Cuestiones de astronaútica (4): misión a Marte (1)

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Telescopio
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Cuestiones de astronaútica (4): misión a Marte (1)

Mensajepor Telescopio » 23 May 2005, 18:04

Estamos en el año 2010, planificando la primera misión euro/ruso/norteamericana tripulada a Marte, que tendrá lugar a finales de esa década o principios de la siguiente. Nuestro objetivo es enviar media docena de hombres y mujeres al Planeta Rojo. Queremos situar una cantidad respetable de material en la superficie (digamos un mínimo de 50 toneladas), tanto científico como logístico, de forma que la expedición pueda permanecer en Marte de forma segura durante un par de meses (no más para evitar los problemas de irradiación derivados de la falta de campo magnético en Marte) y que ese material pueda servir para futuras misiones. También deseamos que los viajes de ida y vuelta duren lo menos posible para que nuestros héroes no estén expuestos demasiado tiempo a las peligrosas radiaciones del espacio interplanetario, para reducir la logística de la misión, los problemas físicos derivados de la ingravidez prolongada y los psicológicos resultado de los viajes de muy larga duración. Para reducir el coste de la misión y los problemas de ingeniería, la nave no irá dotada de ningún sistema de gravedad artificial.

Para poner en órbita los elementos de la nave o naves de la primera expedición marciana, en 2010 disponemos de lanzadores pesados capaces de poner en LEO (órbita terrestre baja) cargas de más de 100 toneladas. Serían cohetes del tipo Shuttle Z o Energya (lanzadores que ahora sólo existen en el papel):

Imagen
Shuttle Z

Imagen
Lanzador Energía en una versión avanzada
ruso-americana parcialmente reutilizable.
Existen planes para una versión super-pesada
con 8 aceleradores capaz de satelizar 175 toneladas


¿Qué sistema de propulsión será el más adecuado, dentro de las posibilidades tecnológicas de la segunda década del siglo XXI para desarrollar esta misión?

Lógicamente, deberemos elegir una tecnología de propulsión que permita disponer de un impulso específico adecuado y de una capacidad de empuje considerable de forma que la razón de masas se mantenga dentro de límites razonables. Veamos qué podríamos usar.

1) Propulsión química (por ejemplo, oxígeno + hidrógeno líquidos y/o metano + oxígeno líquidos) En los últimos veinte años, la NASA y otros organismos y centros de investigación han analizado diferentes escenarios para una misión tripulada a Marte (ver entre otros Human Exploration of Mars: The Reference Mission of the NASA Mars Exploration Study Team en http://exploration.jsc.nasa.gov/HumanEx ... tents.htm; Mars Direct: A Practical Low-Cost Approach to Near-Term Piloted Mars Missions en http://www.iaanet.org/p_papers/add2.html; The Economic Viability of Mars Colonization en http://www.aleph.se/Trans/Tech/Space/mars.html, etc.).

Algunos de esos estudios están basados en el empleo de sistemas de propulsión química que emplearían versiones mejoradas de los motores principales del transbordador espacial, que queman oxígeno e hidrógeno líquidos, cuyo impulso específico es de 459 segundos. Dado que ese impulso específico es bajo, los ingenieros se han devanado los sesos buscando las fechas y estrategias más idóneas para poder enviar una misión tripulada en el menor tiempo posible usando propulsión química sin que la razón de masas se vuelva disparatada. El DeltaV típico de una misión marciana tripulada bien optimizada es de 7,7 km/s, lo que se traduce en que la fracción de carga útil de la nave sería de un 17% (es decir, una razón de masa de 5. Suponiendo un total inicial de 600 toneladas en LEO, la masa del propulsor ascendería a unas 475 toneladas; 25 toneladas corresponderían a la masa estructural y el resto carga útil).

En general, las misiones marcianas más rápidas basadas en la propulsión química dependen de oposiciones Tierra-Marte favorables, que reduzcan al mínimo la duración de los viajes de ida y vuelta (ambos planetas se aproximan cada dos años, aunque las distancias mínimas se dan cada 15-17 años. En 2003 se produjo la oposición más favorable de los últimos milenios, y la siguiente será en julio de 2018) empleando órbitas de transferencia de baja energía. Este tipo de misiones suele contemplar el envío por separado de la carga útil (módulos de descenso y retorno, combustible, etc.) por un lado, y por otro la nave tripulada (reduciendo así los requerimientos energéticos y la razón de masas de ésta). Empleando diversas técnicas para reducir el DeltaV, y con ello la razón de masas (aerofrenado en la atmósfera marciana, espera en la superficie marciana de la apertura de la ventana de lanzamiento para el retorno más favorable, fabricación "in situ" del combustible para el módulo de ascenso, asistencia gravitatoria en Venus, etc.), se han logrado definir misiones tripuladas a Marte viables.

