Una nave espacial robótica es una nave no tripulada, 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 en lugar de tripuladas, debido a un menor costo y menores factores de riesgo. Además, algunos destinos planetarios como Venus o las cercanías de Júpiter son demasiado hostiles para la supervivencia humana, dada la tecnología actual. Los planetas exteriores, como Saturno, Urano y Neptuno, están demasiado lejos para alcanzarlos con la tecnología actual de los vuelos espaciales tripulados, por lo que las sondas telerobóticas son la única forma de explorarlos.
Muchos satélites artificiales son naves espaciales robóticas, al igual que muchos landers y rovers.
Historia
La primera nave espacial robótica fue lanzada por la Unión Soviética (URSS) el 22 de julio de 1951, un vuelo suborbital con dos perros Dezik y Tsygan. Otros cuatro vuelos de este tipo se realizaron hasta el otoño de 1951.
El primer satélite artificial, Sputnik 1, fue colocado en una órbita terrestre de 215 por 939 kilómetros (116 por 507 nmi) por la URSS el 4 de octubre de 1957. El 3 de noviembre de 1957, la URSS orbitó el Sputnik 2. Pesando 113 kilogramos (249 lb), Sputnik 2 llevó al primer animal vivo a la órbita, el perro Laika. 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 libras).
En una carrera cercana con los soviéticos, los Estados Unidos lanzaron su primer satélite artificial, el Explorer 1, en una órbita de 193 por 1,373 millas náuticas (357 por 2,543 km) el 31 de enero de 1958. El Explorer I tenía una capacidad 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), comparado con el Sputnik 1, una esfera de 58 centímetros (23 pulgadas) que pesaba 83.6 kilogramos (184 lb). 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 tenía sensores científicos. El 17 de marzo de 1958, EE. UU. Orbitó su segundo satélite, Vanguard 1, que tenía aproximadamente el tamaño de una toronja, y permanece en una órbita de 360 por 2.080 millas náuticas (670 por 3.850 km) a partir de 2016.
Otros nueve países han lanzado satélites con éxito utilizando sus propios vehículos de lanzamiento: Francia (1965), Japón y China (1970), el Reino Unido (1971), India (1980), Israel (1988), Irán (2009), Corea del Norte ( 2012), y Nueva Zelanda (2018).
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 bus proporciona estructura física, control térmico, energía eléctrica, control de actitud y telemetría, seguimiento y comando.
JPL divide el «sistema de vuelo» de una nave espacial en subsistemas. Éstos incluyen:
Estructura
Esta es la estructura de la columna vertebral física. Eso:
Proporciona integridad mecánica general de la nave espacial.
asegura que los componentes de la nave espacial sean compatibles y puedan soportar cargas de lanzamiento
Manejo de datos
Esto se conoce a veces como el subsistema de comando y datos. A menudo es responsable de:
secuencia de comandos de almacenamiento
manteniendo el reloj de la nave espacial
recopilar e informar datos de telemetría de naves espaciales (por ejemplo, salud de naves espaciales)
recolectar y reportar datos de la misión (por ejemplo, imágenes fotográficas)
Determinación de actitud y control.
Este sistema es el principal responsable de la correcta orientación de la nave espacial en el espacio (actitud) a pesar de los efectos de gradiente de perturbación-gravedad externa, pares de campo magnético, radiación solar y resistencia aerodinámica; Además, puede ser necesario reposicionar las piezas móviles, como antenas y paneles solares.
