La cápsula Orión de la misión Artemisa I de la NASA amerizó el pasado domingo día 11 tras una misión totalmente exitosa. Con motivo del regreso de la nave, la NASA anunció que una de las novedades de la misión es que la cápsula había realizado por primera vez una reentrada atmosférica doble o skip reentry en inglés. El anuncio fue acogido por la comunidad espaciotrastornada con gran consternación, porque es a todas luces incorrecto. No en vano, las naves soviéticas Zond 6 y 7 del programa tripulado lunar 7K-L1 y las cápsulas de las sondas automáticas chinas Chang’e 5-T1 y Chang’e 5 realizaron en 1968, 1969, 2014 y 2020, respectivamente, este tipo de reentradas al regreso de la Luna. Pero la NASA, como suele ocurrir, se había olvidado del resto del mundo cuando realizó esa afirmación. En lo que estaban pensando era en el programa Apolo, pues en teoría, las misiones AS-202, el Apolo 8 y todas las misiones del Apolo 10 al 17 habían efectuado una reentrada doble. Un servidor también pensó inmediatamente en el programa Apolo cuando leyó el comunicado de la NASA. Pero, ¿realmente utilizó el Apolo una reentrada doble?

Bien, antes de seguir debemos repasar de forma somera cómo entra en la atmósfera una nave espacial. Un vehículo en órbita baja se mueve a una velocidad de 7-8 km/s. Al entrar en la atmósfera se produce una deceleración por el rozamiento atmosférico y el consiguiente calentamiento debido a la onda de choque que crea la nave (por este motivo las cápsulas tienen escudos romos, para mantener la onda de choque lo más alejada posible). Si una nave no hace nada, entra en la atmósfera como una bola de cañón y decimos que estamos ante una «reentrada balística». En este caso, y dependiendo de lo «empinado» de la trayectoria, la deceleración puede alcanzar un mínimo de 9-11 g, algo nada agradable para un ser humano. Podemos reducir esta deceleración con un ingenioso sistema: si el centro de gravedad de la cápsula no coincide con el eje de simetría —o si tenemos una nave con alas— se genera una pequeña fuerza de sustentación que nos permite reducir la aceleración sufrida y, lo que es más importante, podemos controlar con mucha más precisión la zona de descenso y reducir el error en el aterrizaje. Para ello, la cápsula debe ir dotada con propulsores que permitan ajustar el ángulo de giro de la cápsula y, de esta forma, modificar la sustentación para optimizar la reentrada. Las cápsulas Soyuz, Shenzhou, Crew Dragon o Starliner utilizan este sistema, que permite controlar la trayectoria y reducir la aceleración a unas «cómodas» 3 g.

Ahora bien, ¿qué pasa si venimos de la Luna u otro cuerpo del sistema solar? En este caso la reentrada tiene lugar a una velocidad mínima de 11 km/s (en el caso de las misiones lunares, y a pesar de lo que se suele decir, la velocidad es ligeramente menor, pero por poco). Una reentrada directa o balística a estas velocidades genera una aceleración mínima de unas 15 g, lo que no solamente es incómodo, sino potencialmente mortal para una persona. Por tanto, no queda otra opción que usar una reentrada controlada con sustentación. La aceleración se puede reducir todavía más si introducimos el concepto de (re)entrada doble, skip reentry o skipping reentry. De lo que se trata es que la nave rebote en la atmósfera como una piedra en un estanque. En la primera entrada la nave reduce su velocidad de 11 km/s a menos de 8 km/s, algo crítico si queremos que la cápsula no salga disparada a una órbita muy elíptica y que la tripulación muera al agotarse el oxígeno (los sistemas de soporte vital de las cápsulas son limitados), y luego vuelve a subir —«rebota»— para volver a descender en la atmósfera, ahora con una velocidad inferior a la orbital. Como ejemplo, en la misión Zond 6 la cápsula entró a casi 11 km/s y tras la primera reentrada redujo su velocidad a 7,6 km/s. Como una imagen —a veces— vale más que mil palabras, veamos la comparación del perfil de altitud entre una entrada desde la órbita baja y una entrada doble:

