Regreso de la Soyuz TMA-14 (Expedición 20)

Hoy día 11 de octubre a las 4:32 UTC (6:32 hora peninsular y sólo un minuto más tarde de lo inicialmente planeado) la cápsula Soyuz TMA-14 aterrizó en Kazajistán con Guennadi Padalka (comandante de la Expedición 20 y la Soyuz TMA-14), Michael Barratt (ingeniero de vuelo de la Expedición 20 y la Soyuz TMA-14) y el turista canadiense Guy Laliberté. La Expedición 20 le pasa así el relevo a la Expedición 21, cuyo comandante es -por primera vez- el europeo Frank De Winne.


Tripulación de la Soyuz TMA-14 durante el regreso (NASA TV).

La nave Soyuz TMA-14 despegó el pasado 26 de marzo y se acopló dos días después al puerto trasero del módulo Zvezdá. El 3 de julio se acopló al módulo Pirs, donde ha permanecido hasta la actualidad. Padalka y Barratt han permanecido en la ISS un total de 197 días, mientras que Guy Laliberté sólo nueve (más dos días a bordo de la Soyuz). Desde el acoplamiento de la Soyuz TMA-16 el pasado 2 de octubre, hemos podido contemplar por primera vez tres naves Soyuz en el espacio. No obstante, esta configuración no es la idónea para las operaciones de la ISS, ya que actualmente sólo hay tres puertos de atraque en el sector ruso de la ISS. Con tres Soyuz, esto significa que una de ellas debe ocupar el puerto de atraque trasero del Zvezdá, lo que implica que en caso de emergencia (evitar colisiones con basura espacial), el encendido de propulsión para cambiar la órbita de la ISS debe hacerse usando los motores de la Soyuz en vez de los del propio módulo o una nave Progress M. El próximo lanzamiento del módulo Poisk (MIM-2) ampliará el número de puertos disponibles a cuatro y evitará este problema.

Fases de la reentrada de una Soyuz TMA:

Veamos en detalle cómo se produce la separación y reentrada de una nave Soyuz:


Partes de una Soyuz: BO (módulo orbital), SA (cápsula) y PAO (módulo de propulsión) (NASA/RKK Energía).



Trayectoria de regreso de la Soyuz TMA-14 (TsUP/NASA TV).

  • T+0 horas: comienza la maniobra de separación de la Soyuz TMA-14 al hacerse el vacío entre las escotillas de la nave y la ISS. Se retiran los 8 grupos de ganchos activos de la estación en el anillo de la escotilla y después se retiran los ganchos de la Soyuz (sistema MGS). Además del traje de presión Sokol KV-2, la tripulación lleva unos pantalones anti-g Kentavr para hacer más llevadera la reentrada. Para prepararse de cara al regreso a la gravedad terrestre, los cosmonautas toman unas pastillas con electrolitos antes de la partida.


El anillo de la escotilla de una Soyuz TMA donde podemos ver los ganchos del sistema MGS en una Soyuz TMA (NASA).


Detalle de los pestillos del sistema MGS y MGK. Se aprecia el gancho activo y el pasivo en cada pestillo (RKK Energía).

  • T+3 min: separación de la Soyuz TMA-14 del módulo Pirs a 0,15 m/s, gracias a la acción de muelles en el anillo de la escotilla.


Separación de una Soyuz TMA de la ISS (NASA).

  • T+6 min: cuando la Soyuz se encuentra a 20 metros, se encienden los motores de maniobra DPO durante 15 segundos (unos 0,5 m/s) para alejar la nave de la ISS y no dañar así los paneles solares u otras estructuras de la estación. La Soyuz 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 TMA en 16 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. 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).


Encendido de los motores a 20 metros de la ISS (NASA).



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.

  • T+2 horas, 29 min: encendido de frenado a 362 km de altura durante 4 minutos y 21 segundos para efectuar la reentrada usando el motor principal SKD del sistema KTDU (o KDU, Комбинированная Двигательная Установка, КДУ, “Instalación Propulsora Combinada”). En la Soyuz TMA el motor es el KTDU-80 y tiene un empuje de 316 kgf. Este motor se puede encender un total de 40 veces. Su impulso específico 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. El impulso de frenado depende de la órbita de la Soyuz: a mayor altura, mayor impulso. Por lo general, el valor de la Delta-V es de 89,6 m/s para órbitas de 200-300 km de altura o 102,4 m/s para 300-330 km (para alturas mayores la Delta-V debe ser de 115,2 m/s). La Soyuz se separa de la ISS normalmente 1,5 órbitas (unas dos horas) antes del encendido. La duración exacta del encendido depende de la masa de la nave, algo que varía en cada misión, pero no suele exceder los 260 segundos.


