Las películas de ciencia ficción han creado la ilusión de que las naves espaciales pueden despegar desde cualquier lugar y en cualquier momento. El héroe siempre espera hasta que llega la heroína y, en algunas ocasiones, hasta al perro para despegar la nave. En realidad, esto es falso por lo menos con la tecnología actual, ya que el momento de lanzamiento de una nave espacial se establece de manera muy precisa de acuerdo a varios factores que afectan la misión, entre los que están la posición inicial de lanzamiento, su destino final y las condiciones climáticas y de iluminación a la hora de lanzamiento, entre muchos otros. A este periodo en el cual una nave debe lanzarse se le llama ventana de lanzamiento y el efectuar un lanzamiento fuera de esta ventana puede conducir a una misión fallida y en muchos casos puede llevar a consecuencias desastrosas como la destrucción de la nave y la pérdida de vidas humanas.
En la mayor parte de los casos, el principal criterio para elegir la ventana de lanzamiento lo establece la trayectoria más eficiente en términos de uso de combustible y otros recursos para que el vehículo pueda llegar a su destino. Sin embargo, otros criterios tales como la seguridad de la tripulación, las condiciones del clima y de iluminación, son también importantes para elegir la ventana de lanzamiento. Por ejemplo, en un lanzamiento tripulado se requiere que las condiciones de iluminación sean las adecuadas para que en caso de un accidente los equipos de rescate puedan operar bajo condiciones seguras.
Cuando surge una condición anómala durante una ventana de lanzamiento, tal como la ocurrencia de una falla en los sistemas o malas condiciones climatológicas, el lanzamiento tendrá que ser pospuesto para despegar durante la próxima ventana de lanzamiento disponible.
Ventana de lanzamiento para lanzar a la Estación Espacial Internacional
Para lanzar a la Estación Espacial Internacional (EEI), lo más conveniente desde el punto de vista de uso de combustible es que el plano de la órbita de la estación coincida con el sitio de despegue en el momento del lanzamiento. Cualquier lanzamiento fuera de esta ventana, significa que el lanzador tendrá que hacer correcciones para insertarse en la órbita que pueden ser prohibitivas desde el punto de vista de gasto de combustible.
La ventana de lanzamiento para lanzar a la EEI ocurre dos veces al día en cada punto de la superficie de la tierra. Para entender esto, consideremos la siguiente figura: La órbita de la EEI está inclinada 51.6o respecto al ecuador y su orientación con respecto a las estrellas fijas permanece más o menos constante. Si la tierra gira sobre su propio eje con una velocidad de rotación de una revolución cada día, esto hace que el plano de la órbita de la EEI pase por cualquier punto de la tierra dos veces al día.
Figura 1. Plano de la órbita de la EEI con respecto a la tierra
En la figura podemos apreciar el plano de la órbita de la EEI que en este caso cruza México y el centro de Estados Unidos, entre otros países. Como la velocidad angular de la tierra es de 1o cada cinco minutos, eso quiere decir que por cada cinco minutos de desviación con respecto momento preciso en que el plano de la órbita de la EEI pasa por el sitio de despegue, el cohete tendrá que hacer una corrección adicional de 1o para insertarse en la órbita.
Una restricción adicional para lanzar a la EEI es el abanico de direcciones (azimuts) con los que se puede lanzar desde un punto dado. En general, debido a medidas de seguridad, no es conveniente lanzar en cualquier dirección arbitraria y para ilustrar esto veamos un ejemplo. Consideremos el caso del Centro de lanzamiento Kennedy en Cabo Cañaveral en Florida, como se pueden ver en la siguiente figura.
Figura 2. Abanico de direcciones de lanzamiento desde el Centro Espacial Kennedy en Cabo Cañaveral, Florida.
El abanico de direcciones con las que se puede lanzar en Cabo Cañaveral está limitado por razones de seguridad al arco que se muestra en la Figura 2. Si se lanza fuera de esta zona de seguridad se corre el riesgo de impactar a zonas habitadas: más al norte de este arco, tenemos la costa occidental de los Estados Unidos, y más hacia el sur, tenemos las Bahamas y Cuba. En la figura se puede ver que los límites máximos de azimut para lanzar desde Cabo Cañaveral están comprendidos desde 35o hasta 120o (El azimut se mide a partir del norte, siguiendo el giro de las manecillas del reloj). En esta figura podemos ver también la inclinación de las órbitas en función del azimut. Por ejemplo, si se lanza hacia el Este (azimut 90o) la inclinación de la órbita será de 28.5o respecto al ecuador -esto es lo mismo que la latitud de Cabo Cañaveral. Si se lanza con el mínimo azimut (35o), entonces la inclinación de la órbita será de 57o y si se lanza con el azimut mínimo (120o) la inclinación será de 39o.
De la figura anterior podemos concluir que dado que la inclinación de la órbita de la EEI es de 51.6o, solamente podremos lanzar desde Cabo Cañaveral cuando la EEI se dirija de sur a norte. Es decir, de las dos posiciones posibles de lanzamiento cuando el plano de la órbita intersecta a Cabo Cañaveral, solamente podemos usar una. Esto hace que solamente haya una ventana de lanzamiento al día para lanzar desde Cabo Cañaveral a la EII. Si añadimos otras condiciones al lanzamiento como por ejemplo que el lanzamiento ocurra cuando haya iluminación natural, esto puede restringir aún más la disponibilidad de ventanas de lanzamiento.
No todos los cohetes son iguales
El tamaño de la ventana del lanzamiento para lanzar a la EEI depende de la capacidad del vehículo empleado en la misión. Por ejemplo, la empresa United Launch Alliance asegura que la ventana de lanzamiento para lanzar sus cohetes a la EEI desde Cabo Cañaveral puede ser de hasta 30 minutos a través de reorientar el cohete para compensar por la rotación de la tierra, como se muestra en la siguiente figura:
Figura 3. Margen de lanzamiento de United Launch Alliance. Cortesía ULA.
Esto no ocurre en todos los casos, y para otros vehículos la ventana de lanzamiento para lanzar a la EEI desde Cabo Cañaveral puede ser de hasta un minuto como máximo.
No todas las ventanas son iguales
La ocurrencia y duración de las ventanas de lanzamiento varían mucho dependiendo de la misión. En el caso de misiones hacia la EEI, ya vimos que las ventanas de lanzamiento pueden ser tan frecuentes como dos veces al día. En otros casos esto no es así. Por ejemplo, para una misión a Marte se abre una ventana de lanzamiento aproximadamente cada dos años dos meses. Esto se debe a que tanto Marte como la Tierra se están moviendo alrededor del sol y para llegar a Marte con un gasto mínimo de combustible los dos planetas se deben encontrar en una posición relativa que ocurre precisamente cada 720 días.
El diseño de las ventanas de lanzamiento es muy importante para el éxito de las misiones espaciales. Para determinar las ventanas de lanzamiento se requiere de la cooperación de muchos especialistas, entre los que destacan los expertos en mecánica orbital, meteorología, seguridad y muchos más. Todos ellos trabajan en coordinación para determinar las condiciones óptimas del lanzamiento y fijar las ventanas para una misión. Es por esto que mientras no avance la tecnología de propulsión como sucede en Star Trek, los astronautas no podrán esperar a la heroína para despegar su nave espacial.
