Tema 1. Introducción

Transcripción

1. Breve introducción histórica.
2. El entorno espacial. El Sistema Solar. La
Tierra. La Luna.
3. Misiones espaciales. Clasificaciones.
4. Sistemas de Referencia. Calendarios.
Tiempos.
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Astronáutica y Vehículos Espaciales
1
Historia de la era espacial
• Tiene lugar, básicamente, en el siglo XX (cuando los desarrollos en
COHETES hicieron posible acceder al espacio).
• Inicialmente: Fuentes de inspiración humanística y literaria (e.g.
Julio Verne).
• Principales desarrollos en: Rusia, USA, Alemania.
• Pioneros:
• Konstantin E. Tsiolkovski, 1857-1935 (“padre de la
Astronáutica”), profesor de matemáticas ruso. Destaca por sus
desarrollos teóricos e ideas innovadoras.
• Robert H. Goddard, 1882-1945. Profesor estadounidense de
física. Realizó desarrollos en cohetes de propulsante líquido.
• Herman Oberth, 1894-1989. Físico alemán. Teórico y gran
divulgador.
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Los pioneros
Tsiolkvovski
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Goddard
Oberth
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Wernher von Braun (1912-1977)
• Físico e ingeniero alemán.
• Desarrolló cohetes bélicos en la
alemania nazi (el más famoso, el V-2),
aunque siempre soñó con llegar al
espacio.
• Tras la derrota en la II Guerra Mundial,
se rindió al ejército estadounidense.
• Clave en el programa espacial de USA.
Desarrolló el cohete Saturn V (usado en
las misiones Apollo)
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El Cohete V-2
• Primer misil balístico (precursor de los
ICBM), fue el primer objeto creado por el
hombre lanzado al espacio sub-orbital.
• Altura 14m., diámetro 1.65, velocidad
máxima 1.6 km/s, altura máxima
88.5km., alcance máximo 322 km.
• Guiado mediante giróscopos.
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Saturn V y los Apollo
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Sergei Korolev (1907-1966)
• Ingeniero aeronáutico ruso.
• Pasó cierto tiempo en el Gulag, en
Siberia.
• Copió el diseño del V-2 alemán para
producir los primeros cohetes rusos.
• Padre “secreto” del programa espacial
ruso, diseñó los satélites Sputnik.
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Primero hitos. La carrera espacial
Sputnik I (URSS) - lanzado el 4 de Octubre de 1957
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Sputnik II (URSS) - lanzado el 3 de Noviembre de 1957
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Explorer I (USA) - lanzado el 3 de Noviembre de 1957
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Otros satélites pioneros
• Project Score (USA), 1958: fue el
primer satélite de comunicaciones (en
órbita baja). Sus baterías duraron 12
días.
• Syncom 2 (USA), 1963: fue el primer
satélite en órbita geosíncrona, ya que el
Syncom 1 (1963) falló. El Syncom 3
(1964) fue el primer satélite en órbita
geoestacionaria y se usó para
retransmitir en USA (en directo, por
primera vez a través del Pacífico) las
Olimpiadas de 1964 de Tokyo.
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Primeros hombres en el espacio
Yuri Gagarin
(URSS)
12 Abril 1961
John Glenn
(USA)
20 Feb 1962
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Objetivo: la Luna
• Programas de exploración
• URSS: Luna
• USA: Pioneer, Ranger, Lunar Orbiter,
Surveyor
• Procedimiento:
• Exploración y cartografía desde órbita.
• Aproximación, sobrevuelo, colisión.
• “Alunizaje” no tripulado, exploración
robótica, toma de muestras.
• Expedición tripulada.
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El Apollo 11
• Lanzamiento: 16 Julio de 1969
• Alunizaje: 20 Julio de 1969
• Retorno a la Tierra: 24 de Julio de 1969
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That's one small step for a man,
one giant leap for mankind.
