Transferencia bielíptica

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Viaje a la Estación Espacial Internacional Parte 2: rendezvous y acoplamiento de la Soyuz Bienvenidos, soy Alexander Gerst uno de los astronautas de la Agencia Espacial Europea. Os hablo desde la Estación Espacial Internacional. Mi viaje a bordo de la nave Soyuz, desde el despegue en Kazajistán hasta el acoplamiento, duró alrededor de 5 horas. El video que vais a ver a continuación contiene algunas imágenes únicas tomadas en el interior de la cápsula mientras se encuentra en órbita y explica cómo la Soyuz alcanza de manera segura la órbita y se acopla a la Estación Espacial (ISS). Otros astronautas hicieron el mismo viaje y algunos de ellos compartirán sus experiencias con vosotros en este vídeo. Pasadlo bien viéndolo. Hace 9 minutos, la nave Soyuz entró en órbita desde Baikonur en Kazajistán. Ahora está acelerando alrededor de la Tierra 30 veces más rápido que un jumbo. Tiene un único propósito: alcanzar la Estación Espacial Internacional, rendezvous y acoplarse a ésta, situada en algún lugar a 400 km de tierra. Los astronautas acaban de pasar la última fase de la secuencia de lanzamiento, la separación entre la Soyuz y el cohete. [NESPOLI] El final del motor, el apagado del motor es muy fuerte. [DE WINNE] E inmediatamente después, por supuesto, flotas. Es una sensación muy agradable saber que estás en el espacio y que hemos tenido un lanzamiento satisfactorio, ahora nos encontramos de camino a la Estación Espacial. [DE WINNE] Puedes mirar a través de la ventana y ver la magnífica Tierra por primera vez desde arriba. Es una gran sensación. [PARMITANO] Y entonces tan sólo la belleza absoluta del Sol saliendo muy deprisa, iluminando, explotando en llamas. Ya en sus primeras órbitas alrededor de la Tierra, a una altitud de inserción alrededor de 220 km, los tres astronautas en la Soyuz, tienen una vista maravillosa. Pero queda trabajo por hacer, ya que aún están a cientos de kilómetros de distancia de la Estación Espacial, su destino final. La Estación Espacial Internacional, nació en 1998 y ha estado orbitando alrededor de la Tierra una vez cada 90 minutos desde entonces. El plano orbital de la Estación Espacial es relativamente constante, mientras que la Tierra está siempre en rotación. Si proyectamos la órbita de la Estación Espacial en un mapa 2D, vemos una serie de curvas que se cruzan. Los centros de control de misión en Moscú y Houston monitorizan la posición de la Estación Espacial constantemente, y pueden predecir su posición en la órbita para cualquier tiempo determinado en el futuro. Esto es importante para determinar cuándo se ha de lanzar la nave Soyuz. Aunque sea técnicamente posible lanzar el cohete Soyuz en cualquier momento, es más eficiente hacerlo poco después de que la órbita de la Estación Espacial pase sobre el Cosmódromo de Baikonur en Kazajistán. Esto acorta el tiempo necesario para el rendezvous y el acople con la Estación Espacial, desde más o menos dos días, a tan sólo seis horas. Esta trayectoria corta para el rendezvous se lleva implementado desde 2013. No obstante, si el cohete Soyuz pierde la ventana de lanzamiento o alguno de los siguientes encendidos de motor no ocurre como se ha planeado, la nave tiene suficiente combustible para retomar un rendevouz de dos días. Esto pasó en marzo de 2014 debido a un problema de control de inclinación, y por ello, se planeó de nuevo el rendezvous para la trayectoria larga usada anteriormente. [PARMITANO] Tomas en consideración que hay ciertos riesgos, algunos peores que otros, incluyendo la posibilidad de transición de un atraque corto a uno largo, que ha sido el estándar hasta hace un año. Sabemos que existe la posibilidad, es algo para lo que hemos sido formados. Sabemos que la nave tiene todo lo que necesitamos para esos dos días, y sabemos cómo reaccionar. Rendezvous se define como una secuencia de maniobras que gobiernan el acercamiento entre dos vehículos espaciales. En la mayoría de los casos uno de ellos es el cazador, realizando las maniobras, en este caso la Soyuz, mientras que el segundo es el objetivo, un vehículo pasivo, en este caso la Estación Espacial Internacional. Lo ideal sería que ambos vehículos coincidiesen de manera segura en un momento y punto determinado en el espacio. Pero, ¿cómo consigue hacer esto la Soyuz? Ésta tiene que pasar de su altitud inicial de inserción a la misma altitud que la Estación Espacial, y después entrar en su órbita y permanecer en ella. Suena como una tarea fácil de realizar, pero no se puede hacer en una sola maniobra empezando desde la altitud de inserción. Los cálculos para el acople final se basan en la altitud inicial precisa de la Soyuz y, desafortunadamente, no se puede