Cita en órbita

Moverse por el espacio no es tan sencillo como dan a entender las películas de ciencia ficción. Esas escenas de persecución cósmica en las que el Halcón Milenario evoluciona entre los asteroides sin necesidad de efectuar ningún cálculo, gobernado a mano como si se tratara de una aeronave, no tienen ningún sentido físico. La mayoría de las representaciones del vuelo espacial en las películas están inspiradas en los patrones de maniobra de los aviones en nuestro planeta, y reproducen todos sus rasgos característicos: el sonido, el estilo de "planeo", los giros casi sin esfuerzo y sin gasto de combustible...

Cuando se navega por la atmósfera con un aeroplano resulta posible subir, bajar o girar sin consumir apenas energía: los planos aerodinámicos de la nave interaccionan con el aire y ejercen sobre el avión las fuerzas que permiten gobernarlo. Por eso los aviones sólo tienen motores para impulsarse hacia delante, mientras que para el resto de maniobras se emplean dispositivos aerodinámicos pasivos como timones, alerones y similares.

Pero en el espacio no hay aire. El vacío no ofrece resistencia alguna y esto implica la ventaja de que las naves espaciales diseñadas para surcar tan sólo el espacio exterior no tienen por qué exhibir diseños aerodinámicos. Queda claro cuando se observa el aspecto de los módulos con los que descendieron a la Luna los astronautas estadounidenses en los años sesenta y setenta del siglo XX. Si no hay aire tampoco existe la posibilidad de gobernar una nave interaccionando con él. En el espacio sólo caben dos modos de alterar la trayectoria de un vehículo: la gravitación o el impulso a reacción.

El impulso a reacción lo proporcionan los motores cohete. Funcionan expulsando materia en una dirección, lo que hace que el vehículo reciba un cierto empuje en la dirección opuesta. Supongamos que una nave quiere dar marcha atrás, aplicar a la trayectoria un giro de 180 grados. Si se trata de un aeroplano la maniobra resulta sencilla y barata: se actúa sobre los timones y los alerones de modo que el aparato gire empujado por fuerzas aerodinámicas y, tras trazar una semicircunferencia, la proa queda enfilada en sentido opuesto al de la trayectoria original, con un esfuerzo y un gasto de combustible casi nulos. Pero si no hay aire la única posibilidad consiste en hacer rotar la nave 180 grados de modo que el motor trasero se enfrente al sentido de la marcha y, a continuación, encender ese motor con gran potencia hasta que compense la velocidad inicial (la nave se detiene). Después hay que mantenerlo encendido para que el vehículo adquiera la rapidez anterior pero ahora en sentido opuesto. ¡La maniobra de dar la vuelta por completo consume cantidades ingentes de combustible!

Incluso algo en apariencia tan simple como girar a la derecha o a la izquierda (90 grados) tiene un coste prohibitivo en el espacio. Sin embargo, ahí tenemos al Halcón Milenario evolucionando entre los asteroides sin darse la vuelta, sin siquiera apagar el motor que lo empuja hacia delante, y con un comportamiento y unas trayectorias calcadas de las que siguen los aviones en el aire.

Las naves espaciales de hoy día portan cantidades muy limitadas de combustible, y por esto sus capacidades de maniobra fuera de la atmósfera están sometidas a grandes restricciones. Un vehículo que se moviera por el espacio interestelar tendría muy difícil, por motivos energéticos, efectuar las piruetas que aparecen en las películas de ciencia ficción habituales.

Pero nuestras naves no se mueven por el espacio interestelar, sino en el Sistema Solar, un entorno en el que hay multitud de objetos: el Sol, la Tierra, la Luna, los planetas... Esto ofrece otras oportunidades de maniobra, las que brinda el impulso gravitatorio.

Sigamos con el cine. La película Apolo 13 describe con bastante realismo la odisea espacial de unos astronautas que sufrieron una avería en la nave cuando iban camino de la Luna en el año 1970. Aquella "lata" llamada (es bien curioso) Odyssey no era el Halcón Milenario: no podía darse la vuelta y regresar tan tranquila. Pero la trayectoria conducía a aquellos aventureros hacia las cercanías de la Luna y lo que hicieron para reemprender el camino a la Tierra fue aprovechar la atracción gravitatoria lunar para torcer el rumbo de la nave y dejarla enfilada a nuestro planeta. Una maniobra de este estilo no se puede improvisar, requiere una cantidad considerable de observación, cálculo y planificación.

Las naves espaciales actuales portan un conjunto de motores pequeñitos que expulsan gas hacia un lado u otro para cambiar la orientación del vehículo (para el control de actitud, en la jerga astronáutica). Además llevan uno o varios motores más potentes, normalmente colocados a popa, que proporcionan un impulso mayor, capaz de acelerar o frenar la nave en caso necesario, pero siempre dentro de las limitaciones impuestas por la cantidad de combustible disponible. En esencia, una nave colocada en órbita tiene su capacidad de maniobra restringida a acelerar o frenar. Todo esto confiere a la navegación por el espacio unas características radicalmente distintas a lo que suelen trasmitir las obras cinematográficas.

