The Universe in the Classroom

Subiendo, Subiendo y Saliendo

Conectándose

Muchos vuelos espaciales con humanos a bordo traen consigo un encuentro, o una cita, con otra nave espacial, como la atracada del transbordador espacial con la estación espacial Mir (para información sobre como buscar satélites en órbita durante la noche, vea el artículo Orbital Ornithology). Durante las maniobras del encuentro, los astronautas deben alterar su órbita para igualar la órbita de la nave espacial que quieren visitar. Y el cambiar órbitas puede ir contra la intuición.

El encender los motores del cohete finalmente hace que la nave espacial vaya más despacio. La razón es que los motores mueven a la nave a una órbita más elevada---dicha órbita es más lenta porque la gravedad es más débil. Los satélites en una órbita más baja sienten una mayor atracción de la gravedad y por lo tanto se mueven más rápido. A una altitud de 200 kilómetros (120 millas) un satélite pasa rapidísimo, a 28,000 kilómetros por hora, completando una órbita cada 90 minutos.

A una altitud de 35,800 kilómetros (22,200 millas), un satélite viaja más modestamente a 11,100 kilómetros por hora, completando una órbita cada 24 horas. Va al paso de la rotación de la Tierra. Dicha órbita, llamada geoestacionaria o geosincrónica, se usa para satélites meteorológicos y de comunicaciones que necesitan estar colgados sobre un punto de la superficie de la Tierra. A una altitud de 390,000 kilómetros (242,000 millas), nuestro satélite natural---la Luna--- recorre su órbita a 3,600 kilómetros por hora y la completa cada 28 días.

Para cada altitud hay una velocidad única que el satélite debe tener para mantener una órbita circular. Si los motores del cohete fuerzan al satélite a ir más rápido o más despacio que dicha velocidad, el satélite se pone en una órbita elíptica. Un satélite en órbita elíptica cambia constantemente su distancia a la Tierra (ver Figura 2). Su punto más cercano a la Tierra se llama perigeo, el más distante, apogeo. Conforme cambia la altitud del satélite, también cambia su velocidad.
Swingin' at the Savoy
Figura 2
Columpiándonos. A menos que seas un atrevido, tú te columpias hacia adelante y hacia atrás en un arco, intercambiando altura por momento y viceversa. En la parte más alta del arco (ĹA┼), tu columpio se para e invierte de dirección. Al columpiarte hacia abajo, la gravedad causa que tu velocidad se acumule, alcanzando el máximo en la parte más baja del arco (ĹB┼). Al columpiarte de nuevo hacia arriba, disminuyes tu velocidad y eventualmente llegas a la parte más alta del arco (ĹC┼). Un satélite en una órbita elíptica se mueve de la misma manera por la misma razón. En su punto más remoto de la Tierra (apogeo), el satélite deja de alejarse de la Tierra y empieza a moverse Đhacia abajo╔. Al descender, el satélite acelera, alcanzando su velocidad máxima en el punto más cercano a la Tierra (perigeo). Al ascender, disminuye su velocidad hasta llegar otra vez al apogeo.

El satélite se mueve más rápido en el perigeo y más despacio en el apogeo. La velocidad varía de la misma manera que la velocidad de un niño en un columpio (ver Figura 2). Cerca de la parte más alta del arco del columpio, el columpio va despacio; en la parte más baja, va muy rápido. En la parte más baja, la inercia del columpio lo lleva hacia arriba; conforme el columpio sube, su velocidad disminuye; en la parte más alta la gravedad lo baja de nuevo. De la misma manera, un satélite va más rápido cuando está cerca de la Tierra (perigeo) y más despacio cuando está más lejos (apogeo).

Casi todos los satélites empiezan en órbitas elípticas porque es muy difícil obtener la velocidad precisa de lanzamiento para una órbita circular. Para mover al satélite a una órbita circular, los operadores de control de la misión disparan los motores del cohete una vez que el satélite está arriba de la atmósfera. El transbordador espacial hace esto regularmente con un Đencendido OMS╔ a los 46 minutos de vuelo. El encendido OMS asegura que el transbordador se mueva exactamente a la velocidad correcta para estar en una órbita circular a la altura deseada.

Para pasar de una órbita circular a otra, un satélite primero debe pasar a una órbita elíptica. Hay muchas órbitas elípticas que funcionan, pero la que toma menos esfuerzo es la llamada órbita de transferencia de Hohmann. Supón que quieres mover tu satélite de comunicaciones de una órbita baja a una geosincrónica a 35,800 kilómetros (ver Figura 3). El primer paso es aumentar la velocidad encendiendo los cohetes. Esto eleva al satélite a una órbita elíptica con un apogeo de 35,800 kilómetros. El segundo paso es prender los cohetes otra vez, justo cuando el satélite llega al apogeo. Este segundo encendido cambia la órbita elíptica a una circular.
give me a transfer
Figura 3
Dame una transferencia. El elevar un satélite de comunicaciones de una órbita baja alrededor de la Tierra a una órbita geosincrónica es un procedimiento de dos pasos. Primero se encienden los cohetes para aumentar la velocidad del satélite de 28,000 a 36,900 kilómetros por hora ('A'). Esto se conoce como transferencia de Hohmann y pone al satélite en una órbita elíptica. El perigeo de la órbita elíptica nueva es la altitud de la órbita baja; el apogeo es la altitud de la órbita geosincrónica. El satélite se mueve hacia afuera en su nueva órbita, disminuyendo su velocidad en el proceso. Cuando el satélite llega al apogeo, se está moviendo a 5,800 kilómetros por hora. En este punto se encienden de nuevo los cohetes para aumentar la velocidad a 11,100 kilómetros por hora ('B'). Esto pone al satélite en una órbita circular a esa altitud.

