Grandes momentos de la conquista del espacio

J. Gregorio Portilla

Observatorio

g

AstronómicoNacional

Universidad Nacional de Colombia

AstronáuticaAstronáuticaCiencia y tecnología del vuelo espacialCiencia y tecnología del vuelo espacial

El vuelo espacial presupone que debe existir unsitio hacia el que se quiera ir

La astronomía se ha encargado de revelarnost l l é l nuestro lugar en el cosmos y qué lo compone

Modelo geocéntrico del universo

Los descubrimientos astronómicos han permitido revelar que hay multitud de sitios a donde ir

Tierra

Primer vuelo controlado

Hermanos Montgolfier

Vuelo tripulado por dos pasajeros el 21

Globo aeroestático

Noviembre de 1783

Globo aeroestáticoAlcanzó una altura de 900 m

Primer vuelo de una máquina más pesada queel aire

3 de diciembre de 1903

Pero tanto globos como aviones tienen seriaslimitaciones

Altura máxima 30-40 km Máxima altura (24 km)

E t t i d i dEstos aparatos requieren de aire para podersustentarse

Mecánica celesteEstudio del movimiento de los cuerpos celestes utilizando

las leyes de la física

La gravedad es la fuerza principal que gobierna

I N t (1687)

p p q gla trayectoria de una nave

espacial entre los cuerpos celestes

Isaac Newton (1687)

Línea recta

Elipse

Parábola Hipérbola

¿Cómo colocar una luna artificial?

¿Cómo hacer que un cuerpo escape de la Tierray se dirija hacia otro?y se dirija hacia otro?

Consideremos dos cuerpos

Tierra

Newton demostró que cuerpos esféricos se comportan como si toda la masa estuviera concentrada en su

centrocentro

Tierra

Velocidad inicial cero

TierraLa trayectoria es una línea recta

Velocidad inicial distinta de cero pero va en ladirección de la línea vertical

La trayectoria es de nuevo Tierra

La trayectoria es de nuevo una línea recta

Si la velocidad inicial no es cero pero tiene una componente tangencial una componente tangencial

La trayectoria es un óvaloTierra

En la vida real, el cuerpolanzado choca con lasuperficie terrestresuperficie terrestre

Tierra

Vamos a aumentar la velocidad de lanzamiento

El objeto está cayendo y finalmente Tierra

El objeto está cayendo y finalmente choca con la superficie

Sigamos aumentando la velocidad…

Tierra

Sigamos aumentando la velocidad…

El objeto El objeto queda

perpetuamentedotado de

movimiento

Hay una velocidad mínimapara la cual el objeto queda en para la cual el objeto queda en

órbita

Sigamos aumentando la velocidad…

Sigamos aumentando la velocidad…

El objeto El objeto escapa…

Hay una velocidad mínimapara la cual el objeto escapa

( áb l )(parábola)

Velocidad orbital

v GMR hR h

G=6.67X10-11 (MKS)

M=6X1024 kgM=6X1024 kg

R=6’378.140 m

h = 8850 m

V=8000 m = 8 km/s Esta es una velocidad

enorme!!!

Velocidad de escape

v 2GMR hR h

G=6.67X10-11 (MKS)

M=6X1024 kgM=6X1024 kg

R=6’400.000 m

h = 8850 m

V=11300 m = 11.3 km/s Y esta con más veras

Plazade Bolívarde Bolívar

8 kilómetros8 ó e osen 1 segundo

Aeropuerto El DoradoAeropuerto El Dorado

Comparación de velocidades

150 km/h =0.041 km/s

850 m/s =0.85 km/s

3.3 mach =0.98 km/s

1.6 km/s/

Y entonces ¿cómo lograr velocidadesY, entonces, ¿cómo lograr velocidadesdel orden de 8-11 km/s?