Encendido de frenado del KTDU-80 (NASA).


Esquema del PAO.

  • T+2 h, 57 min: separación de los tres módulos de la nave. Los módulos se separan unos 22,5 minutos tras el encendido (20,5 minutos para la TMA-14) -un cuarto de órbita-, a unos 140 km de altitud y gracias a doce pernos explosivos en el BO y cinco en el PAO (más cinco muelles en este último). La separación se produce con la nave en posición perpendicular a la dirección de avance, con el módulo orbital apuntando a la Tierra. De este modo las tres partes de la Soyuz siguen trayectorias de entrada distintas y se elimina cualquier posibilidad de que colisionen con el SA. La velocidad de separación de los módulos respecto de la cápsula es de 0,58 m/s para el PAO y 0,82 m/s para el BO (el BO es más ligero que el PAO). Al no estar protegidos por un escudo térmico, el BO y el PAO se destruyen en la atmósfera a una altura de 70-75 km. Sus restos caen en un área de 1030 x 68 km a unos 800 km por detrás (según el sentido de la órbita) del lugar del aterrizaje del SA (400 km en el caso de una entrada balística). El tiempo transcurrido entre la separación de los módulos y el aterrizaje es de unos 20 minutos bastante intensos. Durante esta fase, las comunicaciones con la nave se realizan a través de la antena ABM-273, integrada en el anillo de la escotilla de entrada. Es en este momento cuando la cubierta de protección térmica que rodea la cápsula (EBTI) se desprende como los pétalos de una flor. Aunque la separación de los módulos se produce después del encendido de frenado, la tripulación tiene la posibilidad de liberar el módulo orbital antes en caso de emergencia. Las primeras Soyuz TM siguieron este procedimiento, que permite aumentar la masa útil del vehículo, pues el motor principal SKD del sistema KDU debe frenar una masa menor. Sin embargo, en 1988 la Soyuz TM-5 no pudo encender el motor tras haberse desprendido del BO. Puesto que en este módulo se hallan parte de los sistemas de soporte vital y víveres, el tiempo que la tripulación puede permanecer en órbita sin un BO es muy limitado. Aunque al final la Soyuz TM-5 logró regresar, el susto provocó que se volviese a la antigua costumbre de separar los módulos tras el frenado.


Recreación no muy precisa de la separación de los tres módulos de una Soyuz antes de la reentrada (NASA).