La desventaja de la reentrada doble es que su duración es mayor y, aunque la temperatura máxima soportada por el escudo es más baja que en el caso de una entrada balística, paradójicamente las cargas térmicas que debe soportar pueden ser mayores al tener que sufrir dos reentradas. La reentrada doble se usó, como comentamos al principio, en los años 60 por las naves soviéticas lunares Zond 6 (7K-L1 nº 12) y Zond 7 (7K-L1 nº 11) —naves Soyuz modificadas del programa 7K-L1— y, en este siglo, por las cápsulas de las sondas chinas lunares Chang’e 5-T1 y Chang’e 5. Curiosamente, a pesar de la diferencia espacio-temporal estas cuatro cápsulas tienen una forma idéntica, pues las Zond eran Soyuz modificadas y las cápsulas de las Chang’e son una versión a escala de la Shenzhou, a su vez basada en la Soyuz. La cápsula (SA) de la Soyuz tiene unas características aerodinámicas ligeramente inferiores a la del Módulo de Mando (CM) del Apolo (en términos técnicos decimos que su coeficiente sustentación/rozamiento, L/D, es más bajo), y en el pico de la segunda reentrada la cápsula estaba prácticamente fuera de la atmósfera y su posición se controlaba mediante propulsores.

Y, antes de meternos en materia con el Apolo, debemos abordar un problema de nomenclatura y es que no hay una definición precisa de reentrada doble. Como hemos señalado, la principal característica de este tipo de reentrada es que la cápsula vuelve a incrementar su altitud tras una fase inicial y que luego cae otra vez, con dos fases de máxima aceleración, frente a una entrada directa o balística, donde la altitud desciende continuamente y solo hay un periodo de máxima aceleración. Ahora bien, podemos añadir, como en el caso de las reentradas dobles de las Zond y Chang’e otra característica de estas reentradas, y es que deben tener una fase «fuera de la atmósfera» en la que el control de la cápsula no se puede llevar a cabo usando la fuerza de sustentación y solo podemos usar los propulsores. El problema es evidente: ¿cuál es límite de la atmósfera? Oficialmente, es la línea Kármán, a 100 kilómetros de altura, pero, como sabemos, se trata de un límite subjetivo y que varía en función de múltiples factores. En este punto, la opción más sencilla es olvidarnos de este límite y solo imponer la condición de que haya un periodo tras la primera reentrada en el que la cápsula debe controlar su posición con propulsores y no con fuerzas aerodinámicas. Esta fase exoatmosférica suele denominarse balística, pero para no confundirnos con una entrada balística directa en la atmósfera a veces se le denomina en la literatura como «fase Kepler». En general, cuanto más pronunciada sea la fase Kepler y, por tanto, más exagerada sea la doble reentrada, menor será la aceleración máxima sufrida por la cápsula. En este sentido, podemos definir una reentrada doble «corta» como aquella en la que el perfil de altitud tiene dos picos, pero la nave solo usa la sustentación atmosférica para controlar su trayectoria, mientras que una reentrada doble «larga» sería aquella en la que se recorre una distancia mucho mayor y en el segundo pico la nave debe orientarse usando propulsores.

Sabiendo todo esto, ¿entonces qué pasó con las misiones Apolo? La reentrada doble fue elegida como la técnica idónea para las misiones lunares Apolo y en la documentación suele aparecer como skip-out (re)entry, skip-out phase o skip-out trajectory, refiriéndose al hecho que la cápsula se eleva sobre la atmósfera. El ordenador del Módulo de Mando del Apolo incorporaba de hecho tres programas para gestionar la reentrada a velocidades lunares. Cuando el ordenador detectaba una aceleración de 0,05 g se activaba el Programa 64 (P64) de la primera fase de la reentrada. Tras pasar por un máximo de 6 g, el P64 maniobraba la cápsula en la atmósfera para mantener la aceleración a 4 g, evitando así que la nave pudiera rebotar hacia el exterior con una velocidad superior a la orbital (más de 7,8 km/s). Luego venía el P65, encargado de controlar la cápsula para que volviese a elevarse de cara al segundo pico de la reentrada. Si el ordenador sentía que durante la subida la aceleración bajaba por debajo de 0,2 g, entraba en juego el P66, que debía controlar la cápsula en la fase Kepler exoatmosférica con los propulsores del CM. Por último, al comenzar la segunda reentrada el ordenador cambiaba al P67, que controlaba la cápsula desde este momento hasta el amerizaje en el Pacífico (no debemos confundir estos programas con los homónimos que usaba el ordenador del Módulo Lunar durante el alunizaje).