Acción-reacción

Aire

La velocidad del globo depende de: La velocidad del globo depende de:

La velocidad de salida del aireLa cantidad de gas que hay originalmente

Velocidad sónica

GargantaFlujo subsónicoj

Flujo superónico

Cohete

Gases Calientes Carga útilg

Velocidad de los gases: 2-3 km/s

La masa original del cohete es varias veces la masa de la carga útil

Esto hace que los cohetes sean voluminosos (muy costosos)

Pioneros de la astronáutica

K. Tsiolkovsky Robert Goddard

EEUU, 1882 –1945

yRusia, 1857-1935

Herman OberthRumania, 1894 –1989

Aplicación práctica en la Segunda Guerra Mundialg

Adolfo HitlerWernher von Braun

Cohete V2

Bombardero clásicoBombardero clásico Muy vulnerable

Ataque de ciudadesaliadas sin ninguna

posibilidad de intercepciónp pdespúes de lanzado

Fase propulsada… Inyección

Trayectoriabalísticabalística

Trayectoria balística

E iEnemigo

FaseFasepropulsada

Sitio de lanzamiento

FaseP l dPropulsada

(pocos minutos)

Sitio de lanzamiento

Trayectoria balística

Al finalizar la segunda guerra los científicos alemanes se reparten entre los vencedoresalemanes se reparten entre los vencedores

Los misiles balísticos se convierten en el armamás buscada

Arrojar un arma atómicaal otro lado del mundo

sin recurrir al bombardero pesado

R-7

Primer misil balístico

intercontinentalintercontinental

Mediados de 1957

Sergei KorolevSergei Korolev

El 4 de octubre de 1957 se colocó la primera luna artificialla primera luna artificial

950 km

Sputnik

228 km

Un mes después un segundosatélite artificial con un ser vivo a bordosatélite artificial… con un ser vivo a bordo…

Sputnik IISputnik II

3 de noviembre de 1957

Reacción norteamericana

EEUU no puede quedarse atrás frenteal reto de los soviéticos

Dwight Eisenhower

1. Creación de la NASA

2 Aumento del 300% en el presupuesto del a NSF

3. Proyecto Mercury Colocar un ser humano ó

2. Aumento del 300% en el presupuesto del a NSF

en órbita

Primer hombre en el espacio

11 d b il d 1961

Yuri Gagarin

11 de abril de 1961

Hay que hacer algo dramático y espectacular, algo que pueda no sólo maravillar al mundo sino que se tenga

alguna oportunidad de vencer a los soviéticosalguna oportunidad de vencer a los soviéticos

Reuniones conAbril y mayo de 1961

Reuniones concientíficos y técnicos

25 de mayo de 1961

John F. Kennedy Los EEUU van a enviar un hombre a la Luna y lo

á d traerán de regreso sano y salvo antes del 31 de diciembre de 1969…

Apolo 8p

(Dic-1968)(Dic 1968)

•Record de velocidad: seres humanos seres en alcanzar volocidades > 10 km/s

•Primeros seres en atravesar el Cinturón de Van Allen

volocidades > 10 km/s

•Primeros seres en abandonar el campo gravitacionalterrestreterrestre

•Primeros seres en quedar sujetos al campo gravitacional de otro mundo

•Primeros seres en ver con sus propios ojos el lado

gravitacional de otro mundo

Primeros seres en ver con sus propios ojos el ladooculto lunar

Bormann, Lowell, Anders

Edwin Aldrin (20 julio 1969)

En total hubo seis misiones hasta la superficie lunar

La última vez que hubo seres humanos en la Luna fue en diciembre de 1972

En los años 60s se augurabaun enorme desarrollo de laun enorme desarrollo de la

astronáutica…

“Taxis” espaciales

Estaciones espaciales orbitales

Estaciones lunares habitadas

Estaciones espaciales orbitales

Misiones tripuladas a Marte y Júpiter

40 años después sabemos queesas previciones fueron muyp y

optimistas

MIR

Skylab

A partir de 1974 la presencia humana en el espacio se ha reducido

ISS

a orbitar la Tierra en estacionesespaciales o en naves espaciales

ISS

Condiciones de microgravedadg

Búsqueda de materiales novedososBúsqueda de materiales novedososy drogas

Transbordador espaciala sbo dado espac a

En esencia es un taxi que lleva a seres humanosdesde la Tierra hasta una estación espacialdesde la Tierra hasta una estación espacial

