Nave espacial robótica

Una nave espacial robótica es una nave espacial sin tripulación , generalmente bajo control telerobótico . Una nave espacial robótica diseñada para realizar mediciones de investigación científica a menudo se denomina sonda espacial . Muchas misiones espaciales son más adecuadas para operaciones telerobóticas que con tripulación , debido a su menor costo y menores factores de riesgo. Además, algunos destinos planetarios como Venus o las proximidades de Júpiter son demasiado hostiles para la supervivencia humana, dada la tecnología actual. Planetas exteriores como Saturno , Urano y Neptuno están demasiado lejos para alcanzarlos con la tecnología actual de naves espaciales tripuladas, por lo que las sondas telerobóticas son la única forma de explorarlas.

La interpretación de un artista de la nave espacial MESSENGER en Mercurio

Muchos satélites artificiales son naves espaciales robóticas, al igual que muchos módulos de aterrizaje y rovers .

Historia

Una réplica del Sputnik 1 en el Museo Nacional del Aire y el Espacio de EE. UU.

Una réplica del Explorer 1

La primera nave espacial robótica fue lanzada por la Unión Soviética (URSS) el 22 de julio de 1951, un vuelo suborbital que transportaba a dos perros Dezik y Tsygan. ^[1] Otros cuatro vuelos de este tipo se realizaron hasta el otoño de 1951.

El primer satélite artificial , Sputnik 1 , fue puesto en una órbita terrestre de 215 por 939 kilómetros (116 por 507 millas náuticas) por la URSS el 4 de octubre de 1957. El 3 de noviembre de 1957, la URSS orbitó el Sputnik 2 . Con un peso de 113 kilogramos (249 libras), Sputnik 2 llevó al primer animal vivo a la órbita, el perro Laika . ^[2] 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 (1,121 lb). ^[3]

En una reñida carrera con los soviéticos , Estados Unidos lanzó su primer satélite artificial, el Explorer 1 , a una órbita de 193 por 1.373 millas náuticas (357 por 2.543 km) el 31 de enero de 1958. El Explorer I era de 80,75 pulgadas. (205,1 cm) de largo por 6,00 pulgadas (15,2 cm) de diámetro que pesa 30,8 libras (14,0 kg), en comparación con el Sputnik 1, una esfera de 58 centímetros (23 pulgadas) que pesaba 83,6 kilogramos (184 libras). El Explorer 1 llevaba sensores que confirmaron la existencia de los cinturones de Van Allen, un descubrimiento científico importante en ese momento, mientras que el Sputnik 1 no llevaba sensores científicos. El 17 de marzo de 1958, EE. UU. Orbitó su segundo satélite, Vanguard 1 , que era aproximadamente del tamaño de una toronja, y permanece en una órbita de 360 ​​por 2080 millas náuticas (670 por 3850 km) a partir de 2016.^[actualizar].

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), ^{[4] [ verificación fallida ]} y Nueva Zelanda (2018). ^{[ cita requerida ]}

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. ^[5]

JPL divide el "sistema de vuelo" de una nave espacial en subsistemas. ^[6] Estos incluyen:

Estructura

Una ilustración de la nave espacial Orion planeada por la NASA acercándose a un vehículo robótico de captura de asteroides

Esta es la estructura física de la columna vertebral. Eso:

• proporciona integridad mecánica general de la nave espacial
• garantiza que los componentes de la nave espacial sean compatibles y puedan soportar cargas de lanzamiento

Manejo de datos

En ocasiones, esto se denomina subsistema de comandos y datos. A menudo es responsable de:

• almacenamiento de secuencia de comandos
• mantener el reloj de la nave espacial
• recopilación y notificación de datos de telemetría de la nave espacial (por ejemplo, estado de la nave espacial)
• recopilar e informar datos de la misión (por ejemplo, imágenes fotográficas)

Determinación y control de la actitud

Este sistema es el principal responsable de la orientación correcta de la nave espacial en el espacio (actitud) a pesar de los efectos del gradiente de perturbación-gravedad externa, los pares del campo magnético, la radiación solar y la resistencia aerodinámica; Además, puede ser necesario reposicionar partes móviles, como antenas y paneles solares. ^[7]

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. ^[8] Este proceso incluye una entrada al campo gravitatorio planetario y la atmósfera, un descenso a través de esa atmósfera hacia una región prevista / objetivo 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 misma 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 un peligro desde el terreno (evaluación de peligros) y hacia dónde debería dirigirse la nave espacial actualmente (prevención de peligros). Sin la capacidad para las 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 de la tierra de 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 utilizando técnicas de localización de puntos de referencia. La detección integrada completa estas tareas confiando en información y cámaras pregrabadas para comprender su ubicación y determinar su posición y si es correcta o necesita hacer alguna corrección (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 un acantilado que haría que el aterrizaje no fuera lo 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. ^[9]

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 componentes a las fuentes de energía. ^[10]

Control de temperatura y protección del medio ambiente.