  • T+3 h: comienzo de la reentrada a 100 km de altura. La fase de entrada atmosférica propiamente dicha tiene lugar entre los 80 km y los 10 km de altura, con una duración de 450-500 segundos, y finaliza cuando se abre el paracaídas principal, OSP (ОСП). La cápsula entra en la atmósfera con una inclinación inicial de unos 1,35º. A unos 38 km de altura se produce la máxima deceleración. Gracias a la forma de la nave y a la posición de su centro de gravedad, ésta siempre se orientará con el escudo térmico por delante sin necesidad de ningún control activo. Durante una reentrada controlada o AUS, el ordenador de abordo utiliza el sistema SIO-S (Sistema de Control a Reacción del Descenso), formado por 8 pequeños motores de peróxido de hidrógeno de 10 kgf cada uno, para mantener la cápsula en la trayectoria óptima de acuerdo con el plan de entrada preestablecido. Los micromotores se denominan URMD ( Управляющие реактивные микродвигатели, УРМД) y generan empuje expulsando vapor de agua y oxígeno, que son los productos de la reacción del peróxido de hidrógeno con un agente catalizador. Cuando la cápsula se encuentra en la atmósfera colgando del paracaídas y el escudo térmico se ha desprendido, el sistema SIO-S ya ha cumplido su función, por lo que se abren todas las válvulas para eliminar el peróxido restante (el SA almacena unos 30 kg). Durante la reentrada, el ordenador (BTsVK) se apoya además en los datos de los sensores de velocidad angular (BDUS), acelerómetros (BSA) y el giróscopo (SG). Conjuntamente con el SIO-S, todos estos sistemas integran el Sistema de Control durante el Descenso (SUS). El sistema SIO-S sólo se activa tras la separación de los módulos de la Soyuz. En esta fase, los ángulos de cabeceo y guiñada permanecen fijos y el ordenador se encarga de controlar el ángulo de giro para aumentar o disminuir la sustentación de la cápsula para permanecer así dentro de la ruta de descenso. También es posible una reentrada controlada de forma manual (RUS), aunque suele ser menos precisa que una automática. Si una reentrada controlada, tanto AUS como RUS, no es posible, la nave entra automáticamente y de forma irreversible en modo de Descenso Balístico o BS (Баллистический Спуск, БС). Esto es lo que ha ocurrido con las Soyuz TMA-1, TMA-10 y TMA-11. Es importante destacar que el descenso balístico no es en sí mismo una “emergencia”, sino un modo de entrada que permite que los astronautas sobrevivan aunque se haya producido algún incidente que impida el control activo de la cápsula. De hecho, es perfectamente posible seleccionar de antemano un descenso balístico si así se desea. Durante este tipo de reentrada la cápsula gira sobre si misma a una velocidad de 12,5º por segundo y el ordenador de abordo amortigua cualquier otro movimiento lateral. De este modo se pierde la sustentación generada por el centro de masas desplazado, pero a cambio las cargas térmicas, más elevadas que en el caso de una entrada normal, se distribuyen de forma más homogénea. Si el descenso balístico nominal tampoco es posible, se activa el Descenso Balístico de Reserva o BSR (Баллистический Спуск Резервный, БСР). En este caso la velocidad de giro es de 18º/s, ya que se presupone que el ordenador es incapaz de amortiguar movimientos laterales. En cualquier caso, la zona de aterrizaje quedará situada a unos 400 km por detrás de la planeada.


Reentrada del SA (NASA).



Esquema de los propulsores del sistema SIO-S (NASA).


Ilustración del funcionamiento del sistema SIO-S en una Soyuz antigua (Fly me to the Moon).


El interior del SA de una Soyuz TM en detalle (NASA).

Vista de la fase de reentrada a través de una escotilla de la Soyuz. Imagen tomada por Roberto Vittori (ESA).

  • T+3 h, 8 min: cargas pirotécnicas liberan la cubierta del paracaídas y se produce la apertura del paracaídas piloto VP (Вытажной Парашют, ВП) a 10 km de altura -formado en realidad por dos pequeños paracaídas-, el cual arrastra a su vez al paracaídas de frenado TP (Тормозной Парашют, ТП). Éste reduce la velocidad de descenso de 230 m/s a 90 m/s.


Esquema de un SA donde destacan las cubiertas del paracaídas de emergencia (a la izquierda), el principal (en el centro) y la de la antena ABM-279 (Fly me to the Moon).


Cubierta del paracaídas en una Soyuz en construcción. El hueco inferior corresponde al depósito de peróxido de hidrógeno para el sistema SIO-S (www.buran.ru).

  • T+3 h, 12 min: apertura del paracaídas principal OSP (Основная Парашютная Система, ОСП) a 8,5 km de altura. Se desprende el paracaídas de frenado y se despliega el paracaídas principal, el cual permite que la cápsula adquiera una velocidad de descenso de 6-7 m/s. Durante esta fase, las comunicaciones con la cápsula se realizan gracias a la antena ABM-264, que se halla integrada en las cuerdas del paracaídas. Durante el descenso el SA cuelga de forma asimétrica de los cables del paracaídas principal formando un ángulo de 30º, lo que ayuda a enfriar el vehículo. A 5,5 km de altura se disparan pequeñas cargas pirotécnicas que mueven el conjunto de cables de sujeción a través de guías en el fuselaje de la nave, permitiendo que la cápsula quede suspendida de forma simétrica. También se desprenden las cubiertas de las dos ventanas del SA, de forma que se pueda ver el exterior. Las primeras versiones de la Soyuz no tenían estas cubiertas y la tripulación apenas podía vislumbrar nada a través de las ventanas ennegrecidas por la reentrada. Justo en este momento se arman los amortiguadores de los tres asientos Kazbek-U, de modo que los cosmonautas quedan en una posición más próxima al panel de instrumentos. A esta misma altura se desprende el escudo térmico de ablación, dejando expuestos seis pequeños cohetes de combustible sólido (DMP).