Por tanto, efectivamente, las misiones lunares Apolo fueron diseñadas para llevar a cabo una reentrada doble. Pero, y este es el quid de la cuestión: ¿realmente la siguieron? Pues lo cierto es que no, pero con matices. A priori uno podría pensar que basta con revisar los datos del Apolo para responder a esta respuesta, pero las cosas son un poco más complicadas. Si definimos reentrada doble simplemente como aquella en la que la altitud se incrementa brevemente antes de volver a caer y que sufre dos periodos de máxima aceleración —reentrada doble corta—, entonces, algunas misiones lunares Apolo sí que realizaron una entrada doble. La clave es que no todas lo hicieron. Además, si definimos reentrada doble como aquella con un segundo pico fuera de la atmósfera —reentrada doble larga—, entonces claramente ninguna misión Apolo llevó a cabo una reentrada doble de este tipo (o sea, ninguna usó el P66). «Pero, ¿qué hay del Programa 66 del ordenador del CM? ¿Para qué lo pusieron si no lo usaron?» te puedes estar preguntando a estas alturas. El motivo es que en el Apolo la reentrada doble era sobre todo una manera de controlar la longitud de la trayectoria más que una forma de limitar la aceleración, así que los programas P65 y P66 solo se debían utilizar para alcanzar una distancia máxima de 4630 kilómetros, pero, atención, esta opción nunca se puso en práctica en el programa Apolo. Simplemente, la NASA consideró que el error en la trayectoria sería demasiado grande tras rebotar en la atmósfera y se prefirió controlar toda la entrada dentro de la atmósfera, una tarea más asequible para los ordenadores de entonces. No obstante, ciertas misiones sí que utilizaron el P65 para elevar la altitud y aumentar la distancia, aunque no abandonaron la fase atmosférica y el P67 entró en acción sin pasar por el P66. Es más, en la mayoría de misiones pasaron directamente del P64 al P67. En estos casos, estaríamos ante una reentrada controlada o sustentada, pero no sería una entrada doble corta.

El problema es que en la documentación oficial cuesta mucho averiguar qué misiones lunares Apolo emplearon el P65, que sería el criterio «suave» para hablar de reentrada doble corta y cuáles pasaron del P64 al P67 directamente. Y, ojo, porque una cosa son las previsiones antes del vuelo y otra los datos reales de cada misión, que podían diferir considerablemente. Por ejemplo, el Apolo 11 empleó el P65 para elevar su trayectoria y alargarla con el objetivo de evitar una tormenta que se había formado en el último momento sobre la zona inicialmente prevista para el amerizaje. Por eso el Apolo 11 experimentó dos picos de aceleración en la entrada, el primero de 6,5 g y el segundo de 6 g, lo que entra dentro del criterio de una entrada doble corta.

Entonces, ¿qué tiene de especial la reentrada de Artemisa I? Pues que se trata, con diferencia, de la primera reentrada doble larga de la NASA. Además, la cápsula utilizó las fuerzas aerodinámicas para ascender hasta las capas más altas de la atmósfera y seguir un segundo pico en el que usó los propulsores para controlar su posición. Por contra, las Zond 7K-L1 «atravesaban» la atmósfera en el primer pico antes de volver a caer, una técnica más simple de llevar a cabo con los ordenadores de la época. Gracias al uso de la técnica de la reentrada doble larga y a un control preciso de la trayectoria atmosférica, la cápsula Orión limitó la aceleración a 4 g, mientras que en el Apolo o las Zond llegaban a los 6 g. O sea, estamos ante la reentrada doble más compleja efectuada por una nave espacial capaz de llevar seres humanos, que es lo que debería haber dicho la NASA. El comunicado de la NASA tiene un error adicional y es que menciona que la cápsula Orión «salió de la atmósfera», pero el apogeo de Artemisa I en la reentrada fue de 90 kilómetros, por debajo de la línea Kármán (evidentemente, en realidad se refiere a que la cápsula debe controlar su actitud usando sus propulsores, o sea, que estaba en la fase Kepler de la entrada siguiendo el lenguaje del Apolo). En resumen, un comunicado un tanto confuso nos ha permitido aprender algo más sobre las reentradas del Apolo.

Referencias:

• https://www.nasa.gov/feature/orion-spacecraft-to-test-new-entry-technique-on-artemis-i-mission/
• https://nebula.esa.int/sites/default/files/neb_study/995/C21735ExS.pdf