Cómo acoplar una nave Soyuz con la ISS en seis horas

Por Daniel Marín, el 1 noviembre, 2012. Categoría(s): Astronáutica • ISS • Rusia • sondasesp • Soyuz ✎ 30

Actualización 3-11: la entrada ha sido revisada teniendo en cuenta los aportes de Alfredo M. Antón Sánchez (ver los comentarios).

La nave de carga Progress M-17M se acopló ayer con la estación espacial internacional (ISS) unas seis horas después de haber despegado, una maniobra que antes requería dos días. ¿Cómo ha sido posible reducir este tiempo?

Una nave Soyuz en órbita (NASA).

Viajar hasta la ISS no es fácil, así que para familiarizarse con los conceptos básicos de este tema es conveniente leer antes esta entrada. En cualquier caso, hasta ahora las naves tripuladas Soyuz y las naves de carga Progress usaban una técnica de aproximación a la ISS mediante cuatro encendidos principales para ahorrar combustible -y maximizar así la carga útil-, pero los dos días de duración de esta trayectoria resultaban ciertamente incómodos para los cosmonautas, que debían vivir codo con codo en el reducido espacio de la Soyuz. Una trayectoria directa en menos tiempo era posible, pero tiene sus dificultades.

El truco en cualquier aproximación orbital consiste en jugar con el plano orbital y la distancia angular -o fase- entre los dos vehículos de tal forma que cuando la nave alcance la órbita de la estación se encuentre con ésta. No se trata de algo sencillo. Las maniobras de cambio de plano son las más costosas desde el punto de vista energético, así que en principio están prohibidas. En realidad, podemos jugar con pequeños cambios de plano -del orden de medio grado- para ampliar el número y duración de las ventanas de lanzamiento. En cuanto al ángulo de fase, es esencial controlarlo para alcanzar nuestro objetivo. Para lograr un acoplamiento orbital se selecciona la fecha y hora de lanzamiento óptima de tal forma que el plano orbital de la estación pase justo sobre el cosmódromo. Esto ocurre dos veces al día, aunque no siempre se pueden aprovechar todas las oportunidades. Por otro lado, en función de cuánto tiempo estemos dispuestos a esperar para que se produzca el acoplamiento, elegiremos también el ángulo de fase adecuado dependiendo de la altura y periodo de nuestra órbita de transferencia.   

Ángulo de fase orbital entre una nave y su objetivo.

Para un acoplamiento directo en pocas horas, lo ideal es que el lanzamiento se produzca justo cuando la estación sobrevuela el cosmódromo. De este modo, en el momento que la nave alcance la órbita se encontrará en el mismo plano orbital y justo por detrás del objetivo. El problema es que esta técnica requiere un lanzamiento muy preciso, lo que limita seriamente la duración y el número de ventanas de lanzamiento. Para tener un mayor número de posibilidades podemos lanzar nuestra nave en un plano ligeramente distinto. No mucho, porque eso gastaría mucho combustible, pero sí del orden de 0,2º-0,5º. De este modo tendremos más ventanas de lanzamiento disponibles y no necesitaríamos lanzar nuestra nave justo cuando la estación pase por encima del cosmódromo.


En principio, el gasto de combustible en una misión de acoplamiento es independiente del tiempo que la nave permanece viajando hasta la estación, aunque por motivos obvios las naves tripuladas no pueden tener tiempos de transferencia muy elevados. Si queremos aprovechar al máximo el combustible y no gastar ni una gota en cambios de plano y además queremos tiempos de transferencia cortos, las opciones de ángulo de fase son mucho más limitadas, al igual que las ventanas de lanzamiento. Si por contra no nos importa el tiempo de vuelo -hasta cierto punto, claro- y no queremos gastar combustible en maniobras de cambio de plano, tenemos a nuestra disposición casi todas las ventanas de lanzamiento (una o dos al día en condiciones óptimas).

