Astronáutica

Astronáutica
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(*) No vinculado con la Unión Europea.

La astronáutica es la teoría y práctica de la navegación fuera de la atmósfera de la Tierra por parte de objetos artificiales, tripulados o no, es decir, el estudio de las trayectorias, navegación, exploración y supervivencia humana en el espacio. Abarca tanto la construcción de los vehículos espaciales como el diseño de los lanzadores que habrán de ponerlos en órbita, o llevarlos hasta los planetas, satélites naturales, asteroides, cometas, etc.

Se trata de una rama amplia y de gran complejidad, debido a las condiciones difíciles bajo las que deben funcionar los aparatos que se diseñen. En la actualidad, la exploración espacial se ha mostrado como una disciplina de gran utilidad, en la cual están participando cada vez más países.

En términos generales, los campos propios de la astronáutica, y en la que colaboran las diversas especialidades científicas y tecnológicas ( astronomía, matemáticas, física, cohetería, robótica, electrónica, computación, bioingeniería, medicina, ciencia de materiales, etc.) son:

  • El diseño de los ingenios espaciales ("naves" en términos generales), así como los materiales con que serán construidas.
  • La investigación en sistemas de propulsión y aplicación de los propulsantes que posibiliten el despegue y la navegación de los aparatos espaciales.
  • El cálculo de las velocidades y trayectorias de despegue, navegación, acople y reingreso de los aparatos, sea en relación a la Tierra o a otros cuerpos celestes, así como las técnicas a utilizar en las mismas.
  • La supervivencia de los seres humanos en el espacio, sea en el interior de las naves o fuera de ellas.
  • Las técnicas de comunicación de las naves con la Tierra, o entre ellas en el espacio exterior.
  • La técnicas de exploración y colonización del espacio y de los cuerpos celestes.

La astronáutica, en combinación con la astronomía y la astrofísica, ha dado origen y potenciado a nuevas disciplinas científicas: astrodinámica, astrofotografía, telemetría espacial, astrogeofísica, astroquímica, astrometeorología, etc.[1]

El diseño de las naves

Todo diseño de un ingenio espacial debe tomar en cuenta:

1º El medio en que se desplaza ( atmósfera, espacio).

2º La utilidad a que ha sido destinado (carga, transporte de seres humanos, investigación, comunicaciones, militar, etc.).

3º El sistema de propulsión ideado y el tipo de carburante empleado ( combustibles líquidos, combustibles sólidos, combinados, o de otra naturaleza).

4º La fuerza de gravedad que deben vencer al abandonar o acercarse a la Tierra u otros cuerpos celestes.

El medio de desplazamiento

Las naves deben desplazarse, a través de la atmósfera (en el proceso de despegue o en el reingreso), y a través del espacio, orbital o interplanetario; si tienen que navegar en la atmósfera de la Tierra o de otros mundos, deben adoptar una forma aerodinámica que suele ser dada por la presencia de alas, timones de dirección, escudos refractarios. Estos elementos son esenciales en el despegue, la ascensión, el frenado, reingreso, aterrizaje. Existen naves que prescinden de la mayor parte de los elementos señalados, aunque no renuncian a alguna forma básica que les permita un frenado efectivo para emplear sistemas de paracaídas u otros que le permitan tocar la superficie de la Tierra u otros mundos de manera segura (tal fue el caso de los módulos de servicio de todas las naves de los programas Gemini y Apolo, los cuales tenían una forma cónica oponible a la fricción de la atmósfera).

Si las naves deben desplazarse en el espacio, su forma no tiene la obligación de adoptar elementos aerodinámicos, pues en ausencia de aire esos elementos son inútiles, y para proporcionar dirección a los aparatos, éstos deben hacer uso de otros mecanismos (chorros de gas direccionales, uso de los motores o de la energía orbital); por lo tanto, la forma de la nave puede responder libremente a los otros condicionantes señalados. Por ejemplo, las estaciones espaciales prescinden totalmente de elementos aerodinámicos, pues su función no es navegar en la atmósfera, sino exclusivamente en el espacio.

Los materiales de fabricación

El diseño debe contemplar una estructura capaz de resistir las aceleraciones, el impacto de los micrometeoritos y la acción de los vientos solares, fuerzas capaces de desestabilizar cualquiera de los sistemas de las naves, inclusive de provocar su inutilización parcial o destrucción total. Esta estructura está conformada por ciertos materiales dotados de propiedades que le permite enfrentar los rigores del despegue, la navegación y el reingreso. Mediante avanzados programas computacionales, los diseñadores suelen simular las condiciones y tensiones que deberán soportar los materiales y elementos que conformarán los diversos aparatos espaciales. Los materiales cumplen con elevados estándares de resistencia al impacto de micrometeoritos, de gran capacidad refractaria del calor, capaces de resistir las enormes presiones y vibraciones que significa el despegue, la aceleración o el frenado, absorbentes al máximo posible de las mortales radiaciones espaciales, pero a la vez capaces de captar la energía lumínica mediante su aplicación en los paneles solares. Sin embargo, los materiales deben cumplir con la limitación que impone el uso de los combustibles químicos tradicionales, que exigen naves con la menor masa posible: a menor masa de la nave, menor gasto de combustible y mayores posibilidades de realizar viajes largos con retorno incluido (el caso de las astronaves); a mayor masa, mayores gastos y menores posibilidades de realizar lo anterior. Por ejemplo, la gran masa de los transbordadores de la NASA les impide realizar vuelos extraorbitales(p.ej. de exploración lunar) dado que sus reservas de combustible son limitadas. Por lo tanto, el ideal es que los materiales utilizados procuren el máximo de resistencia, solidez estructural y funcionalidad, pero con ahorro en todo lo posible de masa.

