¿Dónde puede aterrizar una nave Soyuz?
A raíz de la entrada de ayer sobre el regreso de la Soyuz TMA-10M, un lector que quiere permanecer en el anonimato me preguntó cómo podemos saber dónde va a aterrizar una cápsula espacial. La respuesta puede parecer simple. Tenemos una nave que sigue una órbita determinada, así que sólo tenemos que encender el motor de frenado de tal forma que el señor Newton haga su trabajo y la cápsula descienda sobre el lugar que hayamos designado. Pan comido, ¿no? Pues obviamente, no, no es tan simple.
Para empezar, una cápsula espacial no es un avión y su capacidad de maniobra es ciertamente muy limitada, aunque, como veremos, no es nula. La variación de densidad en las capas altas de la atmósfera y el viento provocan que el error en la precisión del aterrizaje siempre sea superior a varios kilómetros. O sea, que nos conviene elegir una zona realmente amplia y libre de obstáculos. Eso sí, nuestra zona de aterrizaje no puede estar situada en una laititud superior a los 51,65º norte o 51,65º sur, ya que esta es la inclinación de la órbita de la estación espacial internacional (ISS) y, por tanto, de cualquier nave Soyuz. Esta restricción deja fuera gran parte del territorio de la Federación Rusa, así que desde sus primeros vuelos las naves Soyuz aterrizan, salvo algunas excepciones, en las infinitas estepas de Kazajistán, una práctica que ha continuado sin interrupciones después de la caída de la Unión Soviética. La estepa kazaja tiene además la ventaja de no poseer bosques, obstáculos naturales o grandes centros de población que dificulten el descenso de una cápsula.
Pero claro, no basta con seleccionar una franja de cientos de kilómetros de ancho y decir que esa es nuestra zona de aterrizaje. Los astronautas pueden sufrir problemas durante el regreso, quizás hasta puede que estén heridos y necesiten ayuda médica inmediata. Pero incluso sin emergencias, volver a la Tierra después de pasar seis meses en el espacio no es una experiencia agradable para el cuerpo humano. Se impone por tanto reducir el área de aterrizaje considerablemente si queremos que el equipo de rescate llegue hasta la tripulación lo antes posible.
¿Cómo podemos hacerlo? Pues usando la cápsula como si fuera un avión para generar un poco de empuje y ajustar así la trayectoria de descenso, algo que puede parecer imposible a primera vista. Al fin y al cabo una cápsula no posee alas u otras superficies aerodinámicas para generar sustentación. Pero no las necesita, ya que se usa la propia cápsula como un cuerpo sustentador. No olvidemos que la cápsula se mueve a casi 28000 km/h cuando entra en la atmósfera, así que cualquier pequeña fuerza generada en esta fase puede tener efectos enormes en la distancia de la zona de aterrizaje final. El truco consiste en situar el centro de masas de la cápsula de tal forma que esté ligeramente desplazado con respecto al eje del vehículo y/o el ángulo de ataque. De este modo se genera una fuerza de sustentación que, además, nos permite reducir la enorme aceleración sufrida por los cosmonautas durante la reentrada.
Una reentrada normal, o sea, una que no use este truco de la sustentación, se denomina balística y fue la empleada por las naves Vostok, Mercury o Vosjod. En este caso la tripulación puede sufrir una aceleración de unos 11 g, algo nada agradable, la verdad. Por el contrario, en una reentrada controlada se suele llegar a los 4 o 5 g y nunca se superan los 6 g, lo que resulta conveniente para el cuerpo fatigado de los cosmonautas. La fuerza de sustentación generada por la cápsula Soyuz o SA (Spuskaemi Apparat, ‘aparato de descenso’ en ruso) suele ser perpendicular a la órbita inicial, de ahí que la zona de aterrizaje de un descenso controlado esté situada más ‘adelante’ con respecto al movimiento orbital de la Soyuz. La entrada balística es más ‘empinada’ y, como resultado, la zona de descenso está situada ‘detrás’ de la zona primaria (unos 400 kilómetros ni más ni menos). Y no sólo eso, el margen de error en caso de una entrada balística es más elevado que en el de una controlada, por lo que el área a cubrir para el equipo de rescate es mucho mayor (otro punto negativo para las entradas balísticas). Una entrada controlada suele tener un error de unos 30 kilómetros, por lo que el equipo de rescate usa las señales emitidas por la cápsula durante el descenso para actualizar su posición. Por lo general el equipo se encuentra a muy poca distancia cuando la nave toca el suelo.
