Nº018 / Septiembre 2014 / REVISTA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA ESPACIAL
Esto nos da una idea de lo fascinante que es la ingeniería aeroespacial y de los grandes retos que tiene que vencer. Estos retos solo se pueden enfrentar a través de la aplicación del conocimiento científico y tecnológico y la creatividad y el trabajo colaborativo y organizado de ingenieros, científicos, técnicos y administradores.
No existen atajos: si queremos que México sea un actor importante en el desarrollo espacial, tenemos que empezar por desarrollar capital humano en el campo espacial en cantidad y calidad suficientes como para enfrentar los retos de la ciencia y la tecnología espacial. Así que súmate a esta gran cruzada y serás protagonista del desarrollo espacial.
El reingreso de una nave espacial a la tierra es una de los temas más críticos y fascinantes de la ingeniería aeroespacial. La nave debe entrar a la atmósfera con un ángulo y velocidad precisos para garantizar un aterrizaje seguro en una posición especifica. Si el ángulo de entrada es demasiado alto, la nave desacelerará demasiado rápido. Esta rápida deceleración generará temperaturas muy altas que pueden hacer que la nave se desintegre y se consuma. Si el ángulo de entrada es demasiado bajo, el vehículo experimentará muy poco arrastre de la atmósfera y no logrará seguir una trayectoria hacia la superficie de la tierra. La nave saldrá de la atmósfera y regresará al espacio como cuando tiramos una piedra al ras del agua. Por lo tanto tendrá que hacer otro intento de reingreso controlado, lo cual requerirá de más combustible. Estos dos extremos determinan los límites del ingreso a la tierra y definen el estrecho corredor de reingreso que tiene una nave al intentar realizar un aterrizaje.
Estos límites dejan poco margen para el error, por lo que los ingenieros aeroespaciales hacen grandes esfuerzos para asegurar que la nave espacial será cuidadosamente guiada a lo largo de su trayectoria para sobrevivir a las condiciones extremas de la entrada atmosférica. Más aún, durante esta maniobra, el control de la nave es mayormente pasivo: la nave está cayendo a la tierra y está siendo frenada por la atmósfera y su trayectoria depende mayoritariamente de la fuerza de gravedad y del arrastre atmosférico. Es la forma de la nave y las superficies de control lo que determina mayormente su trayectoria durante su caída. Dos de las condiciones más importantes que se deben considerar en una maniobra de reingreso desde el espacio son la aceleración máxima que puede soportar la nave y su calentamiento.
Por Carlos Duarte
Regreso del Espacio:
Un Reto para la Ingeniería Espacial
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Aceleración
La estructura y la carga útil del vehículo limitan la deceleración máxima o g´s que se puede soportar. (Una "g" es la aceleración de la gravedad en la superficie de la tierra o sea 9.8 metros por segundo al cuadrado). Una estructura bien diseñada puede en principio soportar cientos de g´s. Sin embargo, si en la nave viajan seres humanos, la desaceleración máxima no debe sobrepasar unas 10 g´s durante un par de minutos como máximo. Por otra parte, una desaceleración pequeña puede literalmente hacer que la nave rebote en la atmósfera y regrese al espacio.
Calentamiento
Otra limitación durante reingreso es el calentamiento que experimenta la nave por efecto de la fricción de la atmósfera. Este calentamiento puede ser muy elevado, debido a las enormes velocidades que experimentan las naves espaciales. Por ejemplo un vehículo en una órbita baja circular se mueve a velocidades alrededor de la tierra de entre 27,000 a 29,000 Km/hora y un vehículo que provenga de otra trayectoria, como por ejemplo un viaje interplanetario, podría alcanzar velocidades aún mayores. El arrastre de la atmósfera frena al vehículo a través de convertir su energía cinética en calor. La cantidad de calor generada es enorme, por lo que en el diseño del vehículo se deben considerar sistemas de aislamiento térmico que aseguren que la temperatura de la carga útil o, en su caso, de la tripulación, se mantengan entre límites muy estrechos.
Las consideraciones anteriores nos llevan a que el diseño de las trayectorias de reingreso así como los sistemas de control de trayectoria y de protección térmica de una nave espacial, deben ser diseñados de manera muy cuidadosa y con muy poco margen de error. Su diseño involucra muchas ramas de la ciencia y la ingeniería como mecánica orbital, mecánica de fluidos, termodinámica y transmisión de calor, diseño de sistemas de control y diseño de materiales compuestos, entre muchas otras, las cuales deben trabajar en estrecha coordinación entre si.
Para apreciar el problema del reingreso de una nave espacial a la tierra en toda su complejidad, veamos este interesante video producido por la NASA en 1968 -antes del primer descenso del hombre en la luna-, el cual describe las maniobras y los sistemas planeados para el reingreso a la tierra de los astronautas de proyecto Apolo.
