¿Dónde puede aterrizar una nave Soyuz?

Por Daniel Marín, el 13 marzo, 2014. Categoría(s): Astronáutica • ISS • Rusia • Sondasespaciales • Soyuz ✎ 36

A raíz de la entrada de ayer sobre el regreso de la Soyuz TMA-10M, un lector que quiere permanecer en el anonimato me preguntó cómo podemos saber dónde va a aterrizar una cápsula espacial. La respuesta puede parecer simple. Tenemos una nave que sigue una órbita determinada, así que sólo tenemos que encender el motor de frenado de tal forma que el señor Newton haga su trabajo y la cápsula descienda sobre el lugar que hayamos designado. Pan comido, ¿no? Pues obviamente, no, no es tan simple.

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La Soyuz TMA-10M aterriza en Kazajistán. El humo que se ve no se debe a la fuerza del impacto, sino a los cuatro cohetes DMP de combustible sólido que amoriguan el aterrizaje (NASA).

Para empezar, una cápsula espacial no es un avión y su capacidad de maniobra es ciertamente muy limitada, aunque, como veremos, no es nula. La variación de densidad en las capas altas de la atmósfera y el viento provocan que el error en la precisión del aterrizaje siempre sea superior a varios kilómetros. O sea, que nos conviene elegir una zona realmente amplia y libre de obstáculos. Eso sí, nuestra zona de aterrizaje no puede estar situada en una laititud superior a los 51,65º norte o 51,65º sur, ya que esta es la inclinación de la órbita de la estación espacial internacional (ISS) y, por tanto, de cualquier nave Soyuz. Esta restricción deja fuera gran parte del territorio de la Federación Rusa, así que desde sus primeros vuelos las naves Soyuz aterrizan, salvo algunas excepciones, en las infinitas estepas de Kazajistán, una práctica que ha continuado sin interrupciones después de la caída de la Unión Soviética. La estepa kazaja tiene además la ventaja de no poseer bosques, obstáculos naturales o grandes centros de población que dificulten el descenso de una cápsula.

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La reentrada de una Soyuz vista desde la ISS (NASA).

Pero claro, no basta con seleccionar una franja de cientos de kilómetros de ancho y decir que esa es nuestra zona de aterrizaje. Los astronautas pueden sufrir problemas durante el regreso, quizás hasta puede que estén heridos y necesiten ayuda médica inmediata. Pero incluso sin emergencias, volver a la Tierra después de pasar seis meses en el espacio no es una experiencia agradable para el cuerpo humano. Se impone por tanto reducir el área de aterrizaje considerablemente si queremos que el equipo de rescate llegue hasta la tripulación lo antes posible.

¿Cómo podemos hacerlo? Pues usando la cápsula como si fuera un avión para generar un poco de empuje y ajustar así la trayectoria de descenso, algo que puede parecer imposible a primera vista. Al fin y al cabo una cápsula no posee alas u otras superficies aerodinámicas para generar sustentación. Pero no las necesita, ya que se usa la propia cápsula como un cuerpo sustentador. No olvidemos que la cápsula se mueve a casi 28000 km/h cuando entra en la atmósfera, así que cualquier pequeña fuerza generada en esta fase puede tener efectos enormes en la distancia de la zona de aterrizaje final. El truco consiste en situar el centro de masas de la cápsula de tal forma que esté ligeramente desplazado con respecto al eje del vehículo y/o el ángulo de ataque. De este modo se genera una fuerza de sustentación que, además, nos permite reducir la enorme aceleración sufrida por los cosmonautas durante la reentrada.

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Una cápsula Soyuz donde se ve el centro de masa no alineado con el centro de presión para generar la fuerza de sustentación (RKK Energía).

