En la mayoría de las misiones espaciales en algún momento se requiere modificar la trayectoria de una nave espacial para producir un efecto determinado. Por ejemplo, para colocar a un satélite geoestacionario en su órbita de operación a 36,768 Km de distancia de la Tierra sobre el plano del ecuador, generalmente se comienza con poner al satélite en una órbita baja de “aparcamiento”, para luego, mediante la activación de motores cohete, cambiar su trayectoria gradualmente hasta que alcance su posición en la órbita deseada. Así, a cada una de las acciones que se ejecutan para lograr que una nave espacial siga una trayectoria determinada se denomina “maniobra espacial”.

El diseño de las maniobras espaciales es una asunto complejo que requiere del dominio de la mecánica orbital. Una primera aproximación para abordarlo supone que en un momento dado la nave espacial está moviéndose en modo balístico (es decir, con los motores apagados) dentro del campo gravitacional de algún cuerpo central dominante y la interacción con los demás cuerpos celestes se puede despreciar. Cuando esto sucede, se dice también que la nave espacial está dentro de la esfera de influencia del cuerpo central.  En estas condiciones, el comportamiento mecánico de la nave espacial se puede modelar con mucha aproximación por las Leyes de Kepler, por lo que su órbita alrededor del cuerpo central es una elipse con el cuerpo central en uno de sus focos.  

De no existir más fuerzas sobre la nave espacial su órbita seguirá siendo la misma elipse. Sin embargo, cuando se le aplica a la nave un breve impulso, su órbita se modificará y se desviará de la elipse original. Si el impulso que se aplica a la nave es muy potente y funciona durante un tiempo muy corto (Tan corto que la nave espacial sólo cubre una parte muy pequeña de su órbita durante el tiempo que dura el impulso), el cambio en la velocidad orbital de la nave espacial se puede considerar como si fuera instantáneo y los parámetros de la nueva órbita dependerán solamente de la posición de la nave y del valor de la velocidad instantánea en el momento de efectuar la maniobra. Por lo general, la nueva órbita es otra elipse cuyo foco sigue siendo el cuerpo central, pero alguno de otros parámetros, como su excentricidad o su orientación dependerán de las nuevas condiciones iniciales y así, una misión espacial se puede descomponer como una secuencia de órbitas diferentes hasta llegar a una órbita final al final de su vida útil.

Cada uno de estos cambios en la órbita requiere energía que es obtenida por la activación de motores cohete. A este cambio de velocidad instantánea que experimenta la nave se le denomina Delta V, y dado que la velocidad es un vector, este cambio también será un vector, cuya magnitud y dirección se debe escoger cuidadosamente según la maniobra a realizar. En algunos casos se desea mantener la trayectoria en el mismo plano que la trayectoria inicial, mientras que en otros casos, se necesitará cambiar el plano de la órbita.

Para ilustrar lo anterior, la siguiente animación muestra las maniobras espaciales que se realizaron para colocar al satélites Morelos 3 del sistema MexSat en su órbita geosíncrona final.

En el video podemos distinguir 6 impulsos distintos que van modificando la órbita inicial de “aparcamiento” de manera gradual hasta colocar al satélite en su posición orbital final.

Las maniobras espaciales son muy diferentes a las maniobras que se requieren para conducir un vehículo terrestre de un punto a otro. Incluso volar una nave espacial es muy diferente de volar un avión, por lo que a veces los efectos de las maniobras espaciales no son intuitivos. Esto es simplemente porque las fuerzas que se aplican en ambos casos son muy diferentes.

Por ejemplo consideremos un satélite que gira en una órbita circular alrededor de la Tierra (círculo rojo). Si aplicamos un impulso DeltaV en dirección opuesta a su movimiento, el satélite perderá energía y cambiará su órbita circular por una órbita elíptica (círculo negro) que se acercará más a la Tierra como se muestra en la Figura 1. Del cálculo de la nueva trayectoria se puede demostrar que el satélite aumentará su velocidad en el punto de mayor acercamiento a la Tierra (perigeo), lo que desafía a la intuición, ya que inicialmente lo que se pretendía era frenar al satélite.