Aterrizaje en terreno peligroso
En las misiones de exploración planetaria con naves espaciales robóticas, hay tres partes clave en los procesos de aterrizaje en la superficie del planeta para garantizar un aterrizaje seguro y exitoso. Este proceso incluye una entrada en el campo de gravedad planetario y la atmósfera, un descenso a través de esa atmósfera hacia una región de valor científico intencionado / objetivo y un aterrizaje seguro que garantiza 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 eficientemente la evaluación de peligros y los ajustes de trayectoria en tiempo real para evitar peligros. Para lograr esto, la nave espacial robótica requiere un conocimiento preciso de la ubicación de la nave espacial en relación con la superficie (localización), lo que puede representar un peligro desde el terreno (evaluación de peligros) y hacia dónde debe dirigirse la nave espacial (prevención de peligros). Sin la capacidad de operaciones para 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 imagen para interpretar los datos inmediatos del terreno, realizar una detección en tiempo real y evitar los peligros del terreno que pueden impedir el aterrizaje seguro, y aumentar la precisión del aterrizaje en un lugar de interés deseado mediante técnicas de localización de puntos de referencia. La detección integrada completa estas tareas al confiar en la información pregrabada y en las cámaras para comprender su ubicación y determinar su posición y si es correcta o si necesita hacer correcciones (localización). Las cámaras también se utilizan para detectar posibles peligros, ya sea un aumento en el consumo de combustible o un peligro físico, como un punto de aterrizaje deficiente en un cráter o en un acantilado, lo que haría que el aterrizaje no fuera ideal (evaluación de peligros).
Telecomunicaciones
Los componentes en el 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.
Energía eléctrica
El suministro de energía eléctrica en una nave espacial generalmente proviene de células fotovoltaicas (solares) o de un generador termoeléctrico de radioisótopos. Otros componentes del subsistema incluyen baterías para almacenar circuitos de alimentación y distribución que conectan los componentes a las fuentes de alimentación.
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 sombrillas para protección adicional contra el calentamiento solar. A menudo también necesitan protección contra los micrometeoroides y los desechos orbitales.
Propulsión
La propulsión de una nave espacial es un método que permite a una nave espacial viajar a través del espacio generando un empuje para empujarla hacia adelante. Sin embargo, no hay un sistema de propulsión universalmente utilizado: monopropelente, bipropelente, iónico, etc. Cada sistema de propulsión genera empuje de maneras ligeramente diferentes y cada sistema tiene sus propias ventajas y desventajas. Pero, la mayoría de las propulsiones de las naves espaciales hoy en día se basan 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 a la nave hacia adelante. Esto sucede debido a un principio básico conocido como la 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 posterior de la nave, las partículas de gas se empujan para permitir que la nave avance hacia adelante. La razón principal detrás del uso del motor de cohete hoy en día es que los cohetes son la forma más poderosa de propulsión que existe.
Monopropelente
Para que un sistema de propulsión funcione, generalmente siempre hay una línea de oxidante y una línea de combustible. De esta manera, se controla la propulsión de la nave espacial. Pero en una propulsión monopropelente, no hay necesidad de una línea de oxidante y solo requiere la línea de combustible. Esto funciona debido a que el oxidante está unido químicamente a la propia molécula de combustible. Pero para que el sistema de propulsión sea controlado, 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 de cohete sea más liviano y barato, fácil de controlar y más confiable. Pero, la desventaja es que el químico es muy peligroso de fabricar, almacenar y transportar.
Bipropelente
Un sistema de propulsión bipropelente es un motor de cohete que utiliza un propulsor líquido. Esto significa que tanto el oxidante como la línea de combustible están en estado líquido. Este sistema es único porque no requiere sistema de ignición, los dos líquidos se quemarán espontáneamente tan pronto como entren en contacto entre sí y produzcan la propulsión para empujar la nave hacia adelante. El principal beneficio de contar con esta tecnología se debe a que estos tipos de líquidos tienen una densidad relativamente alta, lo que permite que el volumen del tanque de propulsión sea pequeño, lo que aumenta la eficacia del espacio. El inconveniente es el mismo que el 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 por medio del bombardeo de electrones o la aceleración de iones. Al disparar electrones de alta energía a un átomo propulsor (carga neutra), elimina los electrones del átomo propulsor y esto hace que el átomo propulsor se convierta en un átomo cargado positivamente. Los iones cargados positivamente se guían para pasar a través de rejillas cargadas positivamente que contienen miles de orificios alineados precisos que se ejecutan a altos voltajes. Luego, los iones alineados cargados positivamente aceleran a través de una rejilla del acelerador cargado negativamente 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 hacia adelante. La ventaja de tener este tipo de propulsión es que es increíblemente eficiente para mantener una velocidad constante, que es necesaria para viajes en el espacio profundo. Sin embargo, la cantidad de empuje producido es extremadamente baja y necesita mucha energía eléctrica para funcionar.