Una reentrada normal, o sea, una que no use este truco de la sustentación, se denomina balística y fue la empleada por las naves Vostok, Mercury o Vosjod. En este caso la tripulación puede sufrir una aceleración de unos 11 g, algo nada agradable, la verdad. Por el contrario, en una reentrada controlada se suele llegar a los 4 o 5 g y nunca se superan los 6 g, lo que resulta conveniente para el cuerpo fatigado de los cosmonautas. La fuerza de sustentación generada por la cápsula Soyuz o SA (Spuskaemi Apparat, ‘aparato de descenso’ en ruso) suele ser perpendicular a la órbita inicial, de ahí que la zona de aterrizaje de un descenso controlado esté situada más ‘adelante’ con respecto al movimiento orbital de la Soyuz. La entrada balística es más ’empinada’ y, como resultado, la zona de descenso está situada ‘detrás’ de la zona primaria (unos 400 kilómetros ni más ni menos). Y no sólo eso, el margen de error en caso de una entrada balística es más elevado que en el de una controlada, por lo que el área a cubrir para el equipo de rescate es mucho mayor (otro punto negativo para las entradas balísticas). Una entrada controlada suele tener un error de unos 30 kilómetros, por lo que el equipo de rescate usa las señales emitidas por la cápsula durante el descenso para actualizar su posición. Por lo general el equipo se encuentra a muy poca distancia cuando la nave toca el suelo.

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Trayectoria de descenso de la Soyuz TMA-10M (NASA TV).

Vale, esto está muy bien, pero, ¿cómo orientamos la cápsula para que se genere esta fuerza de sustentación? Ah, buena pregunta. Primero debemos asegurarnos de que conocemos con total precisión el centro de masas del SA. Por este motivo los asientos de lo cosmonautas son calibrados con una enorme precisión antes del despegue y, de hecho, los propios cosmonautas deben medir su masa antes del regreso usando unas ‘básculas’ especiales para gravedad cero. En el pasado no era nada extraño que el centro de control (TsUP) ordenase a algún miembro de la tripulación ganar o bajar peso de cara a la reentrada, aunque actualmente se prefiere usar la carga útil como lastre. Una diferencia de unos pocos kg en un vehículo de 2,9 toneladas (la masa del SA) puede parecer despreciable, pero no lo es si tenemos en cuenta que se puede traducir en un desplazamiento del centro de masas de unos cuantos centímetros.

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El equipo de rescate se acerca a una cápsula Soyuz (NASA).
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Una Soyuz segura en tierra (NASA).
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El escudo térmico de una Soyuz (se desprende a 5 km de altura) (Novosti Kosmonavtiki).

Una vez calculado el centro de masas por el grupo de expertos de balística del TsUP debemos introducir los datos en el ordenador de la Soyuz, que se encargará de pilotar la cápsula durante la fiera reentrada. Para ello usará ocho pequeños propulsores de 10 kgf de empuje cada uno que usan peróxido de hidrógeno como combustible (el deterioro del catalizador de estos propulsores es precisamente el principal factor que limita la vida útil en órbita de una Soyuz). Estos micromotores se denominan URMD (Upravlyayuschie Reaktivnie Mikrodvigateli, ‘micromotores de control a reacción’) y forman parte del sistema SIO-S (‘sistema de control a reacción del descenso’). Los motores URMD funcionan entre los 80 y 11 kilómetros de altura mientras el escudo térmico sufre los rigores del calor de la reentrada. Antes del aterrizaje, y con el paracaídas principal ya desplegado, el sobrante de los 30 kg de peróxido que lleva la cápsula son expulsados para evitar cualquier daño a la tripulación.

El uso de los motores URMD permite modificar la trayectoria de descenso en el sentido del avance de la órbita de la nave, pero -y esto es algo que se suele obviar- también lateralmente. Es por eso que la Soyuz puede aterrizar en una franja de 75 kilómetros a cada lado de la traza orbital. Ciertamente no es mucho, pero sirve para ajustar mejor la zona de aterrizaje. El sistema SIO-S se activa después de que los tres módulos de la Soyuz (BO, SA y PAO) se separen y está controlado por el ordenador de la cápsula (KSO-20M), que usa los datos de los sensores de velocidad angular (BDUS), acelerómetros (BSA) y el giróscopo (SG) para orientarse. Con estos datos, el ordenador mantiene fijos los ángulos de cabeceo y guiñada al mismo tiempo que varía el ángulo de giro para aumentar o disminuir la sustentación de la cápsula y dirigir así su trayectoria. Las reentradas controladas se denominan AUS si se llevan a cabo bajo el mando del ordenador de la nave o RUS si son dirigidas manualmente por el comandante de la Soyuz. Pero dirigir una nave espacial de forma manual es tan arriesgado que el modo RUS nunca se ha usado. Los cosmonautas prefieren sufrir los rigores de una entrada balística antes que arriesgarse a morir por un error humano. Eso sí, toda la tripulación se entrena para pilotar el SA en modo RUS por si las moscas.