Las naves espaciales a menudo están protegidas de las fluctuaciones de temperatura con aislamiento. Algunas naves espaciales usan espejos y parasoles para protección adicional contra el calentamiento solar. También suelen necesitar protección contra micrometeoroides y desechos orbitales. ^[11]

Propulsión

La propulsión de una nave espacial es un método que permite que una nave espacial viaje a través del espacio generando empuje para empujarla hacia adelante. ^[12] Sin embargo, no hay un sistema de propulsión de uso universal: monopropelente, bipropulsante, 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 las naves espaciales de hoy 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, se produce una liberación explosiva de energía y calor a altas velocidades, lo que impulsa la nave espacial hacia adelante. Esto sucede debido a un principio básico conocido como Tercera Ley de Newton . Según Newton, "a cada acción hay una reacción igual y opuesta". A medida que la energía y el calor se liberan desde la parte trasera de la nave espacial, las partículas de gas se empujan para permitir que la nave espacial se impulse 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.

Monopropulsor

Para que funcione un sistema de propulsión, suele haber una línea de oxidante y una línea de combustible. De esta forma, se controla la propulsión de la nave espacial. Pero en una propulsión monopropelente, no hay necesidad de una línea oxidante y solo requiere la línea de combustible. ^[13] Esto funciona debido a que el oxidante está unido químicamente a la propia molécula de combustible. Pero para que se controle el sistema de propulsión, 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 la sustancia química es muy peligrosa de fabricar, almacenar y transportar.

Bipropulsante

Un sistema de propulsión bipropelente es un motor de cohete que utiliza un propulsor líquido. ^[14] 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 se quemarían espontáneamente tan pronto como entran en contacto entre sí y producen la propulsión para empujar la nave 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. La desventaja es la misma que la del sistema de propulsión monopropelente: muy peligroso de fabricar, almacenar y transportar.

Ion

Un sistema de propulsión de iones es un tipo de motor que genera empuje mediante bombardeo de electrones o la aceleración de iones. ^[15] 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 cargado positivamente. 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 alineados con carga positiva se aceleran a través de una rejilla de aceleración con carga negativa que aumenta aún más la velocidad de los iones hasta 90.000 mph. El impulso de estos iones cargados positivamente proporciona el empuje 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, necesaria para los viajes al espacio profundo. Sin embargo, la cantidad de empuje producida 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 únicos se controlan mediante dispositivos pirotécnicos . ^[dieciséis]

Nave espacial robótica vs nave espacial sin tripulación

Las naves espaciales robóticas son sistemas diseñados específicamente para un entorno hostil específico. ^[17] 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 enviar por radio a la Tierra los datos adquiridos y la información sobre el estado del vehículo. Aunque generalmente se las conoce como "controladas a distancia" o "telerobóticas", las primeras naves espaciales orbitales, como Sputnik 1 y 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 rápida decisión y control desde la Tierra. Las sondas más nuevas, como Cassini-Huygens y Mars Exploration Rovers, son altamente autónomas y utilizan computadoras a bordo para operar de forma independiente durante períodos prolongados. ^{[18] [19]}

Sondas espaciales

Una sonda espacial es una nave espacial robótica que no orbita la Tierra, sino que explora más en el espacio exterior. [1] Una sonda espacial puede acercarse a la Luna; viajar a través del espacio interplanetario; sobrevuelo, órbita o aterrizaje en otros cuerpos planetarios; o entrar en el espacio interestelar.

Dragón SpaceX

Un ejemplo de una nave espacial completamente robótica en el mundo moderno sería SpaceX Dragon. ^[20] El SpaceX Dragon era una nave espacial robótica diseñada para enviar 6.000 kg (13.000 libras) de carga a la Estación Espacial Internacional . La altura total del SpaceX Dragon fue de 7,2 m (24 pies) con un diámetro de 3,7 m (12 pies). La masa máxima de carga útil de lanzamiento fue de 6000 kg (13000 lb) con una masa máxima de retorno de 3000 kg (6600 lb), junto con un volumen máximo de carga útil de lanzamiento de 25 m ³ (880 pies cúbicos) y un volumen máximo de carga útil de retorno de 11 m. ³ (390 pies cúbicos). La resistencia máxima del Dragón en el espacio fue de dos años.