Para las primeras misiones espaciales soviéticas había que tener en cuenta además que la distancia entre la nave y el objetivo no fuese superior a los 25 kilómetros tras la inserción orbital, ya que éste era el alcance del sistema de acoplamiento automático Iglá (actualmente se emplea el sistema Kurs). Y, desgraciadamente, la probabilidad de que una Soyuz fuese situada en órbita a una distancia superior a los 25 kilómetros era de un 30%. La técnica de aproximación directa se efectuó durante varias misiones, como los acoplamientos Gémini-Agena norteamericanos o, en el caso de la URSS, el vuelo conjunto de la Vostok 3 y la Vostok 4 en 1962, así como el acoplamiento entre la Soyuz 2 y la Soyuz 3 en 1968. En estos casos se sacrificaba cierta cantidad de combustible para maniobras de cambio de plano.

Y es que en la práctica, lanzar justamente en el mismo plano orbital y realizar un acoplamiento en pocas horas no siempre es fácil conseguir (retrasos en el lanzamiento, rendimiento no óptimo del cohete, etc.), así que durante los primeros acoplamientos con estaciones soviéticas los dos vehículos -nave activa y objetivo- maniobraban conjuntamente. En las misiones tripuladas a las estaciones Salyut se realizaba el acoplamiento durante las primeras 24 horas tras el despegue. En estas misiones la nave tenía casi el mismo plano orbital que la estación y el ángulo de fase inicial entre la Soyuz y la Salyut era de 90º, con un margen de 15º. De esta forma, había una ventana de lanzamiento disponible cada dos o tres días (dependiendo de la altura de la estación).

Con la aparición de estaciones espaciales de gran tamaño como el Skylab, la Mir o la ISS se volvió poco práctico utilizar la capacidad de maniobra de las estaciones para ayudar en los acoplamientos. Para el programa Skylab, los norteamericanos introdujeron una técnica de acoplamiento en cinco órbitas muy parecida a la implementada ahora en las Soyuz y Progress. En este caso, el ángulo de fase inicial entre la nave Apolo y el Skylab era de 40º-50º. A la hora de lanzar una nave Apolo justo en el plano orbital del Skylab, el margen de error era relativamente pequeño. Afortunadamente, los norteamericanos contaban con la ventaja de poder lanzar una Apolo hacia el Skylab en dos ocasiones al día para los dos azimuts de lanzamiento posibles (ascendente y descendente), mientras que en la URSS el azimut de lanzamiento era fijo y sólo existía una oportunidad al día. Además, la nave Apolo -diseñada para el programa lunar- contaba con una capacidad de maniobra orbital muy superior a la de las Soyuz y se podían permitir el lujo de gastar mucho más combustible en maniobras de cambio de plano.

En los años 80 se introdujo en la URSS la técnica de acoplamiento en dos días para viajar a la Mir. Mediante este sistema las naves Soyuz y Progress debían gastar algo más de combustible en maniobras de cambio de plano (del orden de 0,5º), pero a cambio tenían una ventana de lanzamiento cada dos días aproximadamente. De acuerdo con este sistema, las Soyuz y Progress alcanzaban una órbita inicial circular u órbita de inserción en un plano inclinado unos 0,2º con respecto al de la estación. Por limitaciones técnicas de los lanzadores espaciales en general, la órbita de inserción es una órbita elíptica y demasiado baja (unos 220 km), por lo que suele ser propensa a una elevada tasa de frenado atmosférico. Para elevar la órbita, las Soyuz y Progress efectuaban un encendido del motor principal durante la tercera revolución -aproximadamente una hora después del despegue- para alcanzar una órbita de transferencia elíptica con un apogeo más elevado. Una hora más tarde, durante la cuarta revolución, encendían otra vez el motor para circularizar la órbita, alcanzando la llamada órbita de fase o de espera (ozhidanaia orbita). En ambos casos, la Delta-V de estos encendidos era de 20-40 m/s, parte de la cual se gastaba en el cambio de plano orbital. Un día tras el despegue se efectuaba el tercer encendido durante la órbita número 17 (con una Delta V de 1-3 m/s) para compensar el frenado atmosférico y los errores acumulados en la trayectoria.

Técnica de acoplamiento de una Soyuz o Progress con la ISS en dos días mediante cuatro encendidos principales (Murtazin et al.).

La técnica de acoplamiento en dos días. Las ‘zonas sordas’ son aquellas fueras del alcance de las estaciones rusas de seguimiento (Murtazin et al.).