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El fin de la carrera espacial
Encuentro Apollo-Soyuz en 1975
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Otros hitos
• 1981: el Space Shuttle
• 1986: la estación espacial MIR
• 1989: Galileo
• 1990: el telescopio Hubble
• 1997: Mars Pathfinder
• 1997: Cassini / Huyghens
• 1998: la Estación Espacial Internacional
• 2006: New Horizons
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El entorno espacial
• Un vehículo espacial estará expuesto a diversos entornos a
lo largo de su ciclo de vida total:
• Manufactura (entorno terrestre)
• Lanzamiento
• Atmósfera
• Entorno espacial
• Otros: reentrada, otras atmósferas planetarias
• Entorno espacial:
• Vacío (“total”, parcial)
• Plasmas y Campos electromagnéticos
• Ingravidez
• Radiación
• Micrometeoritos
• Basura espacial
• Cargas térmicas
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El entorno espacial
• Vacío: determinante en el diseño de vehículos espaciales. Muchos
materiales modifican su masa y/o sus propiedades debido a que los
gases (típicamente vapor de agua) adsorbidos en capas exteriores
son liberados (desgasificación, “outgassing”).
• El vapor liberado puede condensar en instrumentos ópticos muy
delicados afectando las medidas.
• La liberación de oxígeno en ciertos materiales (p.ej. acero
inoxidable) puede provocar abrasión, descamación o incluso
soldadura entre partes móviles.
• Solución: realizar una cuidadosa selección de materiales y
lubricantes; si es necesario emplear materiales problemáticos,
prepararlos previamente con calentamientos al vacío (“baking out”).
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El entorno espacial
• Vacío parcial: En órbita cercana a la tierra (LEO=Low Earth
Orbit=OBT, <1000km de altura) existe una atmósfera residual
que interactuará de forma significativa con el vehículo
• Dicha atmósfera residual puede modificar la órbita del
vehículo (“orbit decay”) por efectos de rozamiento.
• Oxidación: en LEO los flujos de O2 son del orden de 1014
partículas/cm2/s. Los materiales vulnerables pueden ser
fácilmente destruidos con relativa rapidez.
• Ionización de gases en vacío parcial: puede provocar arcos y
afectar el equipo electrónico. Efectos similares en la atmósfera
de Marte.
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El entorno espacial
• Plasmas: el “cuarto estado” de la materia, consiste en un gas
altamente ionizado. El 99% del Universo está compuesto de plasma.
Llena el espacio interplanetario.
• Los campos magnéticos de los planetas (especialmente Júpiter,
Saturno y la Tierra) provocan un efecto magnetohidrodinámico en el
plasma, confinándolo en cinturones toroidales que rodean a los
planetas (cinturones de Van Allen).
• Los planetas causan una onda de choque electromagnética en su
movimiento a través del plasma, donde se “detiene” su magnetosfera.
El sol causa el mismo efecto a escala interestelar (misiones Voyager).
• La exposición al plasma puede ocasionar la carga eléctrica del
vehículo espacial, arcos voltaicos, ruido electromagnético, pérdida del
rendimiento de paneles solares, etc…
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El entorno espacial
• Campos magnéticos: El movimiento de un vehículo espacial en un
campo magnético (e.g. en LEO) genera una corriente (efecto inductivo) si
el vehículo es conductor. La diferencia de potencial puede ser no
despreciable (20 V en la ISS)
• Ingravidez: un vehículo espacial puede experimentar entre 10-3 y 10-11
g, debida no sólo a la gravedad a una variedad de efectos perturbadores,
p.ej. presión solar, rozamiento aerodinámico (estos efectos pueden ser
eliminados mediante control, si son de baja frecuencia!).
• Gradientes gravitatorios: la atracción gravitatoria es más fuerte en la
parte del vehículo más cercana a la Tierra. De importancia en grandes
vehículos y en estructuras flexibles.
• Beneficios: uso de estructuras ligeras. Otras diferencias: fluidos (se
requiere convección forzada, sistemas de vaciado).
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El entorno espacial
• Radiación: varias fuentes (viento solar, cinturones de Van Allen, rayos
cósmicos, erupciones solares). Peligrosos para equipos electrónicos,
recubrimientos y para la tripulación. Es imposible garantizar al 100% que
no habrá fallos del tipo “single-event upset” o incluso destrucción de
dispositivos semiconductores expuestos a altas radiaciones
(especialmente rayos cósmicos o en los cinturones de Van Allen), aunque
se puede reducir la tasa de errores (con apantallamiento; estándar: 10 -10
errores/día).