En 2012, el SpaceX Dragon hizo historia al convertirse en la primera nave espacial robótica comercial en entregar carga a la Estación Espacial Internacional y devolver la carga de manera segura a la Tierra en el mismo viaje, algo que anteriormente solo lograban los gobiernos. Desde entonces, realizó 22 vuelos de carga, y su último vuelo fue SpaceX CRS-20 . La nave espacial Dragon está siendo reemplazada por la variante de carga de SpaceX Dragon 2 a partir de 2020.

Vehículos de servicio de naves espaciales robóticas

AERCam Sprint lanzado desde la bahía de carga útil del transbordador espacial Columbia

• Vehículo de servicio de infraestructura espacial MDA : un depósito de reabastecimiento en el espacio y una nave espacial de servicio para satélites de comunicación en órbita geosincrónica . Lanzamiento previsto para 2015. ^{[21] [ necesita actualización ]}

• Mission Extension Vehicle es un enfoque alternativo que no utiliza transferencia de combustible RCS en el espacio . Más bien, se conectaría al satélite objetivo de la misma manera que MDA SIS, y luego usaría "sus propios propulsores para proporcionar control de actitud para el objetivo". ^[22]

Ver también

• Tecnología astrobótica
• Satélite geosincrónico
• Vuelo espacial humano
• Observatorio espacial
• Cronología de la exploración del Sistema Solar
• Nave espacial de carga automatizada

