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Jueves, 29 diciembre 2016
Astronáutica

Gran Enciclopedia de la Astronáutica (458): ATV

ATV

 

Satélite; País: ESA; Nombre nativo: Autonomous Transfer Vehicle

 

El 15 de febrero de 1994, el consejo de la ESA aprobaba definitivamente los programas MSTP (Manned Space Transportation Programme) y Columbus. La apuesta europea incluía un vehículo de transporte de tripulaciones (CTV), un vehículo de transferencia automático (ATV) y el módulo orbital Columbus, todo ello para la estación espacial internacional. El 23 de marzo de 1995, la aportación de la agencia espacial europea a esa estación se redujo al Columbus y al ATV, que se utilizaría como vehículo de transporte de suministros. El CTV sería transformado en un simple estudio de viabilidad.

 

El programa ATV tendría una envergadura considerable. En él participaron una treintena de empresas de diez países, además de otras ocho compañías rusas y estadounidenses que proporcionarían tecnología para hacer compatible el vehículo con la ISS. El contratista principal de los ATV sería EADS Launch Vehicles, con sede en Francia. Se firmaron contratos para la construcción de al menos 8 ATVs. Si su cadencia de vuelo era anual, permitirían a la agencia satisfacer una buena parte de su acordada contribución a los gastos de mantenimiento del complejo internacional. El dinero que ello requeriría sería entregado así "en especias", beneficiando de paso a la industria espacial europea. Si la vida útil de la estación se prolongaba más allá de lo actualmente previsto, o si sus necesidades logísticas crecían, podría construirse un mayor número de ATVs.

 

El ATV no sería un simple "camión espacial", capaz de transportar unas 8 toneladas de peso. La ISS necesita el envío regular de equipos científicos, recambios, combustible, aire, comida, agua y otros utensilios y consumibles para sus tripulantes. La diversa naturaleza de estos suministros hizo que el ATV fuera diseñado para aprovechar al máximo la capacidad de carga de su cohete lanzador, un Ariane-5. Gracias a su sistema de navegación, se acercaría y acoplaría automáticamente al puerto de atraque del módulo ruso Zvezda, donde permanecería durante seis meses proporcionando espacio presurizado adicional y capacidades de control y mantenimiento de la órbita. Una vez finalizada su estancia, regresaría para destruirse sobre la atmósfera terrestre, llevándose hasta 6,5 toneladas de desechos.

 

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(Foto: ESA)

 

Bajo esta aparentemente sencilla misión se encerraban una serie de tecnologías avanzadas que hasta entonces Europa no había tenido la oportunidad de poner en práctica en el espacio. Conectar de forma automática y segura un vehículo de 20,7 toneladas de peso al lanzamiento a una estación tripulada no era una tarea sencilla.

 

Exteriormente, el ATV parecía un cilindro de 4,48 metros de diámetro por 9,79 metros de largo, dividido en dos partes. La sección trasera correspondía al vehículo de propulsión y servicio, mientras que la delantera (ICC) albergaría la carga que hubiera que transportar hasta la estación. El primero poseía también un grupo de cuatro paneles solares dispuestos en forma de "X", de 22,3 metros de envergadura, que suministrarían energía a los sistemas de a bordo a través de baterías recargables. En el exterior, capas de aislante térmico y protecciones contra meteoritos otorgarían el aspecto definitivo a la astronave.

 

La zona delantera es la que permanecería presurizada, de manera que, tras el acoplamiento con la ISS, los astronautas podrían penetrar en ella para descargar sus contenidos o utilizarla como espacio adicional de la estación. Su configuración se basó en el módulo MPLM (Multi-Purpose Logistics Module), diseñado en Italia y reutilizado con éxito, en varias ocasiones, en sucesivos vuelos logísticos de la lanzadera de la NASA. En total, se proporcionarían 43 metros cúbicos de espacio presurizado, suficiente para 8 "racks" estándares, cargados con elementos de carga modulares. Además de este tipo de suministros, el vehículo dispondría de varios tanques independientes, llenos con hasta 840 kg de agua potable, 860 kg de combustible para el sistema de propulsión de la ISS, y 100 kg de aire respirable. El sistema de acoplamiento instalado era el ruso, adecuado para su unión con el módulo Zvezda, lo que también suponía la integración de los diversos sensores de cita espacial compatibles con este último.

 

La zona de servicio del ATV poseía cuatro motores de 490 Newtons de empuje, más otros 28 propulsores auxiliares más pequeños (220 N) que garantizaban el control de orientación. La potencia de este sistema de propulsión de propergoles líquidos almacenables, el cual permitiría las maniobras de acercamiento y acoplamiento con la estación, también posibilitaría el incremento de la órbita de esta última, manteniéndola alejada del rozamiento atmosférico. El ATV dispondría de hasta 4,7 toneladas de combustible para emplear en este y otros tipos de maniobras, incluyendo una reacción rápida frente a una aproximación excesiva de un fragmento de chatarra espacial o meteorito.