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Fases en la entrada de una Soyuz.
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Comunicaciones durante el descenso de una Soyuz (Novosti Kosmonavtiki).
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Ciclograma de descenso de la Soyuz TMA-10M (TsUP).

Pudiera parecer que, por oposición a las entradas AUS o RUS, la entrada balística es ‘no controlada’, pero no es así. Efectivamente, el ordenador no controla la trayectoria de la nave, pero sí su posición. No existe una reentrada balística incontrolada como tal. O bueno, mejor dicho, si ocurre la tripulación puede darse por muerta. Existen dos modos de descenso balístico, el normal (BS) y el de reserva (BSR). En el modo BS el ordenador ajusta la velocidad de giro a 12,5º por segundo para estabilizar la cápsula al mismo tiempo que amortigua cualquier movimiento lateral con los propulsores URMD. En el modo BSR la velocidad de giro aumenta a los 18º por segundo, ya que se supone que el ordenador no puede estabilizar los movimientos laterales (el principio del momento angular nos dice que a mayor velocidad de giro, más estable será la cápsula, aunque los cosmonautas no se sientan muy cómodos). El modo BSR no se ha usado nunca, pero el BS fue empleado por las Soyuz TMA-1, Soyuz TMA-10 y Soyuz TMA-11 por diversos problemas (la tripulación volvió sin problemas en los tres casos).

Una vez que tenemos estos factores en cuenta, no tenemos más que marcar el punto de aterrizaje y mandar al equipo de rescate hasta allí. La Soyuz efectuará el encendido de frenado de su motor principal SKD -que suele durar unos cinco minutos- más o menos un cuarto de órbita antes del descenso, es decir, una media hora antes. Ahora bien, ¡obviamente no nos basta con encender el motor en cualquier punto de la órbita y esperar aterrizar en Kazajistán! Primero deberemos seleccionar con mucho cuidado que órbitas pasan por la zona de aterrizaje según el día. Y no sólo eso, también deberemos elegir la órbita de tal forma que si la tripulación no puede, por el motivo que sea, encender el motor a tiempo la cápsula sea capaz de aterrizar en la zona prevista durante al menos las dos siguientes órbitas, un requisito bastante restrictivo si tenemos en cuenta que entre órbita y órbita la Tierra se mueve debajo de la nave, cambiando toda la geometría de la reentrada.

Basta echar un vistazo a un mapa de Kazajistán para darnos cuenta de que se encuentra a latitudes cercanas al límite de latitud de 51,65º norte que comentábamos antes. Eso quiere decir que las Soyuz descienden sobre la estepa moviéndose por lo general hacia el norte. El punto de la órbita de la Soyuz en el que cruza el ecuador en dirección norte se llama nodo ascendente y es un parámetro clave para determinar la zona de aterrizaje. Salvo emergencias, el nodo ascendente de la órbita de descenso de una Soyuz debe estar situado al oeste del meridiano 20º este para que pueda sobrevolar Kazajistán. A la hora de elegir la zona de descenso el grupo balístico fija primero la longitud de la misma y luego se ajusta la latitud según las órbitas disponibles ese día. La longitud de la zona de aterrizaje nominal de una Soyuz está comprendida teóricamente entre los 63º y 74º este, aunque en la práctica se usan dos zonas situadas entre los 67º-68º y los 69º-70º.  Estas dos zonas, la primera cerca de la ciudad de Arkalyk y la segunda no muy lejos -en términos de distancias kazajas, se entiende- de Dzhezkazgan, tienen unas latitudes respectivas de 50º-52º norte y 47º-49º norte.

