¿Por qué debe pasar por la Tierra una nave que va a Júpiter?

Dentro de pocas horas la sonda Juno de la NASA realizará un sobrevuelo de la Tierra para aumentar su velocidad y poder así llegar a Júpiter en 2016. Pero, ¿por qué tiene que pasar otra vez por nuestro planeta una sonda que fue lanzada en 2011?

Juno sobrevuela la Tierra (NASA).

Las maniobras de asistencia gravitatoria no son nada nuevo a estas alturas. Desde que la Mariner 10 usó en los años 70 la gravedad de Venus para alcanzar la órbita de Mercurio, el empleo del pozo gravitatorio de un planeta para realizar maniobras de cambio de velocidad (Delta-V) sin gastar combustible es algo rutinario. Pero, ¿y si queremos alcanzar los planetas exteriores? En los años 60 y 70 se propusieron varias trayectorias de asistencia que usaban el enorme campo gravitatorio de Júpiter para llegar hasta Saturno, Urano, Neptuno o Plutón, trayectorias que serían usadas con éxito en las misiones Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 y Voyager 2. El problema es que estas trayectorias presuponen un lanzamiento directo hacia Júpiter o Saturno. Eso es posible si nuestra sonda es muy ligera o si tenemos un cohete enorme. Lamentablemente, en el caso de que queramos enviar hacia los planetas gigantes una nave de gran tamaño nos vemos obligados a buscar otras alternativas.

El sobrevuelo que va a realizar mañana Juno tiene un responsable. Se llama G. R. Hollenbeck y fue el que en 1975 introdujo las trayectorias Delta-V EGA (Delta-V Earth Gravity Assist) y VEGA (Venus Earth Gravity Assist). Como es fácil de deducir, la primera maniobra empleaba la Tierra como tirachinas gravitatorio para ir a Júpiter, mientras que la segunda introducía un sobrevuelo adicional del planeta Venus. A costa de pasar dos años más en el espacio interplanetario, ambas trayectorias permitían mandar sondas pesadas a los planetas exteriores con los lanzadores existentes. O dicho de otra forma, usando un cohete determinado se podía lanzar a Júpiter entre el doble y el triple de carga útil que la que permitía un lanzamiento directo. Efectivo, ¿no?

Trayectoria Delta-V EGA.

Trayectoria de Juno, del tipo EGA (NASA).

El fundamento de Delta-V EGA es el siguiente: lanzamos una sonda al espacio y, tras alcanzar la velocidad de escape terrestre, sigue acelerando hasta conseguir una órbita elíptica con un afelio (el punto más distante al Sol de la órbita) más allá de la órbita de la Tierra. Una vez que alcance el afelio, la sonda debe realizar una maniobra de frenado -sí, de frenado- del orden de 1 km/s para reducir el perihelio hasta que esté dentro de la órbita terrestre (el perihelio mínimo efectivo es de 0,85 UA). De este modo, la sonda podrá posteriormente sobrevolar la Tierra y alcanzar la velocidad necesaria para llegar a Júpiter.

Por contra, una sonda que siga la trayectoria VEGA debe ser lanzada ‘hacia atrás’ con respecto a la dirección de avance de la Tierra en su órbita. De este modo la órbita inicial de la sonda tendrá un perihelio cercano a la órbita de Venus y podrá aprovechar el campo gravitatorio de este planeta además del de la Tierra. Lanzar una nave hacia el Sistema Solar interior para viajar a los planetas exteriores parece contraintuitivo, pero la velocidad aportada por los sobrevuelos de Venus y la Tierra valen la pena de lejos. La ventaja de Delta-V EGA sobre VEGA es que, para cada oportunidad de lanzamiento, podemos disponer de dos ventanas de lanzamiento separadas por unos tres meses debido a la posición simétrica de la Tierra en su órbita. Por otro lado, Delta-V EGA nos permite evitar las altas temperaturas del entorno de la órbita de Venus, algo muy importante en una sonda que debe estudiar los gélidos planetas exteriores. Juno es una sonda lo suficientemente pesada como para que no se pueda mandar directamente a Júpiter con un cohete Atlas V 551, pero lo bastante ligera como para que la trayectoria Delta-V EGA sea viable. Al pasar por la Tierra, Juno aumentará su velocidad en 7,3 km/s.

Trayectoria VEGA.

