¿Cómo se calculan los detalles para el lanzamiento de un vehículo espacial?

Las técnicas de navegación espacial son herederas directas de la rama más clásica de la astronomía, la mecánica celeste. Se emplean en ella, por tanto, los mismos métodos de cálculo que durante siglos se fueron refinando y permitieron precisar con todo de detalle la trayectoria de los planetas conocidos. O, incluso, descubrir uno nuevo, como sucedió en el caso de Neptuno.

Con este fin hay que conocer con mucha precisión las posiciones, movimientos y tamaños de los objetos celestes implicados. Al aplicar las técnicas de la mecánica celeste se puede determinar qué trayectoria debe seguir una sonda espacial para llegar a su destino. Normalmente hay varios resultados posibles, compatibles con la potencia del cohete que se va a usar. Cada solución viable lleva implícita una ventana de lanzamiento del vehículo espacial, es decir, un intervalo de tiempo durante el cual hay que proceder al despegue. Si se hiciera en otro instante, resultaría imposible alcanzar la trayectoria deseada.

Ventana de lanzamiento a una estación espacial

El ejemplo quizá más claro de ventana de lanzamiento es el que afecta a los vuelos tripulados que tienen como destino una estación espacial. Las órbitas de los satélites artificiales son elipses contenidas en planos que se mantienen bastante fijos. Además, una vez que un aparato se sitúa en un plano concreto, resulta costosísimo, si no imposible, alterar ese plano de movimiento con posterioridad.

Por eso, si una nave pretende acoplarse con una estación espacial es crucial que su órbita se sitúe en el mismo plano que ya ocupa la órbita del objetivo. Y esto solo puede conseguirse si la nave despega cuando la órbita de la estación espacial pasa por encima del polígono de lanzamiento. No es necesario que la estación espacial esté ahí mismo, pero sí hace falta que lo haga su órbita.

El plano orbital es fijo, como hemos dicho, pero la Tierra rota por debajo de él, de manera que solo se dan dos oportunidades cada día para que los lanzamientos sean favorables y, además, una de ellas no es ventajosa por motivos energéticos. En definitiva, nos quedamos con solo una ventana de lanzamiento al día para este tipo de misiones, si bien esta no es instantánea, sino que se prolonga a lo largo de bastantes minutos.

Ventana de lanzamiento de un vehículo espacial a otros planetas

Para alcanzar otros planetas cambia mucho el concepto de ventana de lanzamiento. En estos casos se trata de esperar a que la configuración de los planetas de origen y de destino sea la adecuada para que, cuando la sonda espacial llegue hasta allí, el objetivo realmente la esté esperando. De nada serviría despegar desde la Tierra y dirigirse, por ejemplo, a la órbita de Marte, si el planeta rojo se encuentra en el momento de la llegada al otro lado del Sol. La mecánica celeste es más cicatera en estos casos y abre tales ventanas solo una vez cada muchos meses. Por ejemplo, para ir a Marte hay ventanas de lanzamiento cada dos años, aproximadamente. Además, no todas son igual de favorables en cuanto a la masa de las naves que se pueden hacer llegar hasta allí.

Una de las últimas misiones de la ESA, JUICE cuenta con participación de varias empresas andaluzas. Imagen: ESA

Las misiones espaciales interplanetarias recurren a veces al sistema de la asistencia gravitatoria para llegar antes y mejor a su destino. El truco consiste en provocar un encuentro con un planeta intermedio al que se «roba» algo de energía gravitatoria, lo que acelera la nave y acorta el tiempo del viaje al verdadero planeta de destino. Hay misiones en las que se recurre a maniobras de asistencia gravitatoria tres, cuatro o más veces, lo que convierte su periplo en un verdadero juego de billar cósmico, rebotando de planeta en planeta antes de llegar a puerto.

Este tipo de cálculos se siguen haciendo en el ámbito de la astronomía para los cuerpos celestes naturales, pero se han ido desplazando cada vez más hacia el campo de la ingeniería en el caso de satélites artificiales y sondas espaciales. En conclusión, las personas que en la actualidad se dedican a «pilotar» a distancia, y a decidir instantes de lanzamiento y trayectorias, pertenecen a la rama de la ingeniería aeroespacial.

Asistencia gravitatoria en la misión Juice

Tenemos un ejemplo muy actual de «billar cósmico» en la trayectoria de la misión Juice, de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esta sonda espacial, lanzada el 14 de abril de 2023, tiene como destino el sistema de Júpiter y estudiará tanto el planeta como su entorno y sus cuatro satélites naturales principales: Ío, Europa, Ganimedes y Calisto. Prestará una atención muy especial a los tres últimos, formados sobre todo por hielo de agua, lo que justifica el acrónimo que da nombre a la misión: JUpiter ICy moons Explorer.

La sonda tiene por delante toda una aventura interplanetaria que implica maniobras de asistencia gravitatoria con la propia Tierra (¡tres veces!) y con Venus (una vez), en un camino muy complicado que la llevará a su destino en julio del año 2031. La participación española en esta misión se canaliza principalmente a través del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y en ella participan otros centros de investigación como el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), el Centro de Astrobiología (CAB), la Universidad del País Vasco (EHU), así como varias empresas privadas, entre ellas varias con sede en Andalucía.

Vuelos suborbitales

El concepto de ventana de lanzamiento de un vehículo espacial no tiene tanto sentido en vuelos de carácter suborbital, es decir, aquellos en los que ni el cohete ni su carga útil llegan a ponerse en órbita. De este tipo fue el lanzamiento del primer cohete de fabricación española, el Miura 1, de la empresa PLD Space, que se lanzó desde las instalaciones del INTA en El Arenosillo (Huelva). Esta misma empresa está construyendo su cohete orbital MIURA 5, que prevén realizará su primer vuelo en 2025 desde Kourou, en el Centro Espacial de la Guayana Francesa, y que pondrá satélites de hasta 500 kg en órbita polar y de hasta una tonelada en órbita ecuatorial.

*Imagen de portada: PIRO4D / Pixabay