saber de antemano la altitud de inserción exacta en la órbita, debido a alguna impredecibilidad en el lanzamiento del cohete. Por ello se usan dos maniobras con una órbita fase intermedia entre ellas. La órbita fase es la base para los cálculos del acople final. Ésta se alcanza mediante la primera maniobra, llamada transferencia de Hohmann, que debe su nombre al científico alemán de principios del siglo 20. Durante la transferencia de Hohmann, la Soyuz tiene que usar los motores dos veces. La primera para abandonar la órbita de inserción, en la que se encuentra poco después del lanzamiento, y trasladarse a la órbita fase. La segunda, para que el vehículo alcance la velocidad necesaria para mantenerse en esa órbita. La órbita fase está a 100 km por debajo de la órbita de la Estación Espacial y tiene un propósito específico. Reduce el ángulo fase o el ángulo entre las dos naves en sus respectivas órbitas. Aquí vemos a la Soyuz orbitando en la órbita fase, representada en amarillo, mientras que la Estación Espacial orbita en una órbita más elevada, representada en verde. La órbita en rojo es la órbita de inserción que la Soyuz acaba de abandonar. Debido a que la Soyuz está en una órbita inferior viajará más rápido que la Estación Espacial. Por tanto, la Soyuz utiliza la órbita fase para alcanzar a la Estación Espacial. Dependiendo de si se usa un rendezvous largo o corto, la Soyuz permanecerá en esta órbita fase durante dos días o tan sólo unas horas, el tiempo que sea necesario para alcanzar el ángulo de fase deseado. Mientras tanto, la tripulación no ha estado tan sólo disfrutando de las vistas y la ingravidez, han estado muy ocupados verificando fugas y asegurándose de que los sistemas están funcionando a la perfección. Después seleccionan la orden para la extensión de la sonda de acople con antelación suficiente para prepararse para la secuencia de acople final. Tan pronto como la integridad de la presión del vehículo está confirmada, el centro de control de misión da el visto bueno a la tripulación para desabrocharse los cinturones, abrir sus cascos y quitarse sus guantes. <<Oh, así mucho mejor.>> Una vez alcanzada la órbita fase, la tripulación tiene un tiempo de descanso bien merecido, especialmente para aquellos que han de completar una trayectoria de rendezvous de dos días. [DE WINNE] Hay lo que llamamos órbitas sordas. Son cinco órbitas en las que la tripulación no tiene contacto con tierra, ya que la órbita de la Soyuz no pasa sobre Rusia, y sólo tienes contacto con tierra cuando pasas sobre Rusia con la Soyuz. Estás completamente solo. De hecho es un momento muy agradable para la tripulación, porque no se te puede molestar, nadie puede darte tareas, puedes hacer lo que quieras. Afortunadamente para los astronautas, la Soyuz está diseñada para que no estén confinados a estar en sus sitios durante todo el viaje. Aunque es pequeña, la nave permite que los astronautas se muevan libremente entre los módulos accesibles. La Soyuz tiene tres compartimientos: el Módulo Orbital, el Módulo de Descenso, y el Módulo de Equipamiento y Propulsión. Cada compartimiento tiene una arquitectura diferente y un propósito específico. El Módulo Orbital, o compartimiento de vivienda, está equipada con sacos de dormir, bolsas, comida y un aseo. [WILLIAMS] Pues aquí estamos en la Soyuz. Esto es lo que llamamos el БО, el compartimiento de vivienda, "бытовой отсек" en Ruso. También tiene un pequeño aseo, pero no es tan bueno como los otros aseos por lo que intentamos no usarlo mucho. Tiene agua potable si necesitamos algo de beber, y, por supuesto, está lleno de cargamento para nosotros. El Módulo de Equipamiento y Propulsión, no accesible a los astronautas, contiene el oxígeno y los tanques de combustible, lo propulsores, el ordenador de a bordo, y varios sensores. Los tres tripulantes monitorizan toda la información de la nave y la Estación Espacial desde el Módulo de Descenso que reciben de tierra, de los ordenadores a bordo y una pantalla óptica dónde ven el periscopio que está montado en el exterior. En la segunda transferencia orbital y las maniobras finales de rendezvous, los astronautas vuelven a sus sitios en este módulo. La segunda transferencia orbital lleva a la Soyuz desde la órbita fase hasta la órbita de la Estación Espacial. Se denomina transferencia bielíptica y requiere tres encendidos de motor en vez de dos como en la de Hohmann. Desde la órbita fase, los dos primeros encendidos de motor llevan a la Soyuz hasta la órbita de la Estación Espacial. El tercer encendido, hace que el vehículo viaje a la velocidad correcta para permanecer en la órbita de la Estación Espacial. Los encendidos de motor de esta transferencia se calculan basándose en la altura precisa de la órbita