Visto así, la trayectoria VEGA no parece nada atractiva. Pero en los años 80 Roger Diehl se dio cuenta de que si añadía un segundo sobrevuelo de la Tierra las ventajas energéticas de la nueva trayectoria serían brutales. La nueva trayectoria, denominada lógicamente VEEGA (Venus Earth Earth Gravity Assist), resultó ser la más eficiente que haya descubierto el ser humano para alcanzar Júpiter desde la Tierra. El truco consiste en que un único sobrevuelo de la Tierra puede ser suficiente en términos de Delta-V, pero no para desviar la trayectoria de la nave de tal forma que llegue a Júpiter. Esto limita enormemente el número de ventanas de lanzamiento disponibles si usamos VEGA. Un segundo sobrevuelo de la Tierra elimina este problema de VEGA, a costa de aumentar la duración de la misión en unos dos años. VEEGA es tan buena que prácticamente no necesitamos ninguna maniobra propulsiva adicional por parte de la nave (salvo pequeñas correcciones de la trayectoria, claro está). Además permite realizar maniobras de cambio de plano orbital entre los dos sobrevuelos de la Tierra, un requisito necesario si queremos llegar a todo tipo de asteroides y cometas.

Trayectoria VEEGA (derecha), comparada con la VEGA.
Comparativa entre la efectividad de VEGA y VEEGA para varias ventanas de lanzamiento.

VEEGA habría permanecido como un simple y elegante ejercicio teórico de mecánica celeste si no fuera por el accidente del Challenger en 1986. A raíz de la tragedia la NASA decidió prohibir el uso de la etapa de propulsión criogénica Centaur en el transbordador. Los combustibles líquidos se consideraron demasiado peligrosos para llevarlos en la bodega de carga de una nave tripulada. La Centaur tenía que haber lanzado la sonda Galileo a Júpiter, pero la NASA se vio forzada a usar la etapa IUS, mucho menos potente, para esta tarea. Galileo parecía condenada a quedarse en tierra para siempre, pero afortunadamente dos investigadores -Roger Diehl y Lou D’Amario- se acordaron de VEEGA. Empleando esta eficiente trayectoria, incluso la pusilánime IUS sería capaz de enviar la Galileo hacia Júpiter, como de hecho así fue.

La sonda Galileo fue la primera en usar VEEGA para viajar a Júpiter y compensar así el empleo de la etapa IUS, visible en la foto (NASA).

Trayectoria VEEGA de Galileo (NASA). La Galileo con una etapa Centaur habría llegado directamente a Júpiter (NASA).

Vale, VEEGA es la trayectoria más eficiente, pero, ¿no hay otras? Pues sí que existen. Una opción es introducir más pasos por el planeta Venus. Estas trayectorias, conocidas como VEVE, VVE o Vn (n es el número de sobrevuelos de Venus) no sólo son menos eficientes, sino que además obligan a que la sonda sufra durante más tiempo las altas temperaturas de la órbita de Venus. Otras trayectorias más exóticas usan Marte además de Venus y la Tierra, con lo cual el número de combinaciones se dispara: VMV, VMVE, VEME, VEEM, VMVV, etc., etc. Por lo general, emplear el campo de gravitatorio de Marte no es una opción demasiado interesante debido a la baja masa de este planeta, pero todo depende de la ventana de lanzamiento que tengamos a nuestra disposición. Eso sí, si lo que deseamos es visitar algún cometa o asteroide en vez de ir a Júpiter, entonces pasar por Marte se vuelve bastante atractivo, ya que aquí lo importante no es la Delta-V bruta, sino poder alcanzar una órbita muy excéntrica y con una inclinación considerable. Un ejemplo de esto último lo tenemos en la trayectoria EMEEGA de la sonda europea Rosetta.

Algunas trayectorias más exóticas que usan Marte.

Para los planificadores de una misión espacial, el Sistema Solar no es más que un enorme juego de billar cósmico en el que encontrar la trayectoria óptima con el fin de alcanzar un objetivo es el mayor de los retos. Como vemos, la mecánica celeste es realmente extraña. A veces hace falta frenar y dar un paso hacia atrás antes de acelerar y lanzarse a las profundidades del Sistema Solar exterior. Por supuesto, con sistemas de propulsión más eficientes o cohetes gigantes, no habría necesidad de tanta complicación: todas las trayectorias serían directas. Pero, ¿no sería más aburrido?Referencias:


26 Comentarios

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Ernesto Gabriel

Igual, aunque entiendo perfectamente las ventajas de la asistencia gravitatoria, necesitamos desesperadamente buscar misiones para el SLS. Porque la única manera de reducir los costes astronómicos del superlanzador es que vuele mas seguido. Y no quiero que lo cancelen. Ya dije mil veces que no me agrada mucho su diseño, pero es lo que hay y sin SLS ¡Adios beyond earth orbit!!. No me creo nada esa historia de montar una nave tripulada en LEO con media docena de lanzamientos, sólo para ir hasta la Luna. Demasiado complicado.