Detalle del paracaídas de la Soyuz TMA-14 (NASA).

  • T+3 h, 23 min: aterrizaje. Los DMP frenan la velocidad de la nave hasta los 2 m/s. Estos cohetes se encienden a 0,8 m de altura 2 segundos antes del aterrizaje y, dependiendo de la velocidad de la nave, se activarán solamente cuatro (lo normal) o seis. El encendido se produce gracias a un altímetro de rayos gamma (GLV) situado cerca de los retrocohetes. La nave transporta una pequeña cantidad de cesio como parte de este instrumento, por lo que siempre se comprueba que no haya ninguna fuga radiactiva tras un aterrizaje.


Aterrizaje de la Soyuz TMA-14. Se aprecia el efecto de los retrocohetes DMP (NASA).



Vista trasera de una Soyuz TMA donde se aprecian los seis cohetes DMP (NASA).


Detalle de un motor de combustible sólido de frenado (DMP) de la Soyuz.

Una vez en tierra se activa el sistema de ventilación (la nave ya no depende de sus reservas de oxígeno) y tras esperar unos segundos para asegurarse de que se encuentra en terreno firme, el comandante activa la desconexión pirotécnica de una de las dos cuerdas de sujeción del paracaídas para evitar el arrastre de la cápsula en condiciones de vientos fuertes. Normalmente la cápsula suele rodar unos metros y quedar en posición lateral, aunque es posible que quede situada verticalmente. Una vez la cápsula está estable, se desprende el paracaídas totalmente si el comandante lo estima oportuno.

La Soyuz cuenta con un paracaídas de reserva (ZSP), más pequeño que el principal, que se activa de forma automática a los 6,5 – 5,5 km de altura si la velocidad de descenso es mayor de 18 m/s. El ZSP garantiza una velocidad final antes del encendido de los retrocohetes de 10 m/s. Además, el SA está preparado para un posible amerizaje.

Unos pocos minutos después de que la cápsula se haya detenido sobre el suelo, se despliega pirotécnicamente la antena ABM-279 (onda corta y VHF), situada en la parte delantera. En la parte trasera, la nave cuenta con tres antenas ABM-274 (VHF). Si la cápsula ha quedado en posición horizontal, se despliega la antena que esté situada en la parte superior. Si la ABM-279 se ha desplegado a ras de suelo, la tripulación deberá instalar manualmente una antena de onda corta para comunicaciones. Estas antenas permiten la localización de la Soyuz por parte del equipo de rescate. La escotilla de la cápsula sólo puede abrirse desde dentro por la tripulación. Si ésta se halla impedida por cualquier motivo, el equipo de rescate puede coger una de las tres “llaves” que se encuentran en la parte trasera del vehículo para abrir la escotilla.


La tripulación de la TMA-14 en casa (NASA).

Vídeo de la ceremonia de cerrado de escotillas:

Vídeo de la separación de la Soyuz TMA-14:

Vídeo del aterrizaje:



5 Comentarios

  1. Lo has “bordao” como otras veces. Muy completo y didáctico.

    Varias preguntas inevitables:

    -¿Agua oxigenada ,con un catalizador, para alimentar los rectores que regulan la trayectoria óptima de descenso de la cápsula?

    ¿Que reaccion es esa que con 30 kg de peróxido tiene suficiente para poder modificar la trayectoria de reentrada sin peligro de incendio o inflamación-supongo-extra de gases en expansión? ¿Cual es catalizador?

    -¿Por qué se encienden lo DMP a 0.8 m de altura y no antes o después?
    Encima lleva 6 unidades de las que normalmente funcionan solo cuatro.
    Me parece algo un poco exagerado. Si lo que se busca es un frenado final para evitar un impacto.
    ¿No tienen el paracaidas “que te cagas”?

    Si no llevasen ese dispositivo ¿haría falta el artiulgio de cesio del altímetro ganma?. ¿? Y no exitiria el peligro potencial de cierta radiactividad. ¿O el altímetro ganma cumple otras funciones durante toda la reentrada?