Dispositivos mecánicos
Los componentes mecánicos a menudo deben moverse para su implementación después del lanzamiento o antes del aterrizaje. Además del uso de motores, muchos movimientos únicos están controlados por dispositivos pirotécnicos.
Nave espacial robótica vs. no tripulada.
Las naves robóticas son sistemas específicamente diseñados para un entorno hostil específico. Debido a su especificación para un entorno particular, varía enormemente en complejidad y capacidades. Mientras que una nave no tripulada es una nave espacial sin personal ni tripulación, se opera de forma automática (procede con una acción sin intervención humana) o con control remoto (con intervención humana). El término ‘nave espacial no tripulada’ no implica que la nave espacial sea robótica.
Controlar
Las naves espaciales robóticas usan la telemetría para enviar por radio a la Tierra datos adquiridos e información del estado del vehículo. Aunque en general se lo conoce como «controlado a distancia» o «telerobótico», la nave espacial orbital más antigua, como Sputnik 1 y Explorer 1, no recibió 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. El aumento de la autonomía es importante para las sondas distantes en las que el tiempo de viaje de la luz impide una rápida decisión y control de la Tierra. Las sondas más nuevas, como Cassini-Huygens y los Mars Exploration Rovers, son altamente autónomas y utilizan computadoras a bordo para operar de manera independiente durante largos períodos de tiempo.
Sondas espaciales
Una sonda espacial es una nave espacial robótica que no orbita la Tierra, sino que explora el espacio exterior. Una sonda espacial puede acercarse a la Luna; viajar a través del espacio interplanetario; sobrevuelo, órbita o tierra en otros cuerpos planetarios; o entrar en el espacio interestelar.
El Dragón de SpaceX
Un ejemplo de una nave espacial completamente robótica en el mundo moderno sería el Dragon de SpaceX. El SpaceX Dragon es una nave espacial robótica diseñada para enviar no solo carga a la órbita de la Tierra, sino también a los humanos. La altura total del SpaceX Dragon es de 7.2 m (23.6 pies) con un diámetro de 3.7 m (12 pies). La masa total de la carga útil de lanzamiento es de 6.000 kg (13.228 libras) y una masa de retorno total de 3.000 kg (6.614 libras), junto con un volumen de carga útil de lanzamiento total de 25 m ^ 3 (883 pies ^ 3) y un volumen de carga útil de retorno total de 11 m ^ 3 (388 pies ^ 3). La duración total del Dragón en la órbita de la Tierra es de dos años.
En 2012, el SpaceX Dragon hizo historia al convertirse en la primera nave espacial robótica comercial para entregar carga a la Estación Espacial Internacional y devolver la carga a la Tierra de manera segura en el mismo viaje. Esta hazaña que el Dragón hizo solo se logró previamente por los gobiernos. Actualmente, el Dragón está destinado a transferir carga debido a su capacidad de devolver cantidades significativas de carga a la Tierra a pesar de que originalmente fue diseñado para transportar humanos.
Una sonda espacial es una misión científica de exploración espacial en la que una nave espacial abandona la Tierra y explora el espacio. Puede acercarse a la Luna, entrar en el espacio interplanetario, sobrevuelo u órbita de otros cuerpos, o acercarse al espacio interestelar.
Vehículos robóticos de servicio espacial.
MDA Space Infrastructure Servicing vehículo: un depósito de reabastecimiento de combustible en el espacio y una nave espacial de servicio para satélites de comunicaciones en órbita geosíncrona. Lanzamiento previsto para 2015. [actualización de necesidades]
El vehículo de extensión de la misión es un enfoque alternativo que no utiliza la 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».