(actualizado el 2 de mayo de 2008)

Hoy veremos en detalle el Módulo de Propulsión (PAO) de la Soyuz, también llamado a veces en la bibliografía occidental «módulo de servicio», debido a la influencia de las naves Apolo y Gémini. Últimamente también se han hecho populares las denominaciones «módulo de equipamiento» o «módulo de instrumentación». En ruso se llama приборно-агрегатный отсек (ПАО), «módulo instrumental-propulsivo» (PAO). Está dividido en tres partes:

1. Una sección intermedia, PKhO (переходной отсек, ПхО), no presurizada, situada entre la cápsula y el resto del módulo donde se incluyen varios motores de maniobra, además de tanques de oxígeno. En esta sección se encuentran las estructuras que unen la cápsula (SA) con el PAO en 10 puntos, cinco de los cuales cuentan con pernos explosivos y otros cinco tienen muelles para la separación de los módulos. Es además en esta zona donde se conectan los cables umbilicales que que aportan al SA y al BO electricidad, oxígeno, control de temperatura y telemetría.
2. Una sección de instrumentación presurizada, PO (приборный отсек, ПО, «sección de instrumentación») con sistemas electrónicos (telemetría, instrumentos de orientación y guiado, etc.) y radiadores. Se utiliza nitrógeno para presurizar esta sección, que además sirve como regulador de temperatura. Está construido en una aleación de aluminio.
3. La parte que alberga al motor principal (AO, агрегатный отсек, «sección de propulsión» o «sección de motores»), los paneles solares (con un área de 10 m² y una envergadura de 10,6 m), baterías, un radiador de 8 m² y los tanques con 900 kg de combustible hipergólico: tetróxido de nitrógeno e hidracina (UDMH).

La masa del PAO es de 2 560 kg y su diámetro es de 2’2 m (mínimo) y 2’7 m (máximo).

El PAO es la base del sistema de regulación térmica de la nave o SOTR (СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА, СОТР). Este sistema consta de dos partes: una pasiva (radiadores) y una activa. La parte activa consiste en un circuito hidráulico que recorre los tres módulos de la nave para regular su temperatura de forma activa. La parte pasiva son los radiadores de la sección AO.

Imagen en la que se aprecia la cápsula y la sección intermedia del PAO. Podemos ver la aviónica en el interior de la sección presurizada (PO) de instrumentación (RKK Energía).

Carga en una nave Soyuz de los combustibles hipergólicos en tierra. El personal lleva trajes especiales, pues estas sustancias son tóxicas y corrosivas (RKK Energía).

Sistema de Propulsión: el PAO es donde reside el sistema de propulsión y maniobra de la nave. La Soyuz utiliza combustibles hipergólicos. El motor principal, situado en el módulo de servicio, se denomina KTDU o KDU (комбинированная двигательная установка, КДУ), «Instalación Propulsora Combinada». En la Soyuz TM/TMA el motor es el KTDU-80 y tiene un empuje de 316 kgf. Este motor se puede encender un total de 40 veces. El impulso específico de este motor es de 305 segundos y la Delta-V total de la nave es de 390 m/s. Gracias a motores eléctricos, se puede girar la tobera del motor ± 5º.

Además del motor principal, la nave cuenta con pequeños motores de maniobra (verniers) denominados DPO o DO (Двигатель причаливания и ориентации, ДПО), «Motores de Aproximación y Orientación». Este sistema utiliza combustibles hipergólicos y comparte los mismos tanques que el motor principal de la nave. El sistema DO está a su vez dividido en la Soyuz TM en 14 motores DPO-B (ДПО-Б), o también llamados DPO a secas, de «gran» empuje con 13’3 kgf cada uno, así como 12 motores DPO-M (ДПО-М), a veces llamado simplemente DO, de empuje pequeño con 2’7 kgf. Aunque las mayoría de las fuentes siguen insistiendo en que la Soyuz TMA tiene 14 motores DPO-B, lo cierto es que en las imágenes de estos vehículos podemos ver 16 toberas. Las primeras versiones Soyuz incorporaban un motor de reserva, mientras que las actuales no lo llevan, pero a cambio pueden usar los cuatro motores traseros DPO-B como tal.

En general, el sistema DPO-B se usa para movimientos traslacionales (adelante, de lado y hacia atrás) y el DPO-M para rotacionales (cabeceo, giro y guiñada). Para entender los movimientos rotacionales, mejor veamos estas imágenes:

Maniobras de actitud del vehículo: cabeceo (pitch), guiñada (yaw) y giro o alabeo (roll).

Distribución sistema DPO-B y DPO-M en la Soyuz TMA. En la parte trasera, se aprecian los cuatro motores DPO-B que pueden servir como motor principal de emergencia para volver a la Tierra cuyo eje está inclinado 20º respecto al eje del vehículo.

Diferencia entre los sistema DPO-B de la Soyuz TM (14 motores) y la Soyuz TMA (16 motores).

Detalle del sistema DPO en la Soyuz TM (las toberas con cubiertas rojas son parte del sistema DPO-B). La toberas no cubiertas, DPO-M se utilizan para rotar la Soyuz según su eje principal (X).

