Pero, ¿no hay que maniobrar al revés?

Cuando publico este post, (el 18 de noviembre de 2016) hay tres personas realizando un largo viaje.

Salieron ayer jueves día 17 y mañana sábado llegarán a su destino. Cuando se dispongan a aparcar su vehículo, y aunque llevan la lección bien aprendida, es posible que a alguno de ellos instintivamente le dé la impresión de que están haciendo la maniobra al revés, como seguramente te habrá ocurrido alguna vez cuando estás intentando aparcar el coche en un sitio difícil, alguien desde fuera intenta ayudarte y dirigir tus maniobras, pero te da la sensación de que se confunde con la dirección del giro del volante que te indica.

Los viajeros en una rueda de prensa antes de la salida.

Hace poco hablé en este blog de la Estación Espacial Internacional, que tripulada actualmente por 6 astronautas, está en órbita alrededor de nuestro planeta a una altura de unos 400 kilómetros sobre la superficie terrestre, y que circula con una velocidad aproximada de 30 000 kilómetros por hora con los motores apagados, que solo enciende cuando hay que hacer alguna corrección en la órbita.

Esa velocidad está condicionada por su distancia al centro de la Tierra y se puede calcular por la tercera ley de Kepler utilizando los datos de cualquier otro satélite terrestre, sea natural o artificial. Tomando los datos de la Luna, por ejemplo: Como está situada a unos 384 400 kilómetros (de promedio) y completa una vuelta cada 27.3 días, la ISS a 6700 kilómetros del centro de la Tierra (a 400 de la superficie terrestre) debe tener un periodo aproximadamente de 90 minutos (las distancias al cubo son proporcionales a los periodos al cuadrado según la mencionada ley descubierta por el astrónomo alemán). Calculando la longitud de la circunferencia de su órbita (prácticamente lo es) se obtiene la velocidad en kilómetros/hora.

La Estación Espacial Internacional (ISS)

Los astros, y los satélites artificiales una vez colocados en órbita, se mueven siguiendo las leyes de Kepler utilizando como motor la gravedad del astro central alrededor del cual se desplazan, por decirlo de alguna manera. En este contexto, cuando se aplica una fuerza adicional, sea el encendido de un motor o la atracción gravitatoria de otro astro que se aproxime, los efectos pueden ser paradójicos, y hace muy poco recogí algún ejemplo en el caso de los asteroides coorbitales terrestres.

Volviendo a la actualidad, nuestros viajeros son tres astronautas que a bordo de una nave Soyuz se dirigen a la ISS para relevar a tres compañeros que durante varios meses ya cumplieron su misión. Los nuevos inquilinos serán la estadounidense Peggy Annette Whitson, el ruso Oleg Viktorovich Novitskiy y el francés Thomas Pesquet. Para quien le gusten los números puede decirse que no es una expedición cualquiera porque se trata de la tripulación que hace el número 50.
Los dos primeros ya conocen la experiencia, pero Thomas es la primera vez que podrá ver con sus propios ojos las extrañas maniobras de acoplamiento al final del viaje y que parece que van en contra de la lógica.

La nave Soyuz que lleva a bordo a los 3 astronautas se está aproximando a la órbita de la ISS, desde ayer que despegó del cosmódromo de Baikonur en Kazajistán, hasta mañana que, esperemos, consiga acoplarse. Van adecuando su trayectoria a la órbita de la Estación Espacial, pero evidentemente es imposible calcular con total precisión una trayectoria que les permita llegar directamente al punto exacto y acoplase directamente.

Después de varios encendidos y modificaciones de su trayectoria,  la Soyuz se coloca en la misma órbita que la ISS, a cierta distancia por delante o por detrás de ella. Si consigue quedarse suficientemente próxima la maniobra de acople puede realizarse automáticamente. Cualquiera podría pensar que hacen mal en fiarse de ese automatismo que, como quien que dirige la maniobra de aparcamiento de un coche desde fuera, parece que actúa de manera absurda.

Una nave Soyuz, en las proximidades de la Estación Espacial.

Imaginemos que la Soyuz ha quedado situada en la órbita de la ISS por detrás de ella, con el morro bien dirigido hacia delante, por hacer una analogía con nuestros vehículos, y el principal motor de propulsión, lógicamente, en la parte de atrás.

Ambas están con los motores apagados, orbitando la Tierra a una velocidad de unos 30000 kilómetros por hora, como se ha dicho: La ISS delante y la Soyuz detrás.

¿Que debe hacerse para acercarse y atracar? La respuesta parece sencilla: Encender el motor, con lo que aceleraría lo suficiente para alcanzar la posición de la ISS.

Pero no. Esto nunca le permitiría llegar al punto deseado. Como está en órbita alrededor de la Tierra si aumenta la velocidad saldrá a una órbita más externa y nunca llegará a su objetivo porque dejará la órbita correcta y porque su nueva órbita será más lenta y se alejará cada vez más, quedándose más rezagada.