Un ejemplo es el lanzamiento de una misión tripulada en febrero de 2014 que llegaría a Marte en julio de ese año (150 días) y que -tras una espera de nada menos que 619 días en suelo marciano- iniciaría el retorno a la Tierra en marzo de 2016, llegando a nuestro planeta en junio, tras un viaje de 110 días. En total, 879 días, dos años y medio. Otras misiones contemplan tiempos de estancia en Marte mucho más cortos (un mes), tanto que cabría preguntarse qué interés podría tener la misión, fuera de la pura y dura propaganda. Pero es más frecuente encontrar misiones cuyo tiempo de vuelo Tierra-Marte / Marte-Tierra es de unos 180 días en cada fase (seis meses), con períodos de estancia en la superficie de unos 500 días.

Imagen
Propuesta de la Planetary Society de EEUU
para una misión marciana tripulada en 2003.
Masa total: 121 toneladas
Tripulantes: 4
Propulsión: hidrógeno y oxígeno líquidos
Aerofrenado en la atmósfera marciana
Duración del vuelo Tierra-Marte: 192 días
Estancia en Marte: 30 días
Duración del vuelo Marte-Tierra: 499 días
Puesta en órbita: 18 lanzamientos del Shuttle
Coste: 38.500 millones de dólares
(Más datos en http://www.astronautix.com/craft/stcbrake.htm)


Otras definiciones de misión emplean también órbitas de baja energía, pero usando las ventanas de lanzamiento de las conjunciones Tierra-Marte, de lo que resultan tiempos de vuelo mucho mayores (hasta 11 meses y medio en el trayecto Tierra-Marte) y estancias en el planeta breves (unas pocas semanas). La única ventaja de este tipo de misiones es su bajo requerimiento energético y su menor dependencia de oposiciones favorables, pero sus tiempos de vuelo son enormes, y cabe preguntarse si los astronautas podrían resistir semejantes condiciones, pues no es lo mismo permanecer en órbita terrestre durante un año o más sabiendo que de ser necesario bastaría con meterse en la cápsula de retorno a la Tierra, que enfrentarse a vuelos de año y medio de duración en el espacio interplanetario en una pequeña astronave, donde cualquier problema médico, eléctrico o mecánico podría convertirse en una catástrofe.

Imagen
Propuesta de la NASA (años 90) para una misión
marciana tripulada en 2016.
Masa total: 800 toneladas
Tripulantes: 4
Propulsión: hidrógeno y oxígeno líquidos
Isp: 475 segundos
Aerofrenado en la atmósfera marciana
Duración del vuelo Tierra-Marte: 350 días
Estancia en Marte: 30 días
Duración del vuelo Marte-Tierra: 580 días
Puesta en órbita: 8 lanzamientos del Shuttle Z
(Más datos en http://www.astronautix.com/craft/stcbrake.htm)


En resumen, las misiones tripuladas a Marte basadas en propulsión química requieren de tiempos de vuelo extremadamente largos o de estancias en la superficie de Marte igualmente largas, sujetos a los condicionantes derivados de la mecánica orbital y a trayectorias interplanetarias de baja energía con cargas y tripulaciones no demasiado elevadas. No parece un escenario muy atractivo para la exploración y posible colonización del segundo planeta más importante (para los humanos) del Sistema Solar, y desde luego nada parecido a lo que nos ha prometido la ciencia-ficción.

¿Qué alternativas tenemos? Últimamente se ha hablado mucho de la propulsión iónica, pero aunque su impulso específico es sensacional (cientos de kilómetros por segundo) su minúsculo empuje obliga a montar generadores eléctricos (nucleares) de una masa descomunal (400 toneladas para un empuje de 1.020 kilos), así que este tipo de propulsión puede ser interesante para pequeñas misiones robot al Sistema Solar exterior en las que una aceleración constante de meses permita reducir en varios años la duración de una misión, pero no parece lo más adecuado para misiones tripuladas en Marte. A este respecto, recomiendo la lectura de la propuesta de la misión precursora interestelar TAU en http://www.tsgc.utexas.edu/archive/design/foci/

Imagen
sonda de propulsión iónica de la misión TAU

Así pues, parece que la única solución viable para llegar a Marte en tiempos de vuelo razonables con grandes cargas, permaneciendo en la superficie el tiempo que se considere oportuno y regresando a la Tierra de forma directa, sin necesidad de emplear complicadas "carambolas" espaciales, pasa por el uso de la propulsión térmica nuclear y la propulsión de plasma.