Figura 1. Ejemplo de una maniobra espacial con un resultado no intuitivo.

Tipos de maniobras espaciales

Existen muchos tipos de maniobras espaciales. En lo que sigue se presentan algunas de las principales.

Mantenimiento de órbita

Idealmente, las órbitas de los satélites que giran alrededor de la Tierra son elipses perfectas que mantienen fija su orientación en el espacio. Esta situación ideal ocurre sólamente si se cumplen las condiciones que la determinan, es decir que la Tierra y el satélite sean los dos únicos cuerpos en el universo y que la Tierra sea un cuerpo perfectamente esférico con una distribución de masa que solamente varía en el sentido radial. Como esto no ocurre en la realidad, la órbita de un satélite sufre perturbaciones respecto a la elipse ideal que se originan por la atracción de otros cuerpos celestes como el Sol y la Luna y por los cambios en la distribución de masa de la Tierra. En particular la órbita de los satélites geoestacionarios puede variar debido al efecto combinado de la atracción del Sol y la Luna. Estas perturbaciones deben ser compensadas periódicamente a través de impulsores que mantienen la órbita, a fin de que el satélite permanezca en el mismo punto en el cielo con respecto a la Tierra.

De manera similar, se pueden mantener la órbitas heliosíncronas de los satélites de observación de la Tierra y otras naves espaciales. Por ejemplo, debido a su gran tamaño, la Estación Espacial Internacional, disminuye su altura gradualmente debido a las fuerzas de arrastre de la atmósfera residual que se encuentra a su altura de operación. Por lo tanto, debe ser elevada periódicamente para evitar que caiga a la Tierra y se destruya.

Acoplamiento de naves espaciales

Un tipo de maniobras muy importante es el acercamiento y acoplamiento de naves espaciales. Estas maniobras requieren de una gran coordinación ya que las velocidad relativa con la que se acercan las nave debe ser muy lenta para evitar hacerse daño. En estas maniobras se utilizan cohetes de muy bajo empuje, así como sensores de proximidad y velocidad que trabajan coordinadamente para lograr el acoplamiento bajo las condiciones deseadas.

Viajes interplanetarios

Para realizar viajes interplanetarios se puede requerir de realizar muchas maniobras espaciales. El viaje puede empezar con una órbita baja de aparcamiento alrededor de la Tierra para después impulsar a la nave espacial a través de una órbita elíptica con respecto al Sol en dirección donde se va a encontrar con el otro cuerpo celeste. En el camino, conforme la nave se acerca a su destino, se podrán hacer los ajustes necesarios. En algunos casos, se puede usar la asistencia gravitatoria de otros cuerpos celestes para acelerar o frenar a la nave y así ahorrar combustible. Las maniobras en los viajes interplanetarios deben ser planeadas meticulosamente y no están sujetas a la improvisación, ya que el recurso principal que emplean es la cantidad de combustible que lleva la nave, por lo que ésta debe usarse de manera óptima.

La planeación de las maniobras espaciales es un tema complejo que requiere de conocimiento profundo de mecánica orbital y del uso de herramientas computacionales poderosas para modelar las condiciones de todos los cuerpos celestes involucrados y así determinar con precisión los tiempos y la cantidad exacta de empuje que deben emplearse para conseguir los cambios de trayectoria deseados. En la mayoría de los casos, los viajes interplanetarios deben llevarse a cabo en ventanas de tiempo específicas, en donde las condiciones de la travesía permiten minimizar el combustible empleado.

No todo está escrito...

Las maniobras espaciales son un tema crucial para el desarrollo de una misión, y aunque pareciera que ya todo está escrito al respecto, siguen siendo un tema abierto de investigación que requiere de conocimientos de física, matemáticas e ingeniería, pero sobre todo de creatividad para formular nuevas soluciones a los retos que impondrán las misiones espaciales del futuro.