La órbita de fase sirve, como su nombre indica, para eliminar el desfase angular inicial entre los dos vehículos. En teoría se podían tolerar desfases iniciales de cualquier magnitud simplemente alargando o reduciendo la permanencia en esta órbita, pero por motivos operativos, el ángulo de fase inicial debía mantenerse entre los 30º y los 240º, un rango ciertamente muy cómodo. Durante las revoluciones 32 y 33, la Soyuz y Progress efectuaban dos encendidos finales para alcanzar la ISS mediante una órbita de transferencia bielíptica: al final de la órbita 32 se llevaba a cabo un encendido y en la siguiente revolución otro más, de tal forma que la separación angular entre ambas igniciones fuese de 180º. De esta forma, la nave alcanzaba una órbita con un apogeo que coincide con el de la ISS y cuando llega a él, la estación está allí ‘esperándola’.

Los tres encendidos finales de la maniobra de acoplamiento de una Soyuz en detalle (RKK Energía).

El transbordador espacial -tan dado a sufrir retrasos en el despegue- usaba una técnica de aproximación de tres días en vez de dos, incluyendo maniobras de cambio de plano para permitir un mayor número de ventanas de lanzamiento. Por contra, otros vehículos de carga como el ATV europeo son lanzados justo en el plano (con una precisión del orden de 0,001º). En este caso, al tratarse de una nave tripulada no hay prisa por efectuar el acoplamiento y el ángulo de fase puede tomar muchos valores.

 Rango de ángulos de fase inicial óptimos según la duración de la misión de una Soyuz (Murtazin et al.).

Así que, volviendo a la pregunta original, ¿cómo podemos acoplar una Soyuz o una Progress en seis horas? Evidentemente, el lector que haya aguantado hasta aquí se habrá dado cuenta de que es necesario realizar un lanzamiento muy preciso justo en el plano orbital de la estación -si no queremos gastar mucho combustible- y con un ángulo de fase inicial muy pequeño. Esto reduce el número y duración de las ventanas de lanzamiento. Lo bueno es que los cohetes Soyuz son famosos por no sufrir ningún retraso significativo, pero lo malo es que la precisión en el periodo orbital de un cohete Soyuz-FG es de 22 segundos, suficiente para un acoplamiento en seis horas, pero no por mucho. Por suerte, las naves Soyuz y Progress se lanzarán dentro de unos años con el Soyuz 2, cuya precisión es de 2 segundos, así que existe la posibilidad de reducir aún más el tiempo de vuelo.

Nueva técnica de acoplamiento de una Soyuz en seis horas con los cuatro impulsos necesarios (Murtazin et al.).

Trayectoria de la Soyuz/Progress con respecto a la estación (la línea azul es para un acoplamiento de contingencia en un día) (Murtazin et al.).

Mediante el nuevo sistema, las Soyuz y Progress efectuarán cuatro encendidos para alcanzar la órbita de fase durante la primera y segunda revolución. El rango de ángulos de fase iniciales con esta técnica es de 24º-47º, mientras que el margen en la inclinación del plano orbital se reduce en un orden de magnitud (0,01º-0,02º en vez de 0,2º). De esta forma, es posible un acoplamiento durante la quinta órbita gastando la misma cantidad de combustible que en una misión de dos días, algo que sin duda agradecerán los cosmonautas que viajen a la ISS.

Después de que las Progress M-16M y la Progress M-17M hayan demostrado la viabilidad de esta técnica, la Soyuz TMA-08M con Pável Vinográdov, Aleksand Misurkin y Christopher Cassidy se convertirá el próximo marzo en la primera nave tripulada que se acople con la ISS en seis horas.

Este artículo ha sido posible gracias a Gabriel García Sagrario del blog Zemiorka y a él está dedicado.

Referencias:

  • Short profile for the human spacecraft Soyuz-TMA rendezvous mission to the ISS, Murtazin et al. (Acta Astronautica, 2010).
  • Short rendezvous missions for advanced Russian human spacecraft, Murtazin et al. (Acta Astronautica, 2012).
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30 Comentarios

  1. No sé, para naves de carga me parece bien que vayan experimentando con el acople rápido, pero para tripuladas, yo esperaría a tener listo el Soyuz-2. Con el actual hay poquitísimo margen de maniobra.