• Micrometeoritos: pequeños objetos flotando en el espacio. Representan
un peligro menor excepto en circunstancias especiales. Su flujo medio ha
sido modelado por diversos autores. En algunos casos se han diseñado
escudos “parachoques” (p. ej. la sonda Giotto).
• Basura espacial: un peligro creciente, especialmente en LEO. Se estiman
más de 100.000 objetos de más de 1cm. de radio.
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El entorno espacial
• Cargas Térmicas: Los vehículos espaciales están típicamente sometidos
a cargas térmicas extremas y muy variadas. P. ej. una porción
térmicamente aislada de un vehículo puede experimentar variaciones
entre 200K y 350K. Una forma de evitar los extremos puede ser rotar
lentamente respecto al sol.
• El único mecanismo posible de transporte en el espacio es la radiación
(solar, planetaria, y del vehículo). Al balance de energía hay que añadir la
generación interna de calor por parte del vehículo.
• El vehículo tiene que ser diseñado teniendo en cuenta los gradientes
térmicos entre sus diferentes partes. Cuidadosa selección de materiales
para evitar fallos por la fatiga debida a ciclos térmicos, sistemas de
control.
• Máximas cargas durante reentrada.
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El Sistema Solar
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El Sistema Solar
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El Sistema Solar
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El Sistema Solar
• Todos los planetas, sus satélites y los asteroides, orbitan el sol
aproximádamente en el mismo plano, llamado plano de la eclíptica
(porque es donde se producen eclipses). Sus órbitas son
aproximádamente circulares. La única excepción es el planeta enano
Plutón que tiene una órbita más elíptica y de una inclinación apreciable
(17 grados).
• Los planetas rotan con un eje casi perpendicular al de la eclíptica en el
sentido contrario de las agujas del reloj. La única excepción es Urano que
rota “de lado” (se presupone que a causa de una gran colisión).
• Distancias:
1 AU
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= 1 Unidad Astronómica
= Distancia media Tierra-Sol
= aprox. 149.600.000 km
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El Sistema Solar
• Otras unidades: basadas en la velocidad de la luz.
1 seg. luz =
=
1 año luz =
=
distancia recorrida por la luz en 1s
aprox. 299.800 km
aprox. 9.461.000.000.000 km
aprox. 63.000 AU
• La estrella más cercana (Proxima Centauri) se encuentra a 4.2 años-luz
(se tardaría 76.000 años en llegar con nuestros cohetes más potentes).
• Otra unidad: pársec = 3.261630751 años-luz.
• Temperaturas en el Sistema Solar:
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El Sistema Solar
• El Sol: Es una estrella de tipo G2 V. Es la “fuente de energía” principal
en el Sistema Solar (un inmenso reactor de fusión).
• Su peso es aproximadamente 2x1030 kg., o 333.000 veces la masa de la
Tierra, lo que equivale al 99% de la masa del Sistema Solar.
• Rotación con un periodo de 25.4 días sobre un eje girado 7.25 grados
respecto a la eclíptica terrestre.
• Intenso campo magnético. Manchas solares (en la fotosfera) ocurren en
lineas del campo magnético de muy alta intensidad (ciclos de 11 años).
• El sol expulsa material ocasionalmente, causando fluctuaciones en el
campo magnético de los planetas.
• El viento solar fluye continuamente en todas direcciones. El límite de
influencia del viento solar define la heliosfera, una burbuja en el seno del
medio interestelar.
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El Sistema Solar
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El Sistema Solar
Planetas “terrestres”: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Sólo la Tierra
posee campo magnético y cinturones de radiación.
• Mercurio: Sin atmósfera. El planeta más pequeño. Grandes diferencias
de temperatura entre el día y la noche. Posibilidad de hielo. Visitado por
el Mariner 10 en 1974-1975.
• Venus: Densa atmósfera de CO2 que impide ver la superficie.
Ampliamente visitado. La sonda Magallanes permitió crear un mapa de su
superficie mediante técnicas de radar y altimetría.
• Marte: Atmósfera tenue de CO2. Contiene hielo en los polos. Evidencia
de canales de agua en su pasado remoto. El más explorado tras la Tierra
y la Luna. ¿Posibilidad de vida?