fase. Consecuentemente, si dicha órbita es muy alta o muy baja, la Soyuz no podrá encontrarse con la Estación Espacial como es esperado. La razón de usar la transferencia bielíptica en lugar de la de Hohmann se debe a que la Soyuz no sólo no alcanzará la altitud correcta en las proximidades de la Estación Espacial, sino que tampoco alcanzará la velocidad deseada. A pesar de estas maniobras concretas, ¿qué pasaría si los propulsores fallaran al decelerar la Soyuz y el vehículo viajara demasiado deprisa mientras se acerca a la Estación Espacial? Esto podría acabar en desastre, con la Soyuz colisionando con la Estación Espacial en lugar de acoplarse. Para prevenir esto la Soyuz realiza un quemado lateral adicional. Esto modifica ligeramente su cambio orbital y hace imposible la colisión entre ambos vehículos. Durante el proceso de rendezvous, el ordenador a bordo de la Soyuz determina la posición y la velocidad de la Soyuz y de la Estación Espacial continuamente. Para ello, usa las medidas provistas por los controladores de tierra y el sistema de radar Kurs. De este modo, todos los quemados de motor durante el rendezvous se calculan y automatizan por el ordenador de a bordo. [NESPOLI] La Soyuz navega en el espacio y busca a la Estación Espacial con un sistema de radar especial llamado Kurs. Éste se enciende a 400 km de la Estación Espacial, busca, busca, busca y, normalmente, ve la Estación Espacial y establece contacto con ella a 180 kilómetros más o menos. A esa distancia no vemos realmente la Estación Espacial. Es probablemente- incluso si pudieras verla- es probablemente similar a cualquiera de las estrellas que se encuentras en el espacio. Pero ves en la pantalla el ¨LOCK¨, la indicación del software de que el radar ha establecido contacto con la Estación Espacial. El tercero y último encendido de motor, de la mencionada anteriormente transferencia bielíptica, es muy importante ya que coloca al vehículo para realizar los procedimientos de rendezvous cerca de la Estación Espacial para el atraque final. [DE WINNE] Cuando haces un encendido normal, el vehículo rota a dos grados por segundo hacia la altitud correcta, y luego tarda más o menos ocho minutos en empezar el encendido. Cuando estás cerca de la Estación Espacial y tienes que frenar, esto, por supuesto, no funcionaría. Así que de pronto el vehículo empieza a rotar bastante deprisa, tres grados y medio por segundo, y justo después, 50 segundos después, se enciende el motor. Y una vez el encendido se ha completado, el vehículo inmediatamente empieza a rotar de nuevo a la orientación normal, y la tripulación tiene que monitorizarlo muy intensamente, y estos son verdaderamente los picos más altos de carga de trabajo, para ver que todo esté bien, que la rotación va bien, sabes que tienes el encendido, que los valores de encendido estaban bien, rotas hacia atrás y entonces ves la Estación Espacial en la pantalla principal. [NESPOLI] Podíamos verla, al principio un punto pequeño un poco más brillante que el resto de las estrellas en el cielo, y después, poco a poco, empezamos a ver una pequeña araña al principio, con los paneles solares y todo, y entonces se hizo aparente que había un inmenso puesto remoto justo frente a nosotros. Durante esta fase, el comandante de la tripulación, sentado en el medio, da información vital e instrucciones a sus compañeros de tripulación. Su carga de trabajo ha aumentado, hay que revisar muchos parámetros y activar los sistemas. Días antes del lanzamiento, un equipo de expertos en dinámica de vuelo en los centros de control de misión en Moscú y Houston, determinan la posición ideal y la orientación de la Estación Espacial basadas en un análisis meticuloso de las limitaciones que podrían afectar a las fases finales del cronograma de rendezvous. En primer lugar, debe haber condiciones adecuadas de iluminación en el momento del acople, para que la tripulación de la Soyuz pueda ver la Estación Espacial sin quedar cegados o bloqueados por el Sol. [NESPOLI] Todo depende de si la Estación Espacial está iluminada, si está al sol puedes verla aunque estés relativamente lejos de ella. Pero si la Estación Espacial no está al sol, no puedes verla ni aun estando cerca de ella. Además, se han de evitar las fluctuaciones mayores de temperatura de los elementos de la Estación Espacial, como los paneles solares, para evitar deformaciones en la estructura. Por último, tiene que haber vías de comunicación claras entre tierra, la Soyuz y la Estación Espacial. El rendezvous es un proceso completamente automatizado realizado por el ordenador a bordo. Aun así, el comandante tiene que tomar el control manual por si tuviese que realizar un acople manual de emergencia. [DE WINNE] Si no ves la Estación Espacial o algo pasa