    Por cierto, ya que sale el tema, me gustaría que hicieras un artículo explicando las distintas órbitas y sus características. A veces veo por aquí cosas como LEO, GEO, órbita de transferencia, de inserción, etc., y aunque más o menos se entiende, a veces no me quedan claras algunas cosas.

  2. Soyuz-2? Eso si no se adelantan con un Dragón tripulado que aparezca de la nada… Habría que averiguar cuales son los tratados y acuerdos establecidos entre norteamericanos y rusos, especialmente en su duración.

  3. Este debereria ser el procedimiento desde el inicio. La idea es que las naves pequeñas como la Soyuz fueran como un automovil para ir sentados de un punto A al punto B en pocas horas, no vivir 2 o 3 dias en ese espacio reducido.

  4. Concuerdo, este tipo de cosas es lo que se necesita si queremos que algún día sea viable el turismo espacial, si es incómodo para un astronauta espacial no me quiero imaginar para un civil.

  5. Gracias Daniel, lo he entendido perfectamente, y eso que es un tema un poco árido el de las órbitas.

    Esta nueva trayectoria, ¿se utilizará tanto para las Soyuz como para las Progress? Es lógico que interese reducir el viaje de 2 días a dos horas para los astronautas, pero para una carga no tiene tanta importancia, y como decías al principio, el minimizar energía en el lanzamiento permite aumentar un poco la carga útil. Y por otro lado, la estación está bien abastecida y su tripulación no precisa de la Progress para cenar esa noche…

    1. Tiene razon con la de las Progress, no hace falta que lleguen en 6 horas, pero tenian que usar algo para la prueba y no me imagino arriesgando a una Soyuz sin haber ensayado la tecnica del encuentro de menos de 6 horas.

  6. Todos estos cambios es una reacción ante la próxima generacion de naves tripuladas USA, que tienen previsto realizar vuelo de poca horas hacia la ISS.

    Paso los mismos con el aumento de plazas de 2 a 3 tripulantes de la nave Soyuz por la entrada en servicio de la lanzadera espacial.

    1. No creo que la diferencia de 2 dias a 6 horas sea algo asi como para quitar a los EEUU la idea de usar a la Dragon “made in USA”. y lo de la Soyuz de 2 y 3 puestos ya viene de la decada de 1960. Las Soyuz se diseñaron para 3 hombres pero luego del accidente de la Soyuz 11 en 1971 se redujo a 2 tripulantes para que entraran con un traje presurizado. Luego en 1981 se vuelve a la configuracion de 3 tripulantes, pero nada que ver con la puesta en servicio del elefante blanco del Space Shuttle.

    2. La principal razón para este cambio es que al aumentar la duración de las misiones en la ISS de 6 meses a 1 año, se dispondrá de una plaza extra (la cosa es compleja, Dani lo explica mucho mejor de como yo podría en este post http://danielmarin.blogspot.com.es/2012/10/misiones-de-un-ano-en-la-iss.html ), y quieren que la plaza sea para “turistas”, lo de pasarse días en una cabina de teléfono, no mola mucho. No creo que tenga que ver con lo de las naves americanas porque de momento no tienen previsto llevar turistas a la ISS. Aunque si los rusos lo hacen, por qué ellos no?

    3. Ya, fue casualidad que la versión de 3 plazas volviera a volar el mismo año que volara por primera vez Space Shuttle,

      No lo hacen para quitar las ganas a los EEUU, si no para vender mejor las plazas de la Soyuz a futuro turistas espacial, que cuanto mas cómodo mejor.

    4. No tuvo nada que ver la vuelta a las 3 plazas de la Soyus con el primer vuelo del Space Shuttle. La tercera plaza implicó volver a la idea original una vez introducidas las modificaciones que permitieron que 3 cosmonautas pudieran viajar con sus trajes espaciales. La NASA y la agencia espacial soviética por esos años tenían planes paralelos e inconexos. A la URSS le interesaba volver a las 3 plazas para utilizar mas eficientemente a las estaciones espaciales del momento (Salyut-6 y Salyut-7). No había estación internacional ni turismo espacial en esos años.