De ellas hablaremos en las próximas entregas de esta serie.

Saludos
Última edición por Telescopio el 24 May 2005, 10:28, editado 3 veces en total.

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Mensajepor Jomlop » 23 May 2005, 20:15

¿Podemos meter estos artículos en Preguntas frecuentes?
"Una vez hayas probado el vuelo siempre caminarás por la Tierra con la vista mirando al cielo, porque ya has estado allí y allí siempre desearás volver" Leonardo da Vinci ¡Lo dijo 400 años antes de alguien volase!

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Mensajepor jeudy » 23 May 2005, 21:25

Genial!!

De verdad que interesantisimo, parece claro el por que aun no nos animamos a semejante viaje! Sencillamente, el tiempo de vuelo con las actuales tecnologias es muy largo.

Me interesa mucho lo de la propulsion de plasma, se que un compatriota mio, Dr. Frankling Chang Dias estaba trabajando en eso desde hace años, espero con ansias las siguientes entregas!!

Saludos y gracias Telescopio por compartir el articulo!
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Jeudy Blanco
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Telescopio
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Mensajepor Telescopio » 24 May 2005, 07:12

Jomlop escribió:¿Podemos meter estos artículos en Preguntas frecuentes?


Por mi, encantado. Pero mejor esperar a que termine la serie. Además, habría que revisar todo el material para corregir pequeños gazapos.

Saludos

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Beam
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Mensajepor Beam » 24 May 2005, 08:11

Hola

Primero decirte que el artículo es una pasada.

Una cosa. El enlace que explica por que la propulsión iónica no es idonea no va. ¿Podrías explicar por que la propulsión iónica no es adecuada en misiones tripuladas? Gracias.

Saludos

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deeper_space
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Mensajepor deeper_space » 24 May 2005, 10:41

¡Y tanto que es una pasada! No solo este, ¡todos!
Yo aún estoy intentando asimilar los primeros. Quiero empaparme bien de los 3 primeros antes de leerme este. Ya llegaré... :?

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Telescopio
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Mensajepor Telescopio » 24 May 2005, 10:44

Beam escribió:Hola. Primero decirte que el artículo es una pasada.
Una cosa. El enlace que explica por que la propulsión iónica no es idonea no va. ¿Podrías explicar por que la propulsión iónica no es adecuada en misiones tripuladas? Gracias. Saludos


El problema del enlace era que trataba como parte del mismo al símbolo de cierre de paréntesis. Ya lo he arreglado, y también he cambiado la redacción de ese par de líneas para que quede claro que en ese artículo lo que se da es una descripción de la misión precursora interestelar TAU (proyectada por el JPL) para situar una sonda a una distancia de hasta 1.000 unidades astronómicas (es decir, 150.000.000.000 km, más de 20 veces la distancia que separa la Tierra de Plutón) en un viaje de 50 años con el objetivo de investigar, entre otras cosas, las lentes gravitatorias.

Por lo demás, creo que en el artículo está suficientemente explicado el por qué la propulsión iónica no es un sistema de propulsión válido para misiones tripuladas: el empuje es demasiado débil. Se tarda demasiado en conseguir una velocidad de crucero alta (véase lo ocurrido con la misión europea SMART). El objetivo a largo plazo es llegar a Marte en unas pocas semanas, no en muchos meses. Como veremos, existen alternativas más eficientes para los vuelos tripulados.

Sin embargo, la propulsión iónica (que también presenta problemas de ingeniería -agotamiento de los materiales- derivados del propio funcionamiento del motor) puede ser a medio-largo plazo muy útil para misiones como la TAU descrita y (cuando dispongamos de sistemas compactos de fusión nuclear y de mejores tecnologías) para ir más allá, enviando sondas automáticas a sistemas estelares cercanos. Pero de eso también hablaremos más tarde.

Saludos

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