Chato Wilbury

Majestuoso como siempre! Quiero ver al valiente que se aviente cualquiera de estas trayectoris en el Orbiter! Aunque ahora me pregunto… Qué tiene que ver el accidente del Challenger con la cargas criogénicas?

Horacio de ArgentinaHoracio de Argentina

Magistral artículo, había visto algo sobre la asistencia gravitatoria, pero nunca tan amenamente explicado como éste, gracias Daniel, saludetes

Tokaidin

“Pero, ¿no sería más aburrido?” Puede, pero quizás entonces no tendríamos que esperar una eternidad en ver completar un viaje :(

Antonio

Hola, Daniel:

¿Sabes de algún programa que se pueda descargar de Internet para calcular trayectorias? Y si puede ser de código abierto, mejor que mejor.

Sr. FloydSr. Floyd

Pues claro que sería más aburrido, sería como jugar al billar lanzando las bolas con un bazooka xD.

Además, si se me permite la cursilada, la elegancia de este método lo hace casi casi “natural” como la naturaleza misma. Y acostumbrarnos a que las cosas cuesten nos hace valorarlas en su justa medida.

Por hacer de díptero escrotal, se podía poner Δv, más que nada a ver si la prensa se acostumbra a este tipo de notaciones xD.

Daniel Marín

Gracias, Jimmy. He añadido un párrafo explicándolo. Básicamente, tras el Challenger a la NASA no le pareció muy buena idea mandar toneladas de combustible líquido dentro de la panza del transbordador, además de que limitaba las posibilidades de retorno en caso de aborto durante el lanzamiento.

Saludos.

Saul

me estaba preguntando donde podía encontrar una explicación de la VEEGA y vas tú y haces un gran artículo, muchas gracias!!! 😀

AnonymousAnonymous

supongo que una hipotética misión tripulado al sistema joviano no tendría que hacer esta carambola sideral no.?

AnonymousAnonymous

Excelente articulo Daniel, aunque me ha desencajado la ultima pregunta ¿No seria más aburrido?. Un viaje directo es lo ideal, lo siento pero estas trayectorias de asistencia gravitatoria las veo como un atraso no como un avance son lentas y retrasan las misiones en exceso. Si queremos investigar a fondo todo el sistema solar con este sistema de asistencias gravitatorias lo llevamos claro……Esto es como hacer un viaje de Malaga a Berlin en un Seat 600, llegar se llega pero a un coste muy alto para sus ocupantes.

AnonymousAnonymous

Es como cruzar el oceano en un velero mucho mas romántico dirían algunos pero no es lo mismo que cruzar el océano en un yate a toda maquina por cierto cuando veremos algún velero cruzar el espacio interplanetario ???

Miguel Rodríguez

Para mandar una sonda suponen tener que esperar más, símplemente. En una misión tripulada sería inviable, porque un trayecto tan largo éxpondría demasiado a los astronautas a las radiaciones, además de hacer aumentar las necesidades de avituallamiento.

AnonymousAnonymous

y la luna no podria usarse para ganar algo de velosidad o su gravedas surtiria un efecto despreciable.

juan c

Bueno últimamente no tengo mucho tiempo para leer las entradas, pero este tema de las asistencias gravitacionales me encanta; gracias Daniel muy bien explicado.
Saludos.

fobos9fobos9

Daniel, otra entrada excelente, y van…
Una duda: de lo que se lee entonces entiendo que a pesar de ser tan masivo el sol no serviría para una asistencia gravitacional por estar “estàtico” con respecto a los planetas?

juan c

Fobos, no lo voy a explicar también como Daniel pero la historia es que la asistencia gravitacional del sol sólo la podría utilizar una nave que viniera de fuera de nuestro sistema y entrara en la esfera de influencia del sol(de su campo gravitatorio), nosotros ya estamos dentro y por tanto no podemos aprovechar su gravedad para dar asistencia gravitacional a nuestras naves.
Un saludo.

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