Orion
-La nave que nos llevará nuevamente a la Luna-
Ya habíamos descripto al principio de una entrada anterior como la cápsula Orion tenía su origen en el programa cancelado llamado Constellation¹) de la NASA que se proyectaba como el sucesor de los transbordadores espaciales. Planificado en principio para llevar astronautas a la Estación Espacial Internacional, se focalizó luego en lo que podría ser la exploración de la Luna, del planeta Marte y de los asteroides. Originalmente la nave se designó como CEV (por: Crew Exploration Vehicle "Vehículo de Exploración Tripulado"), pero el 31 de agosto de 2006 fue bautizada Orion. Inicialmente se pensó en una nave para llevar seis personas a la EEI y cuatro a la Luna, pero finalmente la NASA se centró en obtener un modelo para cuatro tripulantes. El programa preveía que la nave iría acompañada por la construcción de un sistema de lanzamiento y un módulo de alunizaje. Para los lanzadores se tuvieron en cuenta varias opciones, incluso adaptaciones de cohetes ya existentes, pero posteriormente se programó la creación de dos nuevos cohetes, uno para los viajes con tripulantes llamado Ares I y otro más potente para transportar carga denominado Ares V. Finalmente el prototipo Ares I-X despegó el día 28/10/2009 antes de la suspensión del proyecto Constellation por Barack Obama. El módulo de alunizaje había sido bautizado Altair y del mismo solo se realizaron algunos diseños conceptuales, incluyendo una variante de carga. Ya estaba previsto que la nave Orion regresa aterrizando en territorio estadounidense, aunque si fuera necesario, la cápsula estaría en condiciones de amerizar. Es este un cambio radical en la forma de regresar a la Tierra, pues hasta ese momento todas las naves tripuladas de los Estados Unidos habían amerizado. Relanzado el proyecto de exploración del espacio profundo en 2011 se comenzaría a trabajar en un nuevo sistema de lanzamiento espacial ("Space Launch System" o SLS).
Ilustración artística de la nave Orion Multipurpose Crew Vehicle (MPCV). (ESA/NASA)
Diseño inicial de Lockheed Martin Corp. con un módulo de tripulación de ala delta.
El 31 de agosto de 2006, la NASA anunció que el contrato para diseñar y desarrollar la nave Orion había sido otorgado a Lockheed Martin Corp. Esta compañía propuso una nave con una configuración de ala fija con un diseño parecido a un pequeño transbordador para seis tripulantes, donde el cuerpo del mismo serviría como medio de sustentación (lo contrario a un ala volante). Posteriormente, el diseño de la nave en su parte externa fue modificado a uno similar al de las módulo de comando (CM) Apolo adoptando la forma de frustum (del latín "bocado") cono truncado de 57,5°.
Dibujo comparativo entre las cápsulas Orion y Apolo. (NASA)
Como apreciamos, la Orion tiene 16.5 pies equivalentes a 198 pulgadas o 5.0292m de diámetro (hago la precisión porque hay muchos errores en las conversiones que hacen muchas páginas) y 3.30 metros de altura (130 pulgadas, casi 11 pies).
Larry Price, subdirector del programa Lockheed Martin Orion, explicaba que al principio del programa se había contemplado el diseño de un vehículo alado de borde afilado, francamente, muy atractivo. El análisis diría que un cuerpo de elevación podría entrar aerodinámicamente en la atmósfera a velocidades muy altas, como los retornos de Marte y más lejos, y no usar energía de propulsión para ralentizarnos, sino usar la aerodinámica, la atmósfera, para hacer aerofrenado. Pero era mucho más complejo en lo que concernía a la aerodinámica y a la atenuación del calentamiento en el reingreso a la atmósfera que una cápsula. La NASA estaba claramente a favor de la cápsula por la experiencia acumulada a través de los trabajos de aerodinámica de Harvey Allen desde mediados de los años 50 y los aportes Maxime Allen Faget que trabajo en los diseños de las naves Mercury, Gemini y Apolo. La propia Lockheed Martin se había apropiado de estas experiencias para concretar el diseño de sus sondas de reintegro a la atmósfera terrestre. Expresa Price: "hemos volado la forma de Apolo para Stardust y Genesis y ese tipo de cosas interplanetarias que han regresado a la Tierra, pero solo tienen aproximadamente un metro de diámetro". En pequeños prototipos se podían realizar pruebas de distintos modelos, pero no tenemos muchos datos sobre diferentes formas que sean a gran escala, y no se puede extrapolar por tamaño, pues los resultados no serían concluyentes. Pero Apolo había volado con los vuelos no tripulados, y los vuelos suborbitales, y los vuelos tripulados, y el Apolo 13 sin aterrizar en la superficie lunar. La forma de Apolo ha hecho la reentrada a la Tierra sea algo así como 19 veces. Y es prácticamente del mismo tamaño que nosotros. Por lo tanto, había mucho menos riesgo asociado con el uso del diámetro Apollo, o lo que llamamos, la línea de molde exterior Apollo. Y si ibas a una forma aerodinámica, con bordes de ataque afilados y alas y más cosas, había mucho más desconocimiento sobre qué riesgos correrías al diseñar ese vehículo.