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El Sistema Solar
Venus
Mercurio
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Marte
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El Sistema Solar
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El Sistema Solar
Planetas “jovianos”: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Joviano = tipo Júpiter,
es decir, gigantes gaseosos (hidrógeno, helio) con (posiblemente) un núcleo
sólido. Todos poseen campos magnéticos significativos, anillos y multitud de
satélites.
• Júpiter: Tan masivo como el resto de planetas combinados. Fuerte campo
magnético. Cinturones de intensa radiación. La Galileo orbitó Júpiter. Lunas:
Io (volcánico), Europa (cubierto de hielo), Ganímedes, Calisto.
• Saturno: Planeta más lejano visible al ojo desnudo. Sistema complejo de
anillos (interesante para la investigación en dinámica orbital). Lunas muy
interesantes (Titán-más grande que la Luna, Japeto-helado…). La Cassini
orbita Saturno.
• Urano y Neptuno: Descubiertos en 1781 y 1846 respectivamente. Sólo
visitados por la Voyager 2. Compuestos de roca e hielo bajo la capa de gases.
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El Sistema Solar
Saturno
Neptuno
Júpiter
Urano
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El Sistema Solar
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El Sistema Solar
• Plutón: no es ni un planeta terrestre ni un planeta joviano.
Recientemente ha sido clasificado como “Planeta Enano”, (junto a Ceres,
el asteroide más grande). Grandes cantidades de nitrógeno helado y en la
atmósfera. La New Horizons lo visitará en 2015.
• Cinturón principal de asteroides: entre Marte y Júpiter. Relativamente
poco explorado. Multitud de objetos de tamaños diversos, desde Ceres
(1000 km de diámetro) hasta objetos del tamaño de pequeñas piedras.
Algunos están compuestos de hierro y níquel puros!
• Cometas: objetos formados de roca, polvo, hielo. Órbitas áltamente
elípticas (casi parabólicas), provienen de la nube de Oort o el cinturón de
Kuiper donde sus órbitas son perturbadas por “encuentros” y capturadas
pr el Sistema Solar.
• Otros objetos: Meteoroides, pequeñas partículas sólidas orbitando el sol.
Las vemos como meteoros cuando entran en la atmósfera de la Tierra y
se volatilizan. Si alguna fracción sobrevive se denomina meteorito.
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El Sistema Solar
El cinturón
de asteroides
Cometas
Plutón
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El Sistema Solar
• Mercurio y Venus se denominan Planetas Inferiores porque sus órbitas
están más cercanas al Sol que la de la Tierra. Por tanto siempre aparecen
cerca del sol, al amanecer o al atardecer.
• Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno se denominan Planetas
Superiores. Puesto que sus órbitas son más lejanas del Sol que la de la
Tierra, vistos desde la Tierra experimentan “fases” (nueva, llena, cuarto
creciente, cuarto menguante…) según su posición relativa respecto al Sol.
• Eventos celestes: cuando dos cuerpos parecen alinearse en el cielo, se
dice que se produce una conjunción. Una conjunción con el Sol puede ser
inferior (si un planeta se alinea entre el Sol y la Tierra) o superior (si el
Sol se alinea entre la Tierra y un planeta), también llamado ocultación. Si
la Tierra se alinea entre un planeta y el sol, se produce una oposición.
• Cuando un objeto celeste se encuentra en oposición es el mejor
momento para observarlo (fase “llena”).
• Los eventos celestes son significativos para los vehículos espaciales
(oportunidades científicas, problemas de comunicación)
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El Sistema Solar
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El Sistema Solar
Anomalías: la órbita
retrógrada de Marte
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La Tierra
• La Tierra: rota alrededor del sol con un periodo de 365.256 días. Otros
datos: Masa=5.9736x1024kg. Radio=6378.1 km. Periodo de rotación=
23.9345 horas. Perihelio= 147.09x106 km. Afelio= 152.10x106 km.
Velocidad orbital media= 29.78 km/s. Inclinación del eje de
rotación=23.45 grados.