Consideremos una nave tripulada situada en órbita alrededor de la Tierra. Sigue una trayectoria aproximadamente circular en torno al centro del planeta. Esta órbita está contenida en un plano. Las restricciones físicas y energéticas que imperan en el vuelo espacial cerca de la Tierra implican ante todo que cualquier cambio significativo en la trayectoria sea muy costoso. Esto hace imposible, por ejemplo, alterar el plano de la órbita: un cambio así equivaldría a un giro muy brusco y ya hemos visto cuánto combustible se consumiría en semejante maniobra. Si una nave se lanza en una órbita inclinada, por ejemplo, 52 grados respecto del ecuador, la potencia y el combustible de sus motores sólo le permiten efectuar cambios muy pequeños en ese parámetro.

Cualquier nave que pretenda encontrarse en el espacio con la Estación Espacial Internacional (ISS) tiene que despegar en una trayectoria que guarde la misma inclinación sobre el ecuador que la órbita seguida por la Estación. Pero no basta con esto. La órbita del vehículo que despega tiene que yacer, además, en el mismo plano que el camino seguido por la ISS. La estación traza un recorrido aproximadamente circular que mantiene la misma orientación en el espacio, pero la Tierra gira "por debajo" de la órbita, de modo que la rotación del planeta hace que la órbita de la ISS pase justo sobre el polígono de lanzamiento dos veces cada día. Si se aprovecha el instante adecuado, se puede lograr que la nave que despega trace un camino que tenga la inclinación correcta sobre el ecuador y que además coloque el vehículo en el mismo plano sobre el que yace la órbita del objetivo. En esto consiste el concepto de "ventana de lanzamiento": el despegue en un momento inadecuado (cuando la órbita de la ISS no pasa sobre el cosmódromo) dejaría la nave en un plano orbital incompatible y sin posibilidad alguna de alcanzar la Estación Espacial.

Ya tenemos nuestra nave en una trayectoria situada en el mismo plano que el de aquella otra con la que nos queremos citar en órbita, en este caso la ISS. Supongamos, además, que la órbita en la que se coloca nuestra nave, quizá una Soyuz, tiene la misma altitud que la de la ISS, y que ambas son circulares. Los dos vehículos comparten órbita, pero lo habitual es que no coincidan de entrada en el mismo punto de ella, sino que se encuentren separados por una distancia considerable. ¿Qué puede hacer la nave Soyuz, con sus limitados recursos de maniobra, para alcanzar la ISS?

Imaginemos, en principio, que la ISS está algo por delante de la Soyuz. Un análisis apresurado de la situación sugeriría poner proa hacia el objetivo y encender los motores traseros para acelerar. Craso error.

La mecánica celeste tiene sus leyes, muy distintas a las de la aeronáutica y nada parecidas a las de las películas de ciencia ficción. Los objetos situados en órbitas bajas recorren sus trayectorias mucho más rápido que los que siguen órbitas altas. Por ejemplo, la ISS se desplaza a unos 27.000 kilómetros por hora en su órbita a 340 km de altitud, mientras que los satélites geoestacionarios, situados a 36.000 km sobre el suelo, avanzan a unos 11.000 km/h. A cada órbita circular le corresponde una velocidad determinada, tanto mayor cuanto más baja sea esa órbita.

Lo anterior se combina con otra circunstancia inevitable: cuando una nave se impulsa hacia delante en su órbita, en un primer momento ese impulso se invierte en acelerar el movimiento, pero rápidamente la aceleración lleva el vehículo a una altitud superior, la nave se eleva y, de acuerdo con lo que acabamos de describir, a una altura mayor le corresponde una velocidad orbital más pequeña. ¡El impulso hacia delante con el que pretendíamos ir más deprisa se trasforma en un ascenso que hace que la Soyuz vaya más despacio! Y en consecuencia la ISS, que sigue su curso en una órbita inferior y por tanto más veloz, se aleja cada vez más de nosotros.

Llegamos a una conclusión paradójica: para ir más rápido y así alcanzar a la ISS, que va por delante, lo que tiene que hacer el comandante de la Soyuz es rotar la nave 180 grados de manera que los motores se enfrenten al sentido de la marcha, luego encenderlos y ¡frenar! Esto en principio reduce la velocidad de la cápsula, pero de inmediato la mengua de rapidez implica un descenso en altura que conlleva a su vez una aceleración considerable: la Soyuz empieza a acercarse a la ISS a lo largo de una órbita ligeramente inferior. Cuando la Soyuz haya adelantado un poco a la Estación Espacial, entonces será el momento de acelerar en el sentido de la marcha, para que la órbita de la cápsula gane altura y pierda algo de velocidad y así se produzca, por fin, la ansiada cita espacial.

Por supuesto, en caso de que la situación de partida fuera la opuesta, con la nave Soyuz por delante de la ISS en la misma órbita, entonces lo que habría que hacer es justo lo contrario: el vehículo que va primero tendría que impulsarse aún más hacia delante para así ascender, perder velocidad y dejarse alcanzar por el que viene detrás.

He aquí sólo algunas de las paradojas y complejidades inesperadas de la navegación espacial. Los efectos físicos implicados casi nunca se tienen en cuenta en las obras populares de ciencia ficción, lo que hace que el público general considere la astronáutica como una especie de súper navegación aérea, cuando en realidad se trata de un tipo de viaje radicalmente distinto, regido por principios físicos muy diferentes que a menudo implican resultados poco intuitivos. Muy pocas maniobras astronáuticas reales se pueden confiar a la pericia de la tripulación o a la acción manual improvisada sobre los controles de vuelo. La cita en órbita requiere planificación, observación y cálculo.