Lo que debe hacer es darse la vuelta con los pequeños motores auxiliares que están situados en diferentes puntos, y encender ligeramente el motor principal, aunque esto parezca absurdo. Esta maniobra frenará la velocidad de la Soyuz, le hará caer a una órbita ligeramente más baja que es más rápida, y así, como un atleta que se cuela por una calle interior, adelantará ligeramente a la ISS y, ahora sí, volviendo a girar y acelerando un poco, volverá a recuperar la órbita correcta en el punto en que se encuentra la Estación Espacial.

 

Representación esquemática y caricaturesca de la situación. La distancia real a la que se realiza la maniobra es mucho mayor.

Esperemos que mañana sábado, la maniobra sea realizada con precisión y los tres astronautas lleguen felizmente a la que durante los próximos meses será su nueva vivienda.

Algún detalle más del viaje:

Se ha analizado la parte final, pero evidentemente hay muchos otros detalles a tener en cuenta en estos viajes espaciales tan especiales.

La partida

Ya el comienzo hay que organizarlo muy bien. Habrás oído muchas veces hablar de de las ventanas de lanzamiento. Cuando se envía una nave al espacio con destino a cualquier lugar, sea otro astro o como en este caso a un satélite artificial, el lanzamiento no se puede hacer en cualquier momento. Hace un año publiqué un artículo sobre los viajes a Marte donde se recogía el cuándo y el por qué debía hacerse en unas fechas concretas. En este caso también hay que elegir el momento adecuado, aunque las razones son totalmente diferentes.

La cuestión principal a tener en cuenta ahora es la situación del plano orbital de la ISS y realizar el lanzamiento cuando el lugar desde donde éste se produzca esté dentro de ese plano, porque el cambiar la inclinación de la órbita de cualquier vehículo espacial es prohibitivo desde el punto de vista energético. Solo son posibles leves variaciones. 

El plano orbital de la ISS prácticamentne se mantiene fijo, salvo una pequeña precesión, pero como la Tierra está rotando, el lanzamiento de la Soyuz debe producirse a la hora en que el cosmódromo de Baikonur, desde donde se realiza el lanzamiento, se encuentre en el plano orbital de la ISS.

Salida del viaje: Ayer 17 de noviembre, a las 20:20 T:U, cuando el cosmódromo de Baikonur se situaba en el plano de la órbita de la ISS. Los viajeros, rodeados de equipaje, y acomodados en sus aposentos hechos a medida para soportar las tremendas aceleraciones. Mapa de Heavens-Above.com e imágenes de NASA.

El itinerario

Después del lanzamiento la Soyuz quedará en una órbita ligeramente elíptica en el mismo plano que la ISS, y esa órbita se irá modificando y alejando hasta que coincida con la de la Estación Espacial y puedan realizarse las maniobras de atraque.

Durante el trayecto se realizan varias modificaciones, encendiendo puntualmente el motor, en el  momento en que se quiere cambiar de órbita. En el proceso, sin entrar en muchos detalles, se utilizan las órbitas de Hoffman que suponen un mínimo gasto de energía porque solo se requiere un impulso puntual, y que también se explicaron en el mencionado artículo sobre Marte:

Si se quiere aumentar la altura del perigeo de la órbita, hay que dar un impulso en el sentido de la marcha cuando la nave esté en el apogeo, y viceversa. La posición del momento del impulso sigue estando en la nueva trayectoria si no hay nuevos encendidos, pero cambia el tamaño de la órbita.

Si para ir a Marte la duración y trayectoria del viaje está casi determinada y saliendo en el momento en que la situación de la Tierra y el planeta rojo estén en una posición relativa concreta el vehículo traza media elipse con el Sol en uno de los focos, en este caso, una vez que la Soyuz entra en órbita alrededor de la Tierra, describe más de 25 vueltas, que en determinados momentos se modifican adecuadamente hasta acercarse a la Estación Espacial.

Cuando publico esto estoy a punto de realizar un viaje para acudir a una reunión de divulgadores y podría decir, aunque esto tiene trampa, que mi destino está casi a doble distancia que el de los astronautas, a unos 800 kilómetros, casi del extremo Norte hasta el Sur de la Península Ibérica, mientras que ellos finalizarán el viaje a solo 400 kilómetros de altura. 
Por supuesto, ellos recorrerán mucha mayor distancia que yo, porque los caminos en el espacio tienen más curvas que nuestras carreteras o nuestros trazados ferroviarios, y estarán dos días dando vueltas alrededor de la Tierra. 

La trampa está en que como muy probablemente el acople no tendrá lugar en la vertical de Baikonur, la distancia real entre el punto de partida y el de llegada será mucho mayor.

En cualquier caso, en la finalización del viaje ellos tendrán que realizar esas extrañas maniobras que he recogido en este artículo y yo (que utilizaré el transporte público) no tendré que preocuparme de aparcar el vehículo.