• Fuerte campo magnético, que atrapa parte del plasma en el espacio:
cinturones de Van Allen. Una región del cinturón interior, conocida como
la anomalía del Atlántico Sur (SAA) se extiende a órbitas bajas y es
peligrosa.
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La Tierra
Eje de rotación de la tierra respecto a la eclíptica:
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La Tierra
Causa de las estaciones
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La Tierra
Precesión del eje de la Tierra:
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La Tierra
Realmente: Precesión+Nutación!
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La Tierra
Estaciones, duración del día y
movimiento aparente del sol
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La Luna
• La Luna: Rota en torno a la Tierra con un periodo sideral (respecto a las
estrellas) de 27.323 días. Gira alrededor de su eje de rotación con el
mismo periodo! Esto ocasiona que sólo se pueda ver una cara de la Luna.
• Las fases de la Luna dependen
de su posición relativa al sol.
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La Luna
El plano lunar y los eclipses:
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La Luna
Excentricidad y precesión de la órbita de la Luna.
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La Luna
Eclipses. Eclipses Lunares: siempre en Luna Llena. El color de la Luna
cambia en los eclipses totales de Luna.
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La Luna
Eclipses. Eclipses Solares: siempre en Luna Nueva. Muy rápidos y
localizados debido a que la sombra de la Luna es “pequeña”.
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La Luna
Las mareas: efecto gravitatorio de la Luna y el Sol!
Cuando el sol y la Luna
están en oposición:
mareas muertas. En el
caso opuesto: mareas
vivas.
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La Luna
Las mareas: se pueden ver como un intercambio de momento angular.
Éste efecto no sólo produce las mareas, sino que frena la rotación de la
Tierra y eleva la órbita de la Luna.
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Misiones Espaciales. Clasificación.
• El criterio más adecuado para clasificar un satélite o
vehículo espacial es la definición de su misión. A su vez, las
misiones se pueden clasificar atendiendo a dos criterios:
• Propósito de la misión.
• Localización espacial de la misión.
• Las misiones se pueden clasificar por su propósito en tres
grandes grupos: Misiones Comerciales, Misiones Científicas y
Misiones Militares. Estos propósitos pueden solaparse.
• Las misiones se pueden clasificar por su localización en
varias categorías: Misiones en órbita terrestre baja (LEO),
Misiones en órbita terrestre de altitud media y Misiones
lunares y en el espacio profundo (“deep space”).
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Propósitos de las Misiones
• Misiones Científicas: Su objeto es aumentar el conocimiento
humano, ya sea obteniendo datos de medidas, realizando
experimentos, o comprobando teorías.
• Misiones Comerciales: Su objeto es una aplicación
inmediata de interés económico.
• Misiones Militares: Su objeto es una aplicación bélica o
defensiva; típicamente incluyen las misiones de investigación
tecnológica.
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• Misiones Científicas. Ejemplos:
• Estudio de la Tierra y su entorno. Estudios de la alta
atmósfera, la ionosfera, estudios de geomagnetismo,
geodesia, oceanografía. Uno de los primeros hitos fue el
descubrimiento de los cinturones de Van Allen por el
Explorer-I.
• Astronomía. Las observaciones espaciales se libran de
las limitaciones en resolución y ancho de banda
electromagnético que impone la atmósfera. El telescopio
espacial Hubble proporciona resoluciones 10 veces
superiores a las de telescopios terrestres.
• Sistema Solar. Recopilación de datos sobre planetas,
cometas, satélites de planetas, el propio sol o el medio
interplanetario/interestelar.
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• Misiones Comerciales. Ejemplos:
• Meteorología. Primer campo de aplicación de los
satélites. Órbitas heliosíncronas y geostacionarias.
• Comunicaciones. Telefonía fija y móvil, retransmisiones
de televisión, internet. Repetidores típicamente activos.
Órbitas geoestacionarias, especiales (Molniya), o
constelaciones de satélites.
• Recursos terrestres. Agricultura, prospección,
cartografía marina y terrestre, hidrología, control
ambiental, detección de catástrofes. Típicamente en
órgitas heliosíncronas.
• Navegación. Red GPS (USA), Glonass (Rusia).
Constelaciones de satélites.