    Una nota final, agradeciendo ,nuevamente, tu dedicación altruista y correcta en el blog.

    He visto que firmas fotos con indicaciones técnicas y didácticas. Me parece bien si las has editado tu. Pero me surje una pregunta inadecuada.
    ¿Has tenido algún problema en tus fotos editadas anteriores?
    ¿Ha considerado alguien tu trabajo como suyo?
    Pura curiosidad que siempre me llena con interrogantes y dudas.

    Un saludo sincero como siempre.
    Humm
    En lugar de con un saludo “vulcaniano” te saludaré con mi ecuación favorita:
    F=m.g
    Bienvenidos a la tierra.

    Existe otra acepción de F=m.g que tiene que ver con la palabra “pesado”. 😉

    Posdata: ¿El payaso tiene mala cara? ¿Tan incómoda es la reentrada?
    Llevan a los cosmonautas,astronautas,”cielonautas”etc(según el pais pasa lo de siempre) a una casa prefabricada naranja. ¿Un centro médico?¿Están cagados?(esto lo sabe todo el mundo y si no lo haces te mueres)¿tienen que pasar una cuarentena?

    Huff. Te dejo. Es tarde de nuevo.

  2. Hola Constantino: el sistema SIO-S de la cápsula NO sirve para cambiar la órbita de la nave. Para eso hay que usar un motor mucho más potente, el KTDU del módulo de propulsión (con combustibles hipergólicos). Lo único que hacen los propulsores a base de agua oxigenada del SIO-S es cambiar la posición de la cápsula (movimientos rotacionales) respecto a la dirección de avance. De este modo se consigue una pequeña sustentación que minimiza las g’s durante el descenso.

    La composición exacta del catalizador para descomponer el peróxido es secreta (copyright de RKK Energía), pero debe ser muy similar a los miles de sistemas que se emplean en todo el mundo. El agua oxigenada es una sustancia que reacciona muy fácilmente (la reacción de descomposición tiene una entalpía muy negativa).

    El uso de los DMP a esa altura se debe a que su tiempo de funcionamiento es de sólo dos segundos, así que se intenta maximizar su eficacia.

    Se usan sólo cuatro DMPs porque el empleo de los seis está reservado al caso que haya usar el paracaídas de emergencia o haya mucho viento.

    Efectivamente, se podría usar un paracaídas más grande y no usar DMPs, pero la penalización en masa es mayor.

    Si no llevasen DMPs no existiría necesidad del altímetro de rayos gamma. Y sí, existe peligro de contaminación si uno se acerca mucho a la parte trasera de la cápsula. Por eso el equipo de rescate acota la zona nada más llegar.

    En cuanto a las fotos, son propiedad pública de la NASA/Roskosmos. Pongo la dirección de mi blog en algunas de ellas sin reclamar ningún copyright, faltaría más 😉

    La tienda naranja es efectivamente un centro médico de campaña y, sí, los astronautas suelen tener mala cara cuando llegan (normal tras varios meses en gravedad cero), aunque como son “tipos duros” disimulan y sonríen (esto último a veces de forma no muy convincente).

    Saludos.

  3. Hola Daniel

    Estás bárbaro con el blog, hace dos años te sigo (aunque nunca le doy al Concurso Eureka) y la calidad de tus artículos mejora cada vez más, sin mencionar que publicas con una frecuencia inusitada. Sigue así hombre.

    Oye, y con ánimo de ayudar, una pequeña observación, lejos del tema de fondo: has escrito “haya” por “halla” en el artículo sobre el retorno de la Soyuz TMA-14 por lo menos 4 veces, ya pareces limeño hombre.

    Saludos.

  4. ¡¡¡EXPECTACULAR!!!

    Acabo de descubrir tu blog y me pregunto ¿cómo de mal he estado usando google para no encontrarlo antes?
    Como apasionado de la cosmonaútica soviética no puedo más que aplaudir y agradecer esta pedazo de entrada. Fantástico, genial, perfecto… me encanta. Y además en español.

    Creo que me quedan muchas horas por delante husmeando en tus archivos…

    Un saludo, Jorge

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 11 octubre, 2009
Categoría(s): ✓ Astronáutica • ISS • NASA • Rusia • Soyuz