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Zonas de aterrizaje de casi todas las cápsulas Soyuz. Se aprecia la existencia de dos zonas principales. Los puntos sueltos son entradas balísticas en su mayoría (Google Maps/Novosti Kosmonavtiki).

Para entender el asunto un poco mejor veamos uno de los mapas usados por los equipos de rescate (en este caso el de la Soyuz TMA-5):

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Trayectorias y zonas de aterrizaje de la Soyuz TMA-5 (Novosti Kosmonavtiki).

En este mapa se aprecian claramente las tres zonas primarias de aterrizaje correspondientes a las tres órbitas que ese día pasan sobre la zona de descenso el día de la vuelta a casa. Cada órbita está representada por una línea de puntos y en la parte izquierda se ven los cuadrados que representan las zonas de aterrizaje en caso de reentrada balística (el recuadro más pequeño es el área de mayor probabilidad). La presencia de distintas zonas de aterrizaje obliga a que también existan varios grupos de rescate, aunque la mayoría de medios están concentrados en el lugar primario. Los equipos usan helicópteros Mil Mi-8, anfibios todoterreno Zil 4906 (PEM) y vehículos a motor convencionales para desplazarse por la estepa kazaja. Para viajar entre los aeropuertos kazajos se usan aviones Antónov An-12 y Antónov An-24. Por lo general en la zona principal se suelen enviar ocho o diez Mil Mi-8 y cuatro vehículos PEM, mientras que siempre hay al menos dos helicópteros cerca de una o dos de las zonas balísticas. En definitiva, un despliegue considerable y que cuesta lo suyo.

Una vez rescatada la tripulación con éxito, los cosmonautas son trasladados al aeropuerto internacional de Karaganda, donde son agasajados en una ceremonia de recibimiento a la que la mayoría preferiría no asistir, pero que es una de las condiciones que ha puesto el gobierno kazajo a los rusos para que sigan usando su país como campo de aterrizaje. De allí los cosmonautas rusos vuelan directamente a la Ciudad de las Estrellas (TsPK) de Moscú, mientras que los norteamericanos deciden ir por su cuenta y marcharse a Houston en un avión Gulfstream III de la NASA (hasta hace unos años también viajaban al TsPK con sus compañeros rusos). La cápsula es trasladada mediante un Zil hasta el aeropuerto, desde donde se dirige a Moscú.

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El equipo de rescate espera el aterrizaje de una Soyuz. Se aprecia el brillo de los DMP (Novosti Kosmonavtiki).
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Una Soyuz es recogida por un Zil.

Pero, ¿y si tenemos una emergencia y tenemos que aterrizar ya mismo? En caso de un problema con la propia Soyuz -por ejemplo, una despresurización- deberemos aterrizar cuanto antes, ya que las reservas de oxígeno de las escafandras Sokol-KV2 son de unas dos horas. Por eso existen siempre varias zonas de aterrizaje de emergencia repartidas por el mundo. Los datos para el encendido del motor de la Soyuz según el área de descenso varían por lo tanto cada día, así que una de las tareas de los cosmonautas de la ISS es imprimir -sí, en papel- la información de los parámetros de descenso todos los días y guardarla en la Soyuz por si acaso. Las zonas de aterrizaje de las primeras tres o cuatro órbitas de un día determinado están situadas en Kazajistán y son las que vimos anteriormente, para el resto de órbitas las zonas de aterrizaje de emergencia son: la parte inferior del Volga, la región de Odessa, Hungría, Francia (tres zonas), Estados Unidos (ocho zonas, principalmente en el midwest), el mar de Japón (las Soyuz pueden amerizar en caso de emergencia), la región de Jabarovsk y el sur de Kazajistán.

Tras más de cuatro décadas de misiones Soyuz se han producido algunos aterrizajes moviditos, pero por ahora ninguna ha aterrizado en una de las zonas de emergencia (aunque la Soyuz 18-1 estuvo cerca de aterrizar en China). Pero nunca se sabe. Por si acaso, vete estudiando qué debes hacer si aterriza una Soyuz en tu jardín.

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Una Soyuz desciende mientras purga el peróxido de hidrógeno de sus propulsores SIO-S (NASA).