El diseño de las naves que deben trabajar en ambientes muy hostiles, con condiciones extremas de calor, frío o presión, deben contar con una tecnología que las haga soportarlas. Por ejemplo, las sondas espaciales soviéticas de nombre Venera, que exploraron Venus a partir de 1961, contemplaban en su diseño materiales capaces de resistir temperaturas que derretían el plomo, pudiendo operar por algunas horas en la superficie venusiana.

Clasificación de los ingenios espaciales

En cuanto al segundo aspecto (utilidad) los ingenios espaciales suelen clasificarse en satélites artificiales, cuando orbitan la Tierra en función de alguna utilidad específica, como fue por ejemplo el satélite ruso Sputnik I, primer objeto orbital puesto por el hombre en el espacio, en astronaves, cuando están tripuladas por al menos una persona y disponen de propulsante propio que les permite maniobrar en el espacio y/o en la atmósfera, como por ejemplo los trasbordadores, o como fueron los módulos del programa norteamericano Apolo, sondas espaciales, cuando las naves están destinadas a la investigación en dirección al espacio profundo, sea en demanda de los cuerpos celestes del Sistema Solar o fuera de él, como por ejemplo las sondas del programa Viking, de la NASA, destinadas a explorar Marte, y las estaciones espaciales, complejos orbitales en torno a la Tierra que pueden albergar un número mayor de ocupantes y con medios de supervivencia que les permitan largas estadías, como por ejemplo la estación soviética Salyut 1.

Morfología de las naves espaciales

Por otra parte, la utilidad que se le asigne a una nave espacial condicionará su morfología, su masa (peso) y su tamaño. Por ejemplo, la variación en las formas, pesos y tamaños que tienen los satélites es enorme, abarcando desde la forma absolutamente esférica (como el satélite norteamericano Explorer IX, lanzado en febrero de 1961 y de sólo 6 kg de peso) hasta formas cilíndricas, cónicas, estrelladas, etc. Más condicionada puede resultar la morfología de los diversos tipos de sondas, astronaves y estaciones espaciales, en que dominan ciertas estructuras características: paneles solares, antenas, cohetes, tanques de combustible, bodegas de carga y alas(como es el caso de los transbordadores), módulos de servicio (como es el caso de las astronaves de exploración lunar), secciones modulares de construcción (como es el caso de las actuales estaciones espaciales), etc.

En cuanto al tercero (los sistemas de propulsión) y cuarto aspecto (la gravedad a vencer), la nave destinada a operar a partir de un despegue directo de la superficie terrestre, deberá ser diseñada para soportar las fuertes tensiones que significa el funcionamiento de los cohetes por un determinado espacio de tiempo. Así mismo, deberá contar con el volumen suficiente de almacenamiento de combustible, dependiendo de la misión que emprenda. Una nave tripulada destinada a la exploración de un cuerpo celeste, tiene por lo general estructuras de almacenamiento de mayor tamaño que una no tripulada, pues tiene contemplado el regreso a la Tierra en el más breve lapso de tiempo, mientras que las no tripuladas cuentan con márgenes mayores de tiempo, suelen aprovechar con eficiencia los impulsos gravitatorios y son en su mayoría desechables. El diseño deberá tener en cuenta el tipo de carburante o propulsante; hasta hoy los carburantes usados son de tipo químico, y ocupan un cierto volumen.

La cantidad y la calidad del combustible inicial, así como el sistema de propulsión, estarán en función de la masa total de la nave. A mayor masa a elevar, mayor será el gasto de combustible a utilizar, por lo que el diseño de la nave deberá contemplar las medidas de volumen y los materiales de fabricación adecuados, para sostener una estructura capaz de soportar la fuerza necesaria que la llevará al espacio, o la hará navegar en él.

Los sistemas operativos

Toda nave espacial, independientemente de la utilidad que tenga, está estructurada sobre la base de los siguientes sistemas operativos básicos: propulsión, navegación, energético de alimentación (almacenamiento, acumulación y distribución de la energía eléctrica) y comunicación. La propulsión suele lograrse mediante el empleo de los sistemas de cohetes; la navegación mediante el empleo de sofisticados sistemas computacionales, giroscópicos y direccionales y de alarma; la administración de la electricidad mediante baterías, paneles solares, transformadores, etc; la comunicación, mediante un sistema de radio y antenas especialmente orientadas.

Especial cuidado tiene el diseño de las naves tripuladas; fuera de todos los sistemas antedichos, las naves tripuladas, y en particular las destinadas al reingreso, cuentan con otra serie de sistemas adicionales: sistema de control de la temperatura y humedad interna, presión y provisión de aire, alimentos y líquidos, un volumen interior mínimo que permita el trabajo y el descanso de los astronautas, uno de acceso y salida de la nave por parte de sus ocupantes, un sistema de acople que permita a los astronautas acceder a otro vehículo en el espacio, en fin, todos los sistemas necesarios para la supervivencia humana. Además, cuentan con un eficiente sistema de aterrizaje, constituido por paracaídas, o por alas y trenes de aterrizaje de carácter aeronáutico, o especialmente diseñados para el descenso en otros cuerpos celestes.

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