Frenado aerodinámico
El aerofrenado es una maniobra de vuelo espacial que reduce el punto alto de una órbita elíptica ( apoapsis ) haciendo volar el vehículo a través de la atmósfera en el punto bajo de la órbita ( periapsis ). El arrastre resultante ralentiza la nave espacial . El aerofrenado se usa cuando una nave espacial requiere una órbita baja después de llegar a un cuerpo con atmósfera, y requiere menos combustible que el uso directo de un motor de cohete .
Cuando un vehículo interplanetario llega a su destino, debe cambiar su velocidad para permanecer cerca de ese cuerpo. Cuando se necesita una órbita baja y casi circular alrededor de un cuerpo con una gravedad sustancial (como se requiere para muchos estudios científicos), los cambios de velocidad totales requeridos pueden ser del orden de varios kilómetros por segundo. Si se hace por propulsión directa, la ecuación del cohetedicta que una gran fracción de la masa de la nave espacial debe ser combustible. Esto, a su vez, significa que la nave espacial está limitada a una carga útil científica relativamente pequeña y / o al uso de un lanzador muy grande y costoso. Siempre que el cuerpo objetivo tenga una atmósfera, se puede utilizar el frenado aerodinámico para reducir los requisitos de combustible. El uso de una quemadura relativamente pequeña permite capturar la nave espacial en una órbita elíptica muy alargada . A continuación, se utiliza el frenado aerodinámico para circularizar la órbita. Si la atmósfera es lo suficientemente espesa, una sola pasada a través de ella puede ser suficiente para ralentizar una nave espacial según sea necesario. Sin embargo, el aerofrenado se realiza típicamente con muchos pases orbitales a través de una mayor altitud y, por lo tanto, una región más delgada de la atmósfera. Esto se hace para reducir el efecto de fricción.calentamiento, y debido a que los efectos de turbulencia impredecibles, la composición atmosférica y la temperatura hacen que sea difícil predecir con precisión la disminución de la velocidad que resultará de una sola pasada. Cuando se realiza el aerofrenado de esta manera, hay suficiente tiempo después de cada pasada para medir el cambio de velocidad y hacer las correcciones necesarias para la siguiente pasada. Lograr la órbita final con este método lleva mucho tiempo (por ejemplo, más de seis meses al llegar a Marte ) y puede requerir varios cientos de pasadas a través de la atmósfera del planeta o la luna. Después de la última pasada de frenado aerodinámico, la nave espacial debe recibir más energía cinética a través de motores de cohetes para elevar la periapsis por encima de la atmósfera.
La energía cinética disipada por el aerofrenado se convierte en calor , lo que significa que una nave espacial que utilice la técnica debe ser capaz de disipar este calor. La nave espacial también debe tener suficiente área de superficie y resistencia estructural para producir y sobrevivir a la resistencia requerida, pero las temperaturas y presiones asociadas con el aerofrenado no son tan severas como las de la reentrada atmosférica o la aerocaptura . Las simulaciones del aerofrenado del Mars Reconnaissance Orbiter utilizan un límite de fuerza de 0,35 N por metro cuadrado con una sección transversal de la nave espacial de aproximadamente 37 m 2 , lo que equivale a una fuerza de arrastre máxima de aproximadamente 7,4 N, y un máximo esperadotemperatura como 170 ° C. [1] La densidad de fuerza (es decir, presión), aproximadamente 0,2 N por metro cuadrado, [2] que se ejerció sobre el Mars Observer durante el aerofrenado es comparable a la resistencia aerodinámica de moverse a 0,6 m / s (2,16 km / h) a nivel del mar en la Tierra, aproximadamente la cantidad que se experimenta al caminar lentamente. [3]
Con respecto a la navegación de la nave espacial, Moriba Jah fue el primero en demostrar la capacidad de procesar los datos de la unidad de medición inercial (IMU) recopilados a bordo de la nave espacial, durante el frenado aerodinámico, en un filtro Kalman sin aroma para inferir estadísticamente la trayectoria de la nave espacial independientemente de los datos de medición terrestres. Jah hizo esto utilizando datos reales de IMU de Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter . Además, este es el primer uso de un filtro de Kalman sin aroma para determinar la órbita de un objeto espacial antropogénico sobre otro planeta. [4] Este método, que podría utilizarse para automatizar la navegación con frenado aerodinámico, se denomina Mediciones inerciales para navegación asistida por aeronáutica (IMAN).[5] y como resultado, Jah ganó unpremio de la Ley Espacial de la NASA por este trabajo.
