de construcción que podía soportar las temperaturas que derritían el plomo y podía trabajar durante algunas horas en la superficie venusiana.
Además, de la utilidad asignada a una nave espacial, la cual determina su morfología, con características como su peso y su tamaño. Por ejemplo, la variación en formas, pesos y tamaños con satélites es grande, desde formas completamente esféricas (como el satélite estadounidense Explorer xX, lanzado en febrero de 1961 y solo 6,5 kg) hasta formas cilíndricas, cónicas, de estribor, etc.
Más condicionada puede ser la morfología de los diversos tipos de sonda, así como estaciones espaciales y espaciales, en las que algunas características de las estructuras dominan los paneles solares, antenas, cohetes, tanques de combustible, carga y alas de carga (como ferries), módulos de servicio (como sondas lunares de naves espaciales), construcción de secciones modulares como es el caso en las estaciones espaciales existentes), etc. (Ver Articulo: Placas Tectonicas)
En lo que respecta al tercer (sistema de propulsión) y al cuarto aspecto (gravedad a superar), la nave diseñada para trabajar desde un inicio directo de la superficie de la tierra debe diseñarse para hacer frente a cargas elevadas, lo que significa el funcionamiento de los cohetes durante un cierto período de tiempo. Del mismo modo, debe tener una cantidad suficiente de almacenamiento de combustible, dependiendo de su misión.
Una de estas naves que este en modo tripulado destinado a la exploración de un cuerpo celeste, generalmente tiene estructuras de almacenamiento más grandes que un obemann porque ha considerado el retorno a la Tierra en el menor tiempo posible, mientras que los no tripulados tienen márgenes con el tiempo tienden a utilizar efectivamente los pulsos de gravedad y están a su disposición. mayoría.
El diseño debe tener en cuenta el tipo de combustible o combustible. Hasta hoy, utilizan combustibles químicos y ocupan un cierto volumen. La cantidad y la calidad del combustible original, así como el sistema de propulsión, serán una función de la masa total de la nave.
Cuanto mayor sea la masa a elevar, mayor será el costo del combustible, de modo que el diseño de dicha nave debe considerar las medidas de volumen y los materiales apropiados para la fabricación, para mantener una estructura que pueda soportar la potencia necesaria que lo llevará al espacio o la navegue ella.
Las velocidades cósmicas
Con respecto a las velocidades que deben alcanzar las naves, hay una primera convocatoria de satélites que estima que estas deben alcanzar un mínimo de unos 7,9 km / s, que es la velocidad mínima que les permite mantener una trayectoria circular sin caer al suelo.
A medida que aumenta la velocidad, las vías se volverán cada vez más elípticas. Al alcanzar 11,2 km / s (velocidad parabólica), la nave se libera de la gravedad de la tierra y entra al sol como un pequeño asteroide. Al alcanzar los 42 km / s (velocidad hiperbólica), el proyectil puede escapar de la atracción del sol y escapar del sistema solar.
Cuanto más cerca está una nave dando vueltas alrededor del mundo, más rápido tiene que ir para mantener su órbita. De lo contrario, caerá en la capa superior de la atmósfera. Por lo tanto, el ciclo de vida de cada barco dependerá de la altura (por ejemplo, el satélite Explorer I tenía una velocidad de 28,000 km / h para alcanzar un área de 2475 km desde la superficie). La duración de la órbita de un dispositivo dependerá de la distancia en altura que haya alcanzado.
Las rutas satelitales se pueden describir de alguna manera en relación con el Ecuador terrestre, aunque se prefieren las rutas predeterminadas que permiten el seguimiento seguro de las estaciones terrestres.
En términos de los caminos y las velocidades requeridas para explorar la luna, las naves deben alcanzar el punto de equilibrio entre las atracciones terrestres y lunares. La velocidad establecida para alcanzar este punto es de 10.9 km / s, lo que permite que los artefactos corran la Luna sin riesgo de estrellarse en su superficie o pasar. Dado que la luna tiene una fuerza de gravedad más baja que la Tierra, su velocidad del aire es de 2,3 km / s.
Las velocidades y los caminos elípticos que conducen a la nave para explorar otros cuerpos celestes en el sistema solar constituyen condiciones computacionales, carreteras y velocidades más difíciles, ya que deben tener en cuenta varios factores: movimiento de la tierra, atracción de la gravedad del sol y los planetas, proximidad o distancia del cuerpo a investigar , la velocidad del barco, la capacidad de combustible y la tracción desarrollada por la unión.
En general, es más fácil para los investigadores y controladores explorar los mundos internos del sistema solar que el mundo exterior; En el primer caso, los buques se benefician de la gravedad en el sol, mientras que el otro debe superar este poder, y otros cuerpos a través del aumento del consumo de combustible y realizar cálculos complejos de vías que los hacen alcanzar sus objetivos.
En este último caso, las rutas elegidas tienden a ser las más largas, pero las más económicas en términos de costos de combustible. Básicamente, los elementos estructurales destinados a mundos exteriores, lanzados hacia el este, deben tomar la inercia que les da el movimiento de rotación de la Tierra (aproximadamente 1670 km / h), que agrega su propia velocidad desde los cohetes.