Vídeo de la reentrada de una Soyuz visto desde dentro de la cápsula (ya lo hemos puesto por aquí, pero vale la pena):

[youtube]http://youtu.be/-l7MM9yoxII[/youtube]



36 Comentarios

  1. Es curioso que el tener 3 orbitas de margen (la central, la anterior y la posterior) muchas veces no sea válida, ya que para ello necesitamos que la central sea la elegida. Si por ejemplo elegimos una trayectoria de descenso que pase por el sureste de las zonas de aterrizaje, no habrá otra orbita mas de margen, ya que la rotacion de la tierra en lo que dura una órbita situaria fuera del plano de la soyuz a kazajistán. Supongo que para eso está pensado eso de que el RAAN (Right Ascension of Ascending Node) o ascension recta del nodo ascendente de la orbita de la soyuz pase por el meridiano +20. Esto es una simple forma de hablar, ya que si la nave soyuz volara en cualquier otra incinacion que no fuera la de la ISS (~51,6) este “truco” no valdría.

  2. WTF!!! :))))

    “”Una vez rescatada la tripulación con éxito, los cosmonautas son trasladados al aeropuerto internacional de Karaganda, donde son agasajados en una ceremonia de recibimiento a la que la mayoría preferiría no asistir, pero que es una de las condiciones que ha puesto el gobierno kazajo a los rusos para que sigan usando su país como campo de aterrizaje. “”

      1. Hola, Daniel: ¿sería posible ponerles otro escudo térmico, paracaidas y alguna otra cosa necesaria y reutilizar las cápsulas?

        Excelente entrada, como siempre.

  3. ¿Cómo funcionan esas balanzas para gravedad cero? Imagino que con algún fuelle o resorte que se estire o comprima ¿no?

    Muy buena entrada

    1. No lo sé, pero imagino que serán balanzas inerciales (así que no tendrán ningún tipo de dispositivo que acumule energía de deformación elástica). Un principio muy sencillo es usar un palo largo (de distribución de masa homogénea) y rotar, según donde esté el centro de rotación tanta será la masa del objeto asociado.

  4. Me llama mucho la atención el peligro de “rebotar” en la atmósfera si el ángulo de reentrada es demasiado pequeño. La cápsula saldría despedida hacia el espacio. Y me pregunto, ¿existirá un protocolo de actuación para tal situación?, ¿ y que harían? ¿hay forma de reorientar la nave hacia la Tierra? ¿o habría que enviar a alguien al rescate?

    Espero que el protocolo no consista en comerse la pastilla negra que le dieron a Jodie Foster en Contact.

    1. Estaba esperando respuesta de alguien con mas información técnica que yo. Pero visto el desinterés, respondo de mi lugar de simple aficionado.
      Yo también había escuchado eso de rebotar contra la atmósfera, pero pensándolo un poco y luego de varios años de estar leyendo artículos respecto de estos temas, me da la impresión que eso no es posible. Al menos no para una cápsula retornando desde la ISS. Pienso que una vez que se toma contacto con la atmósfera, lo único que hará a partir de ese momento es perder velocidad (debido al rozamiento) y por lo tanto mas caerá atraída por la gravedad terreste. En segundo lugar, la cápsula al estar previamente (junto a la ISS) en órbita terrestre no puede escapar de la gravedad terrestre a menos que se utilice un medio de propulsión ya que escaparse de la gravedad terrestre requiere mas energía que estar en LEO y no veo como “rebotar” contra la atmósfera le puede proporcionar mas energía…
      Pienso que eso de “rebotar” contra la atmósfera aplica para algún tipo de objeto que viaje desde fuera del campo gravitatorio terrestre y pretenda realizar una maniobra de aerocaptura.
      Sepan disculpar la falta de tecnisismo pero bueno, si alguien quisiera ampliar sería interesante.
      Saludos!

        1. ¿Por qué no puede rebotar en la atmósfera y las otras sí? Entiendo que no puede escapar de la gravedad terrestre, y que tras el posible rebote volvería a la Tierra pasado un tiempo, al tener el perihelio de su órbita dentro de la atmósfera. Lo que no veo es por qué no puede rebotar y en cambio una nave que venga con más velocidad sí puede hacerlo.