Referencias

1. Asif Siddiqi, Sputnik y el desafío espacial soviético , University Press of Florida, 2003, ISBN  081302627X , p. 96
2. Whitehouse, David (28 de octubre de 2002). "El primer perro en el espacio murió en unas horas" . BBC NEWS World Edition. Archivado desde el original el 28 de octubre de 2002 . Consultado el 10 de mayo de 2013 . Se dice que el animal, lanzado en un viaje de ida a bordo del Sputnik 2 en noviembre de 1957, murió sin dolor en órbita una semana después del despegue. Ahora, se ha revelado que murió por sobrecalentamiento y pánico solo unas horas después de que comenzara la misión.
3. " Sputnik 2 , Russian Space Web" . 3 de noviembre de 2012.
4. Christy, Bob (10 de mayo de 2013). "Primeros en el espacio: primeros en el espacio" . Zarya. Archivado desde el original el 14 de abril de 2008 . Consultado el 10 de mayo de 2013 .
5. "Manual del espacio de la Universidad del aire, Capítulo 10 - Diseño, estructura y funcionamiento de la nave espacial" (PDF) . USAF.
6. "Capítulo 11. Sistemas a bordo típicos" . JPL. Archivado desde el original el 28 de abril de 2015 . Consultado el 10 de junio de 2008 .
7. Wiley J. Larson; James R. Wertz (1999). Análisis y diseño de misiones espaciales, 3ª edición . Microcosmo. págs. 354. ISBN  978-1-881883-10-4 ,
8. Howard, Ayanna (enero de 2011). "Repensar los viajes espaciales público-privados". Política espacial . 29 (4): 266-271. Código bibliográfico : 2013SpPol..29..266A . doi : 10.1016 / j.spacepol.2013.08.002 .
9. LU. K. KHODAREV (1979). "Comunicaciones espaciales" . La gran enciclopedia soviética. Archivado desde el original en 1979 . Consultado el 10 de mayo de 2013 . La transmisión de información entre la Tierra y las naves espaciales, entre dos o más puntos de la Tierra a través de naves espaciales o utilizando medios artificiales ubicados en el espacio (un cinturón de agujas, una nube de partículas ionizadas, etc.) y entre dos o más naves espaciales. .
10. Wiley J. Larson; James R. Wertz (1999). Análisis y diseño de misiones espaciales, 3ª edición . Microcosmo. págs. 409. ISBN  978-1-881883-10-4 ,
11. "Protección de micrometeoroides y desechos orbitales (MMOD)" (PDF) . NASA. Archivado desde el original (PDF) el 29 de octubre de 2009 . Consultado el 10 de mayo de 2013 .
12. Hall, Nancy (5 de mayo de 2015). "Bienvenido a la guía de propulsión para principiantes" . NASA .
13. Zhang, Bin (octubre de 2014). "Un marco de verificación con aplicación a un sistema de propulsión". Sistemas expertos con aplicaciones . 41 (13): 5669–5679. doi : 10.1016 / j.eswa.2014.03.017 .
14. Chen, Yang (abril de 2017). "Modelado dinámico y simulación de un sistema de prueba combinado de doble válvula de propulsión bipropulsante integral" (PDF) . Acta Astronautica . 133 : 346–374. Código bibliográfico : 2017AcAau.133..346C . doi : 10.1016 / j.actaastro.2016.10.010 .
15. Patterson, Michael (agosto de 2017). "Propulsión iónica" . NASA .
16. Wiley J. Larson; James R. Wertz (1999). Análisis y diseño de misiones espaciales, 3ª edición . Microcosmo. págs. 460. ISBN  978-1-881883-10-4 ,
17. Davis, Phillips. "Conceptos básicos del vuelo espacial" . NASA .
18. K. Schilling; W. Flury (11 de abril de 1989). "ASPECTOS DE AUTONOMÍA Y GESTIÓN DE MISIONES A BORDO PARA LA SONDA CASSINI-TITAN" (PDF) . ROVERS DE EXPLORACIÓN DE ATHENA MARS. Archivado desde el original (PDF) el 11 de abril de 1989 . Consultado el 10 de mayo de 2013 . Las misiones espaciales actuales exhiben un rápido crecimiento en los requisitos de autonomía a bordo. Este es el resultado del aumento de la complejidad de la misión, la intensidad de la actividad de la misión y la duración de la misión. Además, para las naves espaciales interplanetarias, las operaciones se caracterizan por un acceso de control terrestre complicado, debido a las grandes distancias y al entorno relevante del sistema solar […] Para manejar estos problemas, el diseño de la nave espacial debe incluir alguna forma de capacidad de control autónomo.
19. "Preguntas frecuentes (Athena para niños): P) ¿Está el rover controlado por sí mismo o controlado por científicos en la Tierra?" (PDF) . ROVERS DE EXPLORACIÓN DE ATHENA MARS. 2005. Archivado desde el original (PDF) el 2009-10-29 . Consultado el 10 de mayo de 2013 . La comunicación con la Tierra es solo dos veces por sol (día marciano), por lo que el rover está solo (autónomo) durante gran parte de su viaje a través del paisaje marciano. Los científicos envían comandos al rover en un "enlace ascendente" por la mañana y recopilan datos en un "enlace descendente" por la tarde. Durante un enlace ascendente, se le dice al móvil adónde ir, pero no exactamente cómo llegar allí. En cambio, el comando contiene las coordenadas de los waypoints hacia un destino deseado. El rover debe navegar de un waypoint a otro sin ayuda humana. El rover tiene que usar su "cerebro" y sus "ojos" para estos casos. El "cerebro" de cada rover es el software de computadora a bordo que le dice al rover cómo navegar en base a lo que ven las Hazcams (cámaras para evitar peligros). Está programado con un conjunto dado de respuestas a un conjunto dado de circunstancias. A esto se le llama "autonomía y evitación de peligros".
20. Anderson, Chad (noviembre de 2013). "Repensar los viajes espaciales público-privados". Política espacial . 29 (4): 266-271. Código bibliográfico : 2013SpPol..29..266A . doi : 10.1016 / j.spacepol.2013.08.002 .
21. "Intelsat elige a MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. para el servicio de satélites" . comunicado de prensa . Grupo CNW. Archivado desde el original el 12 de mayo de 2011 . Consultado el 15 de marzo de 2011 . MDA planea lanzar su vehículo de Servicio de Infraestructura Espacial ("SIS") a una órbita casi geosincrónica, donde dará servicio a satélites comerciales y gubernamentales que necesiten combustible adicional, reposicionamiento u otro tipo de mantenimiento. ... MDA e Intelsat trabajarán juntos para finalizar las especificaciones y otros requisitos durante los próximos seis meses antes de que ambas partes autoricen la fase de construcción del programa. La primera misión de reabastecimiento de combustible estará disponible 3,5 años después del comienzo de la fase de construcción.
22. Morring, Frank, Jr. (2011-03-22). "An End To Space Trash?". Aviation Week. Retrieved 2011-03-21. ViviSat, a new 50-50 joint venture of U.S. Space and ATK, is marketing a satellite-refueling spacecraft that connects to a target spacecraft using the same probe-in-the-kick-motor approach as MDA, but does not transfer its fuel. Instead, the vehicle becomes a new fuel tank, using its own thrusters to supply attitude control for the target. ... [the ViviSat] concept is not as far along as MDA.

enlaces externos

• NASA Jet Propulsion Laboratory
• Russia's unmanned Moon missions
• NASA Home Page