      Gabriel

    5. Yo creo que la respuesta soviética al transbordador fue el Burán, que hubiesen 2 o 3 tripulantes en las Soyuz… tampoco le importaba a nadie. Oficialmente las soyuz siempre tuvieron capacidad para 3 tripulantes (otra cosa es que con trajes cupiesen) , pero solo las usaban con 2.

    6. Lo curioso es que nadie ha comparado la soyuz con el transbordador en ningún momento. He releido todos los comentarios de este hilo y ninguno puede malentenderse de semejante modo…

      a que ha venido eso??

    7. “Como nave espacial, en todos los aspectos, el trasbordador fue muy superior.” Trasbordador = 14 muertos. O sea la nave mas mortífera de la historia astronautica.

      Gabriel

    8. Debo reconocer, que la imagen inicial que me trasmite la tecnologia espacial sovietica es , por decirlo de alguna manera, una chapuza. Se ve anticuada, como atascada en otra epoca, un vintage espacial. Ademas la representacion grafica con esos esquemas monocromaticos en gris ….me recuerda los libros de analisis matematico de los setenta. Pero puedo asegurar que no es rusofobia…pues de hecho las rubias rusas si me gustan!!!

    9. jaja, si, soy sospechoso. Pero tú es que eres un facha mariconazo como la copa de un pino. Seguro que eres de los que le empuja la caquita a Rajoy, ¿eh fachilla? Anda, y vete a masturbarte con Intereconomía, que es lo que le pone a los fascistillas gays con micropene como tu.

  7. Dragón tripulada? Por ahora está muy verde la fruta. Además, esperemos que sea mas segura que el transbordador.

    Por otra parte, que tan costoso puede ser desarrollar una Soyus “anabolizada” que permita utilizar la mayor potencia del cohete Soyus 2.1b? Al fin y al cabo la cápsula de reingreso de la Shenzhou fue prácticamente diseñada en Rusia. Una cápsula de esas dimensiones y un módulo orbital mayor permitirían reducir el hacinamiento del los astronautas en el viaje a la estación.

    Gabriel

  8. Dani a mi me sorprendió que los acoplamientos ‘cortos’ se hicieran en los primeros momentos de la era espacial. Se requería una gran presición que se logro en esos momentos pioneros. Incluso en el caso de la Vostok 3 y 4 que no fueron siquiera misiones de acoplamiento, implicó una gran osadía tecnológica su realización.

    Otro aspecto por el cual es necesario este perfil de acoplamiento es en caso de accidente de algún miembro de la ISS y la necesidad de evacuación o rescate de alguno de sus miembros. ¿Hay naves Soyuz preparadas para esta eventualidad?

    Lo último, y lo no menos importante: gracias amigo por la dedicatoria, muchas gracias Dani, sos un gigante!

    1. No existen naves Soyuz de rescate, se fabrican , preparan y lanzan con un “timeline” estandar; si alguna sufre un percance en Tierra el lanzamiento se retrasa , si es en órbita ..a esperar!!!.

    2. Bueno, esto no es exactamente así. RKK Energía se ha comprometido con Roscosmos a tener lista una Soyuz en caso de que ocurra algún problema durante el procesado de la nave. A raíz del incidente con la Soyuz TMA-04M Roscosmos ha vuelto a insistir en esta necesidad.

      @Gabriel: y vos sos un capo 🙂

  9. Si tuvieran que evacuar ya tienen una Soyuz preparada, la misma con la que llegaron a la ISS.
    P.D. el acoplamiento en 6 horas lo agradecerán los cosmonautas porque dos días en una Soyuz debe de ser un sufrimiento, aunque todo sea por llegar a la ISS.

  10. Buenas! Una vez más enhorabuena por el blog y la entrada. La explicación no es del todo correcta.
    En ningún momento has hablado del plano de la órbita, que es el principal problema, y viene de que hacer maniobras para el cambio de plano son muy costosas en términos de combustible.
    Voy a intentar explicarlo, no es fácil.

    Toda la teoría del “phasing” viene dado porque quieres lanzar en el mismo plano, para no consumir demasiado, lo que sólo ocurre una o dos veces al día, cuando la rotación de la tierra hace que pases justo por el plano de la órbita de la ISS. Esto lleva a que te tienes que posicionar en una órbita intermedia, para alcanzar a la ISS (al ir más bajo corres más).