Vale, esto está muy bien, pero, ¿cómo orientamos la cápsula para que se genere esta fuerza de sustentación? Ah, buena pregunta. Primero debemos asegurarnos de que conocemos con total precisión el centro de masas del SA. Por este motivo los asientos de lo cosmonautas son calibrados con una enorme precisión antes del despegue y, de hecho, los propios cosmonautas deben medir su masa antes del regreso usando unas ‘básculas’ especiales para gravedad cero. En el pasado no era nada extraño que el centro de control (TsUP) ordenase a algún miembro de la tripulación ganar o bajar peso de cara a la reentrada, aunque actualmente se prefiere usar la carga útil como lastre. Una diferencia de unos pocos kg en un vehículo de 2,9 toneladas (la masa del SA) puede parecer despreciable, pero no lo es si tenemos en cuenta que se puede traducir en un desplazamiento del centro de masas de unos cuantos centímetros.
Una vez calculado el centro de masas por el grupo de expertos de balística del TsUP debemos introducir los datos en el ordenador de la Soyuz, que se encargará de pilotar la cápsula durante la fiera reentrada. Para ello usará ocho pequeños propulsores de 10 kgf de empuje cada uno que usan peróxido de hidrógeno como combustible (el deterioro del catalizador de estos propulsores es precisamente el principal factor que limita la vida útil en órbita de una Soyuz). Estos micromotores se denominan URMD (Upravlyayuschie Reaktivnie Mikrodvigateli, ‘micromotores de control a reacción’) y forman parte del sistema SIO-S (‘sistema de control a reacción del descenso’). Los motores URMD funcionan entre los 80 y 11 kilómetros de altura mientras el escudo térmico sufre los rigores del calor de la reentrada. Antes del aterrizaje, y con el paracaídas principal ya desplegado, el sobrante de los 30 kg de peróxido que lleva la cápsula son expulsados para evitar cualquier daño a la tripulación.
El uso de los motores URMD permite modificar la trayectoria de descenso en el sentido del avance de la órbita de la nave, pero -y esto es algo que se suele obviar- también lateralmente. Es por eso que la Soyuz puede aterrizar en una franja de 75 kilómetros a cada lado de la traza orbital. Ciertamente no es mucho, pero sirve para ajustar mejor la zona de aterrizaje. El sistema SIO-S se activa después de que los tres módulos de la Soyuz (BO, SA y PAO) se separen y está controlado por el ordenador de la cápsula (KSO-20M), que usa los datos de los sensores de velocidad angular (BDUS), acelerómetros (BSA) y el giróscopo (SG) para orientarse. Con estos datos, el ordenador mantiene fijos los ángulos de cabeceo y guiñada al mismo tiempo que varía el ángulo de giro para aumentar o disminuir la sustentación de la cápsula y dirigir así su trayectoria. Las reentradas controladas se denominan AUS si se llevan a cabo bajo el mando del ordenador de la nave o RUS si son dirigidas manualmente por el comandante de la Soyuz. Pero dirigir una nave espacial de forma manual es tan arriesgado que el modo RUS nunca se ha usado. Los cosmonautas prefieren sufrir los rigores de una entrada balística antes que arriesgarse a morir por un error humano. Eso sí, toda la tripulación se entrena para pilotar el SA en modo RUS por si las moscas.
Pudiera parecer que, por oposición a las entradas AUS o RUS, la entrada balística es ‘no controlada’, pero no es así. Efectivamente, el ordenador no controla la trayectoria de la nave, pero sí su posición. No existe una reentrada balística incontrolada como tal. O bueno, mejor dicho, si ocurre la tripulación puede darse por muerta. Existen dos modos de descenso balístico, el normal (BS) y el de reserva (BSR). En el modo BS el ordenador ajusta la velocidad de giro a 12,5º por segundo para estabilizar la cápsula al mismo tiempo que amortigua cualquier movimiento lateral con los propulsores URMD. En el modo BSR la velocidad de giro aumenta a los 18º por segundo, ya que se supone que el ordenador no puede estabilizar los movimientos laterales (el principio del momento angular nos dice que a mayor velocidad de giro, más estable será la cápsula, aunque los cosmonautas no se sientan muy cómodos). El modo BSR no se ha usado nunca, pero el BS fue empleado por las Soyuz TMA-1, Soyuz TMA-10 y Soyuz TMA-11 por diversos problemas (la tripulación volvió sin problemas en los tres casos).
Una vez que tenemos estos factores en cuenta, no tenemos más que marcar el punto de aterrizaje y mandar al equipo de rescate hasta allí. La Soyuz efectuará el encendido de frenado de su motor principal SKD -que suele durar unos cinco minutos- más o menos un cuarto de órbita antes del descenso, es decir, una media hora antes. Ahora bien, ¡obviamente no nos basta con encender el motor en cualquier punto de la órbita y esperar aterrizar en Kazajistán! Primero deberemos seleccionar con mucho cuidado que órbitas pasan por la zona de aterrizaje según el día. Y no sólo eso, también deberemos elegir la órbita de tal forma que si la tripulación no puede, por el motivo que sea, encender el motor a tiempo la cápsula sea capaz de aterrizar en la zona prevista durante al menos las dos siguientes órbitas, un requisito bastante restrictivo si tenemos en cuenta que entre órbita y órbita la Tierra se mueve debajo de la nave, cambiando toda la geometría de la reentrada.