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• Misiones Militares. Ejemplos:
• Reconocimiento (satélites espía). Capaces de distinguir
objetos pequeños (centímetros) tanto de día como de
noche (mediante sistemas infrarrojos).
• Alerta temprana. Detección de ICBMs.
• Inteligencia electrónica. Capturan señales electrónicas y
de radar y las emiten a estaciones de control para su
análisis.
• Sistemas de Satélite Antisatélites (ASAT). Popularmente
conocido como “Star Wars”. Investigación prohibida por
tratados internacionales.
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Misiones por Localización
• Misiones en órbita terrestre baja (LEO): comprenden la
mayor parte de las misiones llevadas a cabo.
Apróximadamente se consideran LEO órbitas de altitud
menor que 1000km. Por debajo de los cinturones Van Allen.
• Misiones en órbita terrestre de altitud media: Incluye las
órbitas geosíncronas, semi-geosíncronas y otras órbitas
especiales. Siempre por encima del cinturón de radiación
interno, ocasionalmente pueden cruzar el cinturón externo.
• Misiones lunares y en el espacio profundo: En general poco
frecuentes debido a los elevados costes, tiempos de vuelo y
escasez de oportunidades (ventanas de lanzamiento).
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• Misiones en órbita terrestre baja (LEO). Ejemplos:
• Pruebas de vuelo. Comportamiento de la propulsión,
etapas, reentrads. Carga de pago simulada.
• Observación de la Tierra. Típicamente en órbitas bajas
para minimizar la distancia. En ocasiones se busca un
periodo que sea una fracción entera del día terrestre. La
inclinación de la órbita se elige según las latitudes que se
desean cubrir. En muchos casos se eligen órbitas
heliosíncronas (p. ej. Satélites meteorológicos).
• Observación del espacio. En LEO puede haber
limitaciones de ancho de banda por efectos atmosféricos.
• Procesos Industriales (actualmente en etapa
experimental). Procesos de manufactura únicamente
posibles en el espacio (cristales, aleaciones).
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• Misiones en órbita terrestre de altitud media. Ejemplos:
• Órbita geosíncrona (GEO). Incluye la órbita geoestacionaria
(sólo posible sin inclinación, es decir sobre el Ecuador). Las
órbitas geosíncronas no geoestacionarias no permanecen
siempre sobre el mismo punto, sino que viajan periódicamente
al Sur y al Norte del punto. En realidad ninguna órbita es
perfectamente circular y sin inclinación, por lo que típicamente
la huella del satélite tendrá forma de 8.
• Otras órbitas de interés tienen periodos en relación simple al
periodo de la tierra. P.ej. los satélites Molniya que cubren zonas
de elevada latitud en Rusia.
• Aplicaciones: satélites de comunicaciones, meteorológicos,
observaciones del espacio. Aplicación futura: ODSRS (Orbiting
Deep Space Relay Satellite), complemento a la DSN (Deep
Space Network).
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• Misiones Lunares y en el espacio profundo. Ejemplos:
• Misiones en los planetas interiores. Desde Mercurio al
cinturón de asteroides. Es posible el uso de energía solar.
Tiempos de vuelo típicos en meses. En general los
asteroides permanecen inexplorados.
• Misiones en los planetas exteriores. Todos los planetas
han sido ya visitados (excepto el planeta enano Plutón).
Misiones muy costosas, tiempos de vuelo típicamente
años. Uso de maniobras asistidas por gravedad. No es
posible depender exclusivamente de energía solar.
• Misiones solares.
• Otros cuerpos pequeños. Cometas, asteroides.
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Conceptos avanzados y experimentales
• Grandes estructuras espaciales: p.ej. Antenas gigantes o
“centrales” eléctricas solares. Aprovechando la ingravidez.
• Estaciones espaciales: típicamente modulares. Otros conceptos:
rotatorias (como en “2001, una odisea del espacio”).
• Colonias espaciales: Hábitats “auto-suficientes” con habitantes
permanentes. Grandes dificultades de ingeniería.
• Minería espacial: en la Luna o los asteroides. En estudio.
• Manufactura de combustible: p.ej. en Marte. Reducción de costes.
• Cementerios nucleares: peligro de contaminación en caso de
accidente en el lanzamiento.
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Tema 1. Introducción

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