    Como bien dices, dependiendo del ángulo de fase y del tiempo que te permitas, podrás lanzar o no. En cualquier caso, si liberas el tiempo, todas las estrategias con diferentes ángulos de fase costarán prácticamente lo mismo en consumo de combustible (salvo por las pequeñas pérdidas que provoca el rozamiento con la atmósfera).

    Qué ocurre si te permites hacer maniobras fuera del plano, pues que puedes optar por lanzar cuando el plano de la órbita de la ISS no coincida con tu punto de lanzamiento, pudiendo entonces “jugar” con la posición de la ISS y hacer phasings más cortos, a costa, por supuesto, de aumentar el consumo de combustible.

    Por cierto, nada tiene que ver la precisión del lanzamiento con el phasing, lo puedes corregir con las maniobras ajustando tu altura de deriva. El principal problema de la precisión de lanzamiento está en si quieres ir sin hacer maniobras fuera de plano, en cuyo caso, sólo tendrás dos (o uno dependiendo de la latitud) precisos momentos a lo largo del día en los cuales podrás lanzar, como ya he comentado, cuando el plano de la órbita pase por el punto de lanzamiento. Si permites fuera de plano, como hacen las Soyuz, el margen crece, dispondrías de cierto margen y podrías jugar con la estrategia de phasing (altura de la órbita de phasing). Claro está que si quieres hacerla en 6 horas, más te vale no equivocarte mucho, más que nada, porque no tienes duración del phasing suficiente como para poder jugar con la altitud para atrapar el error.

    No sé si he conseguido explicarme con claridad, te propongo, si quieres, podemos revisar la entrada…

    Saludos

    1. Antón,

      una cosa que no entiendo. ¿Por qué dices que la Soyuz se lanza fuera de plano?

      En todos los últimos lanzamientos de los que tengo constancia, el plano orbital de la Soyuz es el mismo que el de la ISS, con una diferencia de unos 0,2º, lo normal en un lanzamiento.

      Si eso, mándame un mail y hablamos.

      Gracias por leerme.

    2. Ups, lo siento, no leí lo del otro artículo, que por cierto está muy completo. En cualquier caso, tengo la sensación de que faltaría relacionar los dos.

      0.2 grados es “fuera de plano” aunque parezca mentira :-), para corregirlo necesitas, si no me he patinado haciendo un cálculo rápido, casi 28 m/s, es una barbaridad!! el cálculo es sencillo, para cambiar tu vector velocidad de 7-8 km/s en 0.2 grados haciendo una maniobra en “perpendicular” a ese vector.

      Creo que las spec ATV son algo así como 0.001 grados, tendría que confirmar, nominalmente, se calcula para reducir a 0 m/s fuera de plano. Para que te hagas una idea, en esto se tiene en cuenta la duración del phasing y la deriva de plano que producen términos perturbadores del potencial y terceros cuerpos, es decir, no lanzamos exactamente en el mismo plano, si no que lo hacemos justo al ladito, para llegar en el plano correcto. 😉 Luego en la vida real, el lanzador no te deja exactamente, pero vamos, Ariane, es muy preciso, y rara vez tenemos que corregir más 1 m/s fuera de plano, si no recuerdo mal.

      Con la deriva del plano a más de 4 grados (5e-5 deg/s) por día (ascensión recta), una estrategia que te permita un phasing de 6h no debe producirse muchas veces, tendría que ver como se acopla eso con el periodo de la ISS y el margen de 0.2 que me estás comentando.

      El ATV podría lanzarse todos los días, ya que libera el tiempo de phasing a la estación (es lo que hace no tener tripulantes), y con un consumo de combustible óptimo. Sin embargo las exigencias para el lanzamiento las impone el rendezvous, que tiene que hacerse bajo unas condiciones concretas de ángulo solar por cuestiones de potencia de la ISS.

      Gracias por la respuesta, me está bien empleado por leer las cosas en diagonal.

      Creo que en lengua castellana tienes el blog científico de mayor rigor y mejor explicado, sobretodo porque dispones de unas fuentes increíbles. Sólo, que al menos en el dominio de la dinámica espacial, creo que puedo colaborar y matizar algunas de tus explicaciones.

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Por Daniel Marín, publicado el 1 noviembre, 2012
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