  5. Cordial saludo a todos.

    Una auténtica lección de física práctica, Daniel. Siempre me ha parecido increíble -como físico- que una ecuación tan teórica, en este caso el tiro balístico, tenga una aplicación tan práctica y seamos capaces de aplicarla de manera tan precisa. Imagino que has cogido bastante material de tu fantástico artículo (que devoré de un tirón) “Qué hacer si una nave Soyuz aterriza en tu jardín”.
    En fin, todo esto del aterrizaje de una cápsula, el traje espacial para una EVA, etc. demuestra no hay nada sencillo ni barato en este mundillo del espacio, sólo hace falta “voluntad”; nuestra especie tiene capacidad de sobra.

  6. Y una forma muy plástica de explicar por qué el viaje espacial no es ninguna simpleza estilo me subo en la bici y me bajo donde quiero (como hace Han Solo y otros personajes), de qué manera las leyes de la física nos obligan a movernos en estrechas posibilidades (por el tipo de carga, si no fuese tan frágil habría más xD), y la cantidad de infraestructura y personal que hay detrás.

  7. Interesantísimo el artículo. Y como siempre, se demuestra que todo lo relacionado con los viajes espaciales es mucho más complicado de lo que parece a primera vista.

    Lo que más me ha llamado la atención es:

    .-Que se movilizen ocho o diez Mil Mi-8 en la zona principal. ¿Para qué hacen falta tantos helicópteros? Son sólo tres cosmonautas y una cápsula, no entiendo para que hacen falta semejante despliegue?

    .-No sabía que la Soyuz tuviese zonas de aterrizaje de emergencia en los USA. ¿Eso quiere decir que hay equipos de rescate rusos en medio de los Estados Unidos listos para una emergencia? ¿O simplemente se alerta a los servicios locas “por si acaso”?

      1. Ah, vale. Lo helicópteros entonces no están agrupados sino desplegados en diferentes localizaciones para que siempre haya un grupito lo más cerca posible.

        Sobre lo de los grupos de rescate en los USA, ¿podrías hacer algún artículo sobre el tema? Creo que sería interesante saber cómo sería el protocolo de actuación en caso de un aterrizaje de emergencia en USA, saber quien actuaría, los representantes rusos, si podrían abrir la cápsula o no, etc., etc.

        1. Al ser un aterrizaje de emergencia los cosmonautas deberían salir por su propio pie y los encargados de velar por la seguridad de los mismos serían las fuerzas de seguridad estadounidenses. La NASA mandaría un equipo a la zona lo antes posible con instrucciones sobre cómo abrir la cápsula y los demás procedimientos de seguridad, pero seguramente la tripulación saldría antes sin ayuda. El resto de los detalles es ‘información propietaria’ o directamente secreta.

          1. Joer, no pensé que siguiese habiendo cuestiones “reservadas” respecto a la Soyuz. Llevan tanto tiempo entre nosotros que daba por hecho que los americanos conocían ya hasta el último remache de la nave.
            Gracias por la información.

  8. Sinceramente, con tanta complicación no es extraño que se desarrollase la lanzadera espacial, que aterrizaba suavemente en la pista como un avión de pasajeros. Otra cosa es que al final fuera mucho más cara y en cierto modo más complicada = peligrosa.

    1. Yo creo que es más complicado (o, lo que es más o menos lo mismo, caro) hacerle la puesta a punto a un transbordador para su siguiente misión que rescatar a la tripulación de una soyuz. De ahí que las soyuz sigan volando y el transbordador no.

    2. Bueno, al final veo que vienes a decir más o menos lo mismo que yo. Mandar helicópteros y anfibios a por una soyuz es más aparatoso que el aterrizaje de un transbordador, pero al fin y al cabo es tecnología convencional, fabricada en serie, más barata y simple que la del transbordador.

        1. Hombre pues sí, han tenido 2 accidentes mortales de hecho, la Soyuz 1 de Komarov y la 11 con 3 tripulantes. De hecho los americanos pusieron en la luna una placa con todos los nombres de rusos y americanos muertos hasta 1971

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Por Daniel Marín, publicado el 13 marzo, 2014
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