Sistemas de Orientación:

En el exterior del módulo de propulsión se encuentran los sensores que permiten a la nave orientarse automáticamente respecto a la Tierra y su órbita. Por un lado, hay dos sensores infrarrojos (IKV) que sirven para localizar la posición de la Tierra según la vertical de la nave (eje Y). Estos sensores controlan los movimientos automáticos de cabeceo y giro:

Los dos sensores infrarrojos de orientación en una Soyuz TMA (NASA).

Nave Soyuz TM durante la integración en tierra. Se aprecia cómo los dos sensores infrarrojos se hayan plegados hacia atrás durante el lanzamiento (RKK Energía).

Además la nave cuenta con varios sensores termoiónicos que le permiten orientarse respecto a la dirección de su órbita. Estos sensores detectan el flujo de iones que incide sobre la nave en la dirección de avance de la órbita, permitiendo al vehículo conocer el grado de desviación del eje de la nave respecto a la dirección de avance y, si es necesario, emplear las maniobras de cabeceo y guiñada para alinearse. Un sensor solar (45K), situado en el lado opuesto respecto los dos sensores infrarrojos, sirve para precisar aún más la posición de la nave respecto a su eje vertical (Y).

Estos sensores, junto con el sistema de giroscopios del vehículo, permiten a la Soyuz orientarse de forma automática (aunque la tripulación puede actuar para corregir este sistema si lo estima oportuno), lo que es crucial para acoplarse a otro vehículo, mantener los paneles solares orientados hacia el Sol en vuelo autónomo o realizar la maniobra de frenado para la reentrada.

Sistema de Suministro de Energía (SEP):

El SEP (СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, СЭП) es el encargado de suministrar energía eléctrica a la Soyuz durante las fases de vuelo independiente y, si es necesario, acoplamiento. Las primeras Soyuz (7K-OK) empleaban paneles solares de cuatro segmentos que alimentaban unas baterías para ofrecer una corriente de salida de 23-34 Voltios:

Paneles solares de las primeras Soyuz: se pueden ver las antenas de comunicaciones y telemetría.

Tras el accidente de la Soyuz 11, se decidió eliminar los paneles solares de la nave, confiando solamente en las baterías y ahorrando así masa útil. Puesto que el objetivo de estas naves era acoplarse a una estación espacial Salyut, podían recargar las baterías una vez conectadas con la estación. Sin embargo, si el acoplamiento no funcionaba (cosa que sucedió varias veces), la tripulación debía volver inmediatamente a la Tierra. Una excepción fueron las naves 7K-TM empleadas en el marco del proyecto Apolo-Soyuz, que incorporaban paneles solares:

Soyuz 19 (NASA).

Las Soyuz T, Soyuz TM y Soyuz TMA emplean paneles solares o SB (Солнечная батарея, СБ) de cuatro segmentos (10 m²) que ayudan a proporcionar una media de 0’6 kW y un voltaje de 23 ± 34 V. En estos paneles también se encuentran antenas de telemetría y comunicaciones. En concreto, durante la fase de vuelo orbital las comunicaciones VHF se realizan a través de las antenas ABM 272, ABM-275 y ABM-276. Estas dos últimas se encuentran en los extremos de los paneles solares. La ABM-272 está localizada en la parte trasera del PAO. Otra antena, la ABM-282, está situada en el faldón del AO y se emplea para la transmisión de telemetría.

Detalle de los paneles solares plegados en una Soyuz TM (Novosti Kosmonavtiki).

En esta imagen podemos apreciar cómo están plegados los paneles durante el lanzamiento (RKK Energía).

Módulo de propulsión en las primeras Soyuz:

Las primeras Soyuz (1-40) tenían un Módulo de propulsión radicalmente distinto al actual. El sistema DPO era diferente, contando con 14 motores de 10 kg de fuerza cada uno y 8 motores de 1 kg de fuerza. Contaba con un motor principal KTDU de 417 kg y uno de emergencia con 411 kg de fuerza. Las Soyuz 1-9 incorporaban una sección toroidal acoplada a la base del módulo con diverso equipo electrónico en su interior.

Esquema de un módulo de servicio de las Soyuz 1-9.

Detalle de la sección toroidal de las primeras Soyuz (1-9) y las toberas del motor principal y el de reserva.

Soyuz 19 en órbita. Se aprecian las toberas en el PAO (NASA).

Sistema de propulsión en las Soyuz antiguas. Se puede apreciar el sistema de control del módulo de descenso durante la reentrada (fuente de la imagen).

Esquema de la posición de los distintos motores DPO (NASA).

En este otro esquema perteneciente a la Soyuz 19 podemos apreciar mejor las distintas secciones del PAO:

Referencias:

• Soyuz (RussianSpaceWeb.com), Anatoly Zak.
• Soyuz, a universal spacecraft, Rex D. Hall y David J. Shayler (Springer-Praxis, 2003).
• Пилотируемые космические корабли «Союз», «Союз Т», «Союз ТМ»(www.buran.ru).
• ФОТОГАЛЕРЕЯ «Новостей Космонавтики».
• Kosmonavtka, Suzy McHale.
• RKK Energía.
• Roskosmos.
• NASA Human Spaceflight.
• Encyclopedia Astronautica (Soyuz, Soyuz T, Soyuz TM, Soyuz TMA), Mark Wade.
• Soyuz, NASA.