Luego, además de eso, siempre está el tema del peso, porque todo es velocidad y energía para llegar a una velocidad de Delta-V. En el nivel más básico, si necesitas llegar a una velocidad lo suficientemente alta como para llegar a otro planeta, es la masa del vehículo. Entonces, como todas las naves espaciales, quieres que sean ligeras. Entonces, realmente ¿quieres llevar alas y ruedas para aterrizar en la superficie de la Tierra, hasta Marte y regresar? ¿O quieres llevar algo más ligero, que es un escudo térmico y un paracaídas?
Una cápsula Apolo regresando de la Luna era el objeto tripulado más rápido de la historia. Reingresando a la superficie terrestre, era imprescindible que fuera capaz de proteger de la mejor manera posible a sus ocupantes del calentamiento que provocaba el roce con la atmósfera. Este rozamiento era utilizado para reducir su velocidad. Toda la energía cinética asociada a su velocidad debía convertirse en calor y disiparse sin dañar la cápsula o a sus tripulantes. Debido a su forma, cuando la nave reentraba a alta velocidad, el aire se acumulaba delante de la misma. Esta capa de aire actuaba como aislante térmico, se calentaba absorbiendo parte de la energía y, finalmente, escapaba por los bordes. Así se reducía el calor que llegaba hasta los tripulantes. Y cuanto menos calor llegase a la nave, más fácil era diseñar los componentes que debían resistirlo. Aun así, el calentamiento era tan elevado que fue necesario incluir un recubrimiento de tipo ablativo en la parte inferior de la Apolo. Este recubrimiento se evaporaba literalmente, consumiéndose para proteger del calor al resto de la cápsula.
Apolo 10 "Charlie Brown" el vehículo tripulado más rápido en relación con la Tierra. Fuente Wikipedia. Referencia:"A History of Space Exploration: And Its Future" Furniss, Tim (2003) .
Como contrapartida de este diseño, los tripulantes debían resistir fuertes aceleraciones y la trayectoria de regreso era relativamente corta y poco controlable, decidiéndose que la siguiente generación debía ser más aerodinámica y flexible. Así se optó por abandonar el diseño de las Apolo por el del transbordador espacial que podría ser reutilizado. Pero éste implicaba complejidad y varios problemas a resolver sin exceder demasiado el peso del vehículo. Uno de los más importante posiblemente, era el de controlar el calentamiento de la reentrada y poder ser reutilizado posteriormente. Esta reutilización volvía imposible utilizar los materiales ablativos empleados anteriormente en las cápsulas. Para el diseño se halló idóneo basarse en la idea de un cuerpo sustentador o fuselaje sustentador, del cual se tenía experiencia a raíz de los estudios que se habían realizado durante los años 60 y 70 para construir una pequeña nave espacial tripulada y que incluso se había ensayado parcialmente con mucha anterioridad en la construcción de algunos modelos de aeroplanos (no confundir con las alas volantes que son justamente la antítesis). Pero el cuerpo sustentador también planteaba desafíos de diseño y control por la velocidad en la que estos se aproximaban para tomar tierra.
De derecha a izquierda, los vehículos de cuerpo sustentador norteamericanos²) X-24A, M2-F3 and HL-10. (NASA/Dryden Flight Reasearch Center)
Ante las dificultades que se presentaban, se optó por un fuselaje voluminoso provisto de alas delta, pues el ala recta que había propuesto originalmente Faget tras la reentrada con un alto ángulo de ataque, el orbitador debía iniciar un picado para ganar suficiente velocidad y poder generar la sustentación en las alas. Se consideraba que reentrar con este ángulo de ataque dejaría al vehículo muy cerca de situación de pérdida. Pero esas alas delta, también agregaron complejidad y riesgo al diseño, como quedo luego comprobado en el accidente del transbordador Columbia. Por todo lo expuesto, se volvería a utilizar en la Orion el diseño inspirado en la forma de la Apolo.