Antes de completar el viaje a lo largo de la ruta elegida, los elementos correspondientes se colocarán en un terreno llamado estacionamiento.
El mejor momento para comenzar el viaje hacia los planetas interiores (por ejemplo, Venus) es cuando están juntos, es decir, entre la tierra y el sol. En lugar de comenzar el viaje hacia los planetas exteriores (como es el caso de Marte), tenemos que esperar el momento en que se encuentren en oposición, es decir, desde el lado opuesto del sol con respecto a la Tierra.
Durante la navegación espacial, las naves deben guiarse permanentemente a través de la guía de poderosas computadoras, tanto a bordo como en la Tierra. Están asombrados por los extraordinarios logros en computación y control durante el período anterior a la invención del microprocesador, con procesamiento limitado y velocidades de memoria de las computadoras.
En órbita alrededor del globo, el horizonte del planeta es una referencia válida para la orientación de las naves. Durante la navegación profunda, la computadora interna es la responsable de la dirección y rumbo de la nave, que generalmente funciona con una serie de referencias de estrellas. La estrella Canopus es la más utilizada como guía.
En cada navegación, e incluso al inicio y al aterrizaje, el sistema de alarma juega un papel importante. El objetivo de este sistema es alertar a la tripulación y / o las computadoras a bordo, gracias a las órdenes desde el suelo para que sean situaciones correctas posición, trayectoria, impulso, movimiento u otros, o habilitar la misión de protocolo o detectar errores en los sistemas, o en el peor de los casos, advertir de uno peligro real. (Ver Articulo: Las Montañas)
Tanto el sistema de control de alarma de la Tierra como la propia nave están interconectados, incluso en la medida en que se mantienen alejados de él contra las estrellas. El sistema interno de la nave desempeña un papel más independiente.
Técnicas de lanzamiento
Los técnicos de lanzamiento contemplan sistemas de control interno precisos de la nave, controlados por una cuenta regresiva y un cuidadoso monitoreo del clima. Cuando termina la cuenta, comienza el inicio de la fase inicial del sistema de cohetes. Este momento es particularmente dramático, especialmente para las tripulaciones que pueden estar a bordo.
Este momento es particularmente dramático, especialmente para las tripulaciones que pueden estar a bordo. La embarcación acelera con pulsos constantes para alcanzar la velocidad deseada. Las fuertes tensiones, el ruido y los movimientos generados por la fuerza de arrastre ponen a prueba la resistencia del material y el entrenamiento de los astronautas.
Cuando se alcanzan las capas superiores de la atmósfera, la fricción de la nave disminuye, así como el ruido y el movimiento. Las diferentes partes de la nave se liberan una por una y, la nave entra en la pista asignada.
Otras técnicas de lanzamiento se encuentran en la fase de proposición teórica: “Catapultas electromagnéticas” daría la aceleración de los navesa través de rampas de arranque largas, aplicando el principio del electromagnetismo como un “cañón espacial”. También se ha pensado en la construcción de un elevador espacial, utilizando un sistema de anclaje puesto en circulación. La propuesta más factible es la construcción de un tren de cercanías que despegue como un plan convencional o se lance en una órbita baja de transporte a gran altitud.
Aterrizaje
La fase de descenso a la Tierra genera otra serie de problemas que deben ser resueltos. Primero, determine e ingrese el ángulo correcto para la reintegración a la atmósfera, un verdadero corredor de “entrada”. El ángulo no puede ser muy oblicuo o muy vertical. Un ángulo muy vertical causaría que la nave colisionara prácticamente con la capa de aire, lo que aumenta considerablemente la fricción y el calor, lo que llevaría a la destrucción.
Por el contrario, un ángulo demasiado oscuro y demasiado rápido hará que la nave rebote en las capas superiores, describa una parábola y pase; A velocidades más bajas, la unidad rebotará pero entrará en la atmósfera más allá del punto de ajuste como óptimo. En el ángulo correcto y en la velocidad correcta, el barco cortará gradualmente las capas atmosféricas superiores, reducirá la velocidad y reducirá la fricción y el calor.
Antes de la reintroducción, la nave golpea sus rastrillos de freno, reduce drásticamente la velocidad y pierde la altura; Durante el proceso, todo el mecanismo debe girarse de tal manera que otorgue al flanco más resistencia a la zona de fricción. Afortunadamente, los barcos tienen un escudo térmico eficaz que propaga el calor.
Hasta ahora, se han utilizado dos métodos de desembarque en estas naves, incluido el tripulado: el uso de paracaídas, desde unos 15 km de altura, seguido de un chapoteo (tecnología utilizada por los Estados Unidos), o un directo (tecnología utilizada por los antiguos Unión Soviética) o el uso del método de deslizamiento de aviones (transbordadores de EE. UU.) Hasta el suelo, seguido de un aterrizaje en una pista convencional.
Un momento de gran incertidumbre durante el reingreso, que es el paso de la nave espacial a través del llamado francés del silencio, que dura aproximadamente cinco minutos, lo que resulta en una cierta región de la atmósfera, lo que significa una resolución completa del control de tierra de las comunicaciones de radio.
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