El vuelo espacial es un asunto muy riesgoso

Despegue: bruscas aceleraciones al paso a través de la tmó fe Se e tá en im de n bomb C lq ie lige o atmósfera. Se está encima de una bomba. Cualquier ligero

cambio destruye la integridad de la nave

Órbita: Rodeado de vacío. Peligro de micrometeoritos y basuraespacial. Rayos cósmicos. Microgravedad

Reentrada: bruscas desaceleraciones, altísimas temperaturas,cualquier ligero cambio en la actitud destruye la integridad de la q g y gnave. Descenso en sectores que involucren peligro

Solo tres naciones han sido capaces de colocarseres humanos en órbita por sus propios medios:p p p

Rusia (1961), EEUU (1962) y China (2003)

En los últimos 40 años se han mandado sondas robot (no tripuladas)a varios lugares del Sistema Solar

Pionero Viajero Ulises GalileoPionero, Viajero, Ulises, Galileo

Exploración de la superficie de Marte

Exploración del Universo con telescopios orbitales

Otras naciones han desarrollado tecnología espacial

Inglaterra la Unión Europea China L i t l í Inglaterra, la Unión Europea, China, Japón, Canadá,Australia, India

La misma tecnologíaque permite colocar un arma atómica a miles de kilómetros d di t i l

Paquistán, Corea den Norte, Irán, Brasil

de distancia es la misma que se utiliza para colocar una nave

en el espacio

Varias iniciativas son motivadas por cuestionesd i i li i i f ide prestigio y litigios fronterizos

Han existido más de 6000 lanzamientos(EEUU, Rusia, Japón, China, Francia, India, ( , , p , , , ,

Israel, Australia, Reino unido)

Para marzo del 2009, existían 900 satélites operacionales junto con 13000 residuos espaciales rastreados (> 10 cm)

con posiblemente 100.000 trozos no rastreables (0.5-10 cm)

La tecnología espacial está estancada

La principal limitación es el enorme costo quese requiere para colocar cualquier cosa en órbitase requiere para colocar cualquier cosa en órbita

$10000 US 20’000 000 / 1 kg$10000 US = 20’000.000 / 1 kg

Seguimos colocando naves espaciales de la misma forma a comose hizo hace 53 años

Se requiere de un salto cuántico en tecnologíad l ió i lde propulsión espacial

Mientras tanto, existen iniciativas privadaspara facilitar el acceso al espacio al para facilitar el acceso al espacio al

gran público

SpaceShipOne (2004)

La administración Obama ha cancelado elProyecto ConstellationProyecto Constellation

Iniciativa para rotornar a la Luna y servir depuente para ir a Marte

Perfectamente pueden transcurrir otras dos décadasantes de que veamos seres humanos de nuevo en la Luna o en Marte

SONDAS QUE EXPLORAN EL SOLEN EL EXTREMO ULTRAVIOLETA

300 A 600 A300 A -600 A

ULYSES

SDO

STEREOSOHO SOLAR DINAMYCOBSERVATORY

EXPLORACION A MARTE

TRANSBORDADOR ESPACIAL MISION STS-130MISION STS 130FEBRERO 9 AL 21

GEORGE ZAMKACOMANDANTE

COLOCAR MODULO TRANQUILITY Y CUPULAEN LA ISS

FUTURA EXPLORACION LUNARPROYECTO CONSTELACIONPROYECTO CONSTELACION

ARES I – ARES V – MODULOS ALTAIR Y ORION

PARADO POR BAJO PRESUPUESTO EN NASA