Diagrama que incluye la torre de rescate de lanzamiento, el carenado, el módulo de comando y el de servicio. Debajo, diagrama de la estructura del módulo de tripulación o módulo de mando de la nave Orion. (Cortesía: NASA)
La nave Orion ha tenido varias actualizaciones de diseño, principalmente en lo que atañe al módulo de servicio que originalmente se construiría en los Estados Unidos. De estas se destacan la de mayo del año 2007, en donde en la denominada configuración 606 por Lockheed Martin, el módulo de servicio tendría paneles exteriores que serían eyectados poco después de la ignición de la segunda etapa del cohete Ares I. Esta configuración ahorraría 450 kg (1000 libras) de masa en comparación con la configuración 605 anterior. Posteriormente, se adoptaría la llamada configuración 607, que guarda bastante semejanza con la que resultaría operativa en definitiva, basada en la tecnología desarrollada para las naves Apolo y los transbordadores espaciales, suplantaría la generación de energía de celdas de combustible a dos paneles solares circulares ultra flexibles²) capaces de abastecer los buses de energía redundantes con 120 voltios. Es importante la redundancia a los efectos de mantener la garantía de confiabilidad en el funcionamiento y la disponibilidad continua de la alimentación de energía. El primer vuelo EFT-1 o Exploration Flight Test-1, que fue una prueba de vuelo de dos órbitas de alto apogeo del módulo de comando (CM) Orion en órbita terrestre el día 5/12/2014 propulsado por un cohete Delta IV Heavy, no utilizó un módulo de servicio operativo ya que no era necesario para un vuelo tan corto de solo 4 horas y 24 minutos. Pero en la Misión de Exploración-1 (EM-1), en la cual un cohete SLS Block-1 Crew, el día 16/11/2022 a la hora 06:47:44, envío la nave Orión en un viaje alrededor de la Luna, con el módulo de servicio MEDE que fue proporcionado por la Agencia Espacial Europea. El Módulo Europeo de Servicio (MEDE) se basa en el Módulo de Servicio del Vehículo de Transferencia Automatizado o ATV (por Automated Transfer Vehicle) que ya no opera (5 unidades sirvieron entre 2008 y 2014). Este nuevo diseño suplanta los dos paneles solares circulares por el uso de la disposición de paneles solares característicos "X-Wing" de ATV con cuatro matrices desplegables que crean una envergadura total de la nave espacial de 18,8 metros. En comparación con los ATV, los paneles solares de Orion serán ligeramente más cortos pero más anchos que los ATV y las células solares utilizadas en los conjuntos serán más eficientes mediante el uso de células de arseniuro de galio de triple unión que tienen una eficiencia cercana al 30% en comparación con la eficiencia del 17% de los paneles de ATV. El módulo de servicio europeo (ESM) genera una potencia nominal de 11.100 vatios.
NASA, Lockheed Martin y sus subcontratistas están proporcionando el Sistema de Propulsión Principal que modifica el sistema de propulsión del diseño anterior y suministrando una serie de tarjetas de red y especificaciones de diseño para las interfaces umbilicales y estructurales del módulo de servicio (ESM) con el módulo de tripulación Orion.
La nave Orion con el módulo de servicio en la configuración 607, de construcción norteamericana y con el módulo de servicio proporcionado por la Agencia Espacial Europea. (NASA/ESA)
¹)- En el programa Constellation ("Constelación") la nave Orion ("Orión") fue desarrollada junto con los vehículos de lanzamiento Ares I y Ares V y el módulo lunar Altair como parte de una arquitectura para misiones lunares y vuelos más allá de la órbita terrestre.
Vehículos de lanzamiento Ares I y V – (Imagen: NASA)
²)- Los soviéticos también desarrollaron sus propios vehículos de fuselaje sustentador como el Mig-105 (parte del programa Spiral) entre 1965 y 1969, reiniciado en 1974 como respuesta al Space Shutle de Estados Unidos y que cumplió ocho pruebas de vuelo entre 1976 y 1978. Finalmente el proyecto fue cancelado en favor del programa Buran (el transbordador soviético) cuya construcción se inició en 1980.
³)- Los paneles solares flexibles y ultraflexibles se construyen con células solares monocristalinas o policristalinas de capas de silicio, arseniuro de galio o perovskita* cientos de veces más delgadas que los paneles rígidos. Generalmente menos eficientes que los rígidos, tienen la ventaja de funcionar mejor en condiciones de poca luz. *La perovskita, (óxido de titanio y de calcio, CaTiO 3) es un mineral que se había comenzado a emplear para fabricar paneles solares en Polonia hace más de una década y promete revolucionar el sector. Por otra parte abarata la fabricación de los paneles solares al poder trabajarse a bajas temperaturas con el consiguiente ahorro de energía. Se utiliza en celdas dobles, utilizándolo sobre un celda de silicio en tándem con mejores resultados que en su empleo independiente ya que cada uno se complementa absorbiendo ondas de luz de diferentes longitudes, el silicio es apropiado para absorber el espectro rojo e infrarrojo, mientras que la perovskita es un mineral más eficaz absorbiendo ondas de luz verdes, azuladas y ultravioletas. Por ahora su desventaja es su corta vida útil.
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