Cuando los astronautas usan las transferencias de Hohmann para encontrarse con otra nave espacial, deben medir el tiempo de la transferencia con precisión para que lleguen en su nueva órbita al lugar donde estará la otra nave.

Nos Inclinamos a Coincidir

La altitud y circularidad de la órbita no son las dos únicas cosas que deben coincidir antes de que dos naves espaciales se puedan encontrar. Las naves deben tener órbitas con la misma inclinación.

Cuando los primeros astronautas se pusieron en órbita, la mayoría de la gente se preguntaba porqué la trayectoria proyectada en la tierra y desplegada en un mapa del mundo trazaba extraños lazos hacia arriba y hacia abajo (ver Figura 6). Todos habíamos supuesto que la órbita estaría directamente encima del ecuador. En realidad, casi todas las órbitas están inclinadas respecto al ecuador. Generalmente el ángulo de inclinación es igual a la latitud del sitio de lanzamiento: 28.5 grados para el Centro Espacial Kennedy en Florida (ver Actividad 2). Esto significa que el transbordador espacial generalmente va 28.5 grados al norte y 28.5 al sur. La NASA a veces utiliza órbitas con inclinaciones mayores que 28.5 grados, pero estas órbitas son menos eficientes.
map
Figura 6
Trazos sobre el mapa de las trayectorias de Mir y Hubble. Este mapa muestra los puntos sobre la Tierra exactamente debajo de estos dos satélites. Las trayectorias cambian durante el curso del día; este mapa las muestra el 20 de abril de 1996 de las 9 a las 10:45 p.m., hora del Pacífico. Mir completa una órbita cada 92 minutos 26 segundos y alcanza latitudes entre 51.65 grados al norte y 51.65 al sur. Hubble da una vuelta cada 96 minutos 35 segundos y alcanza latitudes menores que 28.47 grados. Mapa generado con "OrbiTrack", versión 2.1.4, con movimientos orbitales de la NASA iguales a 795.
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Actualmente, los Estados Unidos, Rusia, Canadá, Europa y Japón están construyendo una estación espacial (ver Figura 4). En una órbita cuya inclinación respecto al ecuador es de 51.6 grados, la estación será fácil de alcanzar para los rusos, pues su sitio de lanzamiento---el Cosmodromo Baikonur en Kazakhstan---está en una latitud alta. Pero los transbordadores americanos van a tener más dificultades. Debido a que el transbordador necesitará combustible adicional para llegar a la estación, será incapaz de llevar tanta carga como podría llevar en una órbita menos inclinada.
The International Space Station
Figura 4
La Estación Espacial Internacional. No es tan bonita como la de "2001: Odisea del Espacio", pero es un principio. Como jaulas modulares intercomunicadas por túneles; pero de alta tecnología, la estación consistirá de módulos entrelazados de los Estados Unidos, Canadá, Europa y Rusia. Si todo sale como planeado, seis gentes vivirán a bordo, conduciendo toda clase de experimentos científicos e ingenieriles y, como lo esperan los entusiastas del espacio, demostrando que la gente puede vivir en el espacio por temporadas largas. El ensemblado debe empezarse en noviembre de 1997 y terminarse en junio de 2002. Trabajo artístico por cortesía del Centro Espacial Johnson de la NASA.

Por otra parte, los lanzamientos en latitudes bajas tienen una ventaja muy importante. Cuando el transbordador es lanzado hacia el este desde Kennedy, recibe un empuje gratis de 1,465 kilómetros por hora (908 millas por hora) porque la Tierra está rotando. Las gentes utilizan este mismo principio cuando corren al aventar una pelota. La pelota lleva la velocidad a la que tú estás corriendo, además de la velocidad que le imparte tu brazo.

Una plataforma de lanzamiento más cerca del ecuador, como el sitio de lanzamiento Kourou de la Agencia Europea Espacial, en la Guayana Francesa, es aún mejor. Un punto en el ecuador de por sí se está moviendo hacia el este a 1,670 kilómetros por hora (1,035 millas por hora). Recuerda que la Tierra gira alrededor de su eje una vez cada 24 horas. Como la Tierra mide 40,080 kilómetros (24,850 millas) a la redonda, un punto en el ecuador debe recorrer 40,080 kilómetros en 24 horas. Los sitios de lanzamiento en latitudes más altas van más despacio porque la distancia a la redonda no es tan grande como en el ecuador.

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