Basta echar un vistazo a un mapa de Kazajistán para darnos cuenta de que se encuentra a latitudes cercanas al límite de latitud de 51,65º norte que comentábamos antes. Eso quiere decir que las Soyuz descienden sobre la estepa moviéndose por lo general hacia el norte. El punto de la órbita de la Soyuz en el que cruza el ecuador en dirección norte se llama nodo ascendente y es un parámetro clave para determinar la zona de aterrizaje. Salvo emergencias, el nodo ascendente de la órbita de descenso de una Soyuz debe estar situado al oeste del meridiano 20º este para que pueda sobrevolar Kazajistán. A la hora de elegir la zona de descenso el grupo balístico fija primero la longitud de la misma y luego se ajusta la latitud según las órbitas disponibles ese día. La longitud de la zona de aterrizaje nominal de una Soyuz está comprendida teóricamente entre los 63º y 74º este, aunque en la práctica se usan dos zonas situadas entre los 67º-68º y los 69º-70º. Estas dos zonas, la primera cerca de la ciudad de Arkalyk y la segunda no muy lejos -en términos de distancias kazajas, se entiende- de Dzhezkazgan, tienen unas latitudes respectivas de 50º-52º norte y 47º-49º norte.
Para entender el asunto un poco mejor veamos uno de los mapas usados por los equipos de rescate (en este caso el de la Soyuz TMA-5):
En este mapa se aprecian claramente las tres zonas primarias de aterrizaje correspondientes a las tres órbitas que ese día pasan sobre la zona de descenso el día de la vuelta a casa. Cada órbita está representada por una línea de puntos y en la parte izquierda se ven los cuadrados que representan las zonas de aterrizaje en caso de reentrada balística (el recuadro más pequeño es el área de mayor probabilidad). La presencia de distintas zonas de aterrizaje obliga a que también existan varios grupos de rescate, aunque la mayoría de medios están concentrados en el lugar primario. Los equipos usan helicópteros Mil Mi-8, anfibios todoterreno Zil 4906 (PEM) y vehículos a motor convencionales para desplazarse por la estepa kazaja. Para viajar entre los aeropuertos kazajos se usan aviones Antónov An-12 y Antónov An-24. Por lo general en la zona principal se suelen enviar ocho o diez Mil Mi-8 y cuatro vehículos PEM, mientras que siempre hay al menos dos helicópteros cerca de una o dos de las zonas balísticas. En definitiva, un despliegue considerable y que cuesta lo suyo.
Una vez rescatada la tripulación con éxito, los cosmonautas son trasladados al aeropuerto internacional de Karaganda, donde son agasajados en una ceremonia de recibimiento a la que la mayoría preferiría no asistir, pero que es una de las condiciones que ha puesto el gobierno kazajo a los rusos para que sigan usando su país como campo de aterrizaje. De allí los cosmonautas rusos vuelan directamente a la Ciudad de las Estrellas (TsPK) de Moscú, mientras que los norteamericanos deciden ir por su cuenta y marcharse a Houston en un avión Gulfstream III de la NASA (hasta hace unos años también viajaban al TsPK con sus compañeros rusos). La cápsula es trasladada mediante un Zil hasta el aeropuerto, desde donde se dirige a Moscú.
Pero, ¿y si tenemos una emergencia y tenemos que aterrizar ya mismo? En caso de un problema con la propia Soyuz -por ejemplo, una despresurización- deberemos aterrizar cuanto antes, ya que las reservas de oxígeno de las escafandras Sokol-KV2 son de unas dos horas. Por eso existen siempre varias zonas de aterrizaje de emergencia repartidas por el mundo. Los datos para el encendido del motor de la Soyuz según el área de descenso varían por lo tanto cada día, así que una de las tareas de los cosmonautas de la ISS es imprimir -sí, en papel- la información de los parámetros de descenso todos los díasy guardarla en la Soyuz por si acaso. Las zonas de aterrizaje de las primeras tres o cuatro órbitas de un día determinado están situadas en Kazajistán y son las que vimos anteriormente, para el resto de órbitas las zonas de aterrizaje de emergencia son: la parte inferior del Volga, la región de Odessa, Hungría, Francia (tres zonas), Estados Unidos (ocho zonas, principalmente en el midwest), el mar de Japón (las Soyuz pueden amerizar en caso de emergencia), la región de Jabarovsk y el sur de Kazajistán.
Tras más de cuatro décadas de misiones Soyuz se han producido algunos aterrizajes moviditos, pero por ahora ninguna ha aterrizado en una de las zonas de emergencia (aunque la Soyuz 18-1 estuvo cerca de aterrizar en China). Pero nunca se sabe. Por si acaso, vete estudiando qué debes hacer si aterriza una Soyuz en tu jardín.
Vídeo de la reentrada de una Soyuz visto desde dentro de la cápsula (ya lo hemos puesto por aquí, pero vale la pena):
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