en ese momento, puede que tengas que tomar el control manual. Y tienes que recordar muy bien dónde está la Estación Espacial ahora, cuáles son las acciones que vas a llevar a cabo, y estos son los momentos más intensos que se pueden producir. El acople manual requiere dos controladores de mano para pilotar el vehículo. El izquierdo para controlar la traslación y el derecho para controlar la rotación. La tripulación está formada minuciosamente en los procedimientos de acople manual, incluso practican hasta el último día antes del lanzamiento en Baikonur. Aparte del acople de emergencia, la tripulación puede utilizar su formación en el control manual durante las maniobras de reacoplamiento. La Estación Espacial recibe visitas constantemente de vehículos Soyuz tripulados y de otras naves de suministros no tripuladas. A veces es necesario reacoplar una Soyuz ya acoplada y reacoplarla en otro puerto en la Estación Espacial para dejar espacio a las naves nuevas. Luca Parmitano lo hizo como parte de la Expedición 37. [PARMITANO] Mi tripulación fue una de las pocas capaces de llevar a cabo un acople manual y salió sin problemas. Estábamos entusiasmados porque es algo para lo que te has formado durante mucho tiempo, y fuimos capaces de hacerlo. Aparte de este caso en concreto, la secuencia rutinaria de acople es automatizada. y la función principal de la tripulación es monitorizar los sistemas para asegurar procedimientos nominales. En etapa, durante el acople rutinario, la velocidad relativa del vehículo continúa disminuyendo al igual que la distancia entre ambos vehículos. [DE WINNE] A 400 metros de la Estación Espacial comienza una nueva fase. Fase que llamamos maniobra de aproximación. Durante esta fase el vehículo no está apuntando al puerto de acople deseado, pero sí a una de las antenas Kurs de la Estación Espacial. Cuando el vehículo alcanza los 150 m se para y cambia su orientación para apuntar al puerto de acople seleccionado. Entonces la Soyuz realiza una segunda maniobra de aproximación para alinearse con el puerto de acople, manteniendo una distancia de 150 m. Una vez alineado con el puerto de acople, la tripulación selecciona la orden para la última etapa: la aproximación final. La pantalla del ordenador de la Soyuz utiliza datos del Kurs para proveer a los astronautas de la información necesaria sobre el rendezvous y las maniobras de acople. Entre otras lecturas, me muestra por pantalla la distancia a la Estación Espacial, en este caso se muestra cinco metros, así como la velocidad relativa durante el acercamiento, en este momento de 10 cm/s. Ésta y otra información se superpone al video en tiempo real real, para monitorizar la alineación del objetivo. <<Cinco metros, cero, uno, dos... objetivo en el centro, cruces alineadas.>> <<Esperando para contacto y captura de la Estación Espacial Internacional.>> El contacto se produce tan pronto como la sonda toca el cono de entrada del puerto de acople. Entonces los propulsores dan un empujón extra a la Soyuz, y el mecanismo de acople asegura la captura. <<Esperando para contacto.>> <<Contacto.>> <<Captura mecánica.>> <<Y contacto y captura confirmados.>> [PARMITANO] Creo que aquí se produjo el impacto. Diría que a unas cuatro o cinco pulgadas del centro. ¡Bastante bien tras viajar durante un par de millones de millas! [DE WINNE] La sonda se retira para acercar los vehículos entre sí y cuando están muy cerca el uno del otro, menos de dos o tres milímetros, el pestillo empieza a cerrarse. Y cuando estos pestillos están completamente cerrados pueden soportar aguantar una presión enorme que se corresponde con 16 toneladas de fuerza para cada uno de los pestillos y la Soyuz tiene 8 de ellos. [NESPOLI] Y esto no es suficiente porque puede haber algo dentro de las juntas tóricas, algo de suciedad o escombros, que no permiten que se selle bien. Así que se aspira y se depresuriza de una manera muy astuta que verifica que cada uno de estos compartimientos está perfectamente hermetizado. Y sólo en este momento- y por cierto, esto dura diría que una hora o de una a dos horas. Sólo entonces, cuando se comprueba que todo está perfectamente sellado, sólo entonces puedes abrir la escotilla de la Estación Espacial y de la Soyuz, y la tripulación puede entrar en la Estación Espacial. [PARMITANO] Y lo que solemos hacer es golpear la escotilla que da a la Estación Espacial, ellos golpean de vuelta; sabemos que hay alguien más al otro lado <<Y las escotillas entre la nave espacial Soyuz y la Estación Espacial Internacional se abren a las 11:14 PM hora central.>> [PARMITANO] En ese momento hay abrazos y sonrisas para todos. Los astronautas están ya a salvo a bordo de la Estación Espacial Internacional, su casa durante los próximos seis meses.