 

Iniciado el desarrollo del ATV, los ingenieros de la ESA aprovecharon todas las oportunidades a su disposición para probar la tecnología requerida en el programa, en particular los sistemas de cita y acoplamiento automáticos. Por ejemplo, algunos de estos elementos fueron ensayados durante la misión STS-80 de la lanzadera espacial, que finalizó el 7 de diciembre de 1996, y en otras posteriores, en el marco de la cooperación ruso-americana en la estación Mir. La ESA inició el programa ATV Rendezvous Pre-development (ARP), ideado para demostrar y validar esta y otras tecnologías.

 

El 7 de junio de 2000, la agencia se comprometió a proporcionar nueve misiones ATV para el envío de suministros y colaborar en el mantenimiento de la órbita de la ISS. En la práctica, sin embargo, solo se construyeron y lanzaron 5 ejemplares. El contrato de lanzamiento con Arianespace se firmó durante el ILA de Berlín de ese año, mientras proseguían las tareas de desarrollo del vehículo. Un cohete Ariane-5 lanzaría un ATV cada 15 meses, aproximadamente.

 

El 24 de julio de 2001, abandonaba la factoría de la compañía Alenia Spazio, en Turín, el primer módulo presurizado ATV, un modelo estructural que se emplearía para la ronda de ensayos. Embarcado a bordo de un avión Airbus Beluga, fue llevado a Ámsterdam, donde sería integrado con el resto del vehículo (que llegaría en octubre) para pasar diversos ensayos térmicos y estructurales en el centro ESTEC.

 

La campaña de ensayos sobre el llamado STM/Maquette Dynamique se prolongaría durante un año. El 28 de noviembre de 2001, sus dos segmentos, el ICC y el de servicio, quedaron unidos por primera vez. La tarea del acoplamiento mecánico se prolongó durante 10 horas. La masa total del STM ascendía entonces a 16,3 toneladas.

 

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(Foto: Arianespace)

 

El primer ensayo global sería el acústico, el cual se llevaría a cabo en la Large European Acoustic Facility (LEAF) hasta el 12 de diciembre. Era esencial demostrar que el vehículo podría resistir las vibraciones producidas durante un lanzamiento, por lo que fue sometido a frecuencias de hasta 8 KHz en niveles acústicos que iban de 141 a 147 dB. Los resultados fueron muy satisfactorios. El día 17, fue llevado de vuelta al área HYDRA, donde sería preparado para la próxima campaña de pruebas, térmicas y mecánicas, incluyendo el despliegue del panel solar.

 

Paralelamente, se había iniciado la construcción de los modelos de vuelo, el primero de los cuales debía despegar en septiembre de 2004, un par de años después de lo previsto originalmente. Más de un millar de personas en cinco países distintos trabajaban sin descanso en el programa.

 

En enero de 2002 se llevaba a cabo otro tipo de ensayos, en este caso lejos de Holanda. En Estados Unidos, se probaron los sistemas de comunicaciones del ATV directamente con uno de los satélites TDRS. La empresa española Alcatel Espacio había construido el transpondedor utilizado (otras compañías españolas participantes en el ATV fueron: CASA, GMV, IberEspacio, RYMSA, y Tecnológica S.A.).

 

El 10 de abril, la ESA organizaba una presentación ante la prensa del STM. La agencia anunciaba que el primer ATV se llamaría Jules Verne, en honor al famoso autor y visionario francés.

 

La campaña de ensayos térmicos se completó en agosto, antes incluso de lo previsto originalmente. El STM fue sometido durante nueve días a las condiciones ambientales que experimentaría en el espacio, simulando las diversas fases de su órbita alrededor de la Tierra. Por ejemplo, se alcanzaron temperaturas de hasta 193 grados C negativos. Mientras, gracias al sistema de control del vehículo, sus equipos internos, incluida la aviónica, permanecían entre los 5 y los 35 grados C positivos.

 

En septiembre, los dos segmentos del STM fueron de nuevo separados. El ICC fue enviado a Alenia Spazio, y el módulo de servicio a Astrium, para ser inspeccionados. Un poco antes, en junio, el primer ATV, el Jules Verne, empezaba a ser construido. Unas 1.500 personas trabajaban entonces en el programa, valorado en 600 millones de Euros.

 

El 31 de enero de 2003, la ESA anunciaba que el 90 por ciento de las piezas del Jules Verne habían sido ya fabricadas. Cada una de ellas debía ser probada y ensamblada con las demás en una decena de países, incluyendo Rusia. El nuevo año sería crucial para la puesta a punto del sistema. Para mantener el calendario, los técnicos trabajarían en turnos dobles bajo la supervisión de EADS Launch Vehicles.

 

Cada misión del ATV estaría completamente adaptada a las necesidades de la estación en ese momento concreto. Su carga, su configuración de vuelo y la fecha de lanzamiento dependerían de estas necesidades. Cada ATV fabricado en Europa sería llevado a la base de Kourou, en la Guayana Francesa, donde sería preparado para el lanzamiento. A su llegada se encontraría todavía dividido en sus dos partes, aunque la zona de carga estaría ya repleta de suministros. Se mantendría abierta, eso sí, hasta el último momento, la posibilidad de añadir un elemento a la carga que debiera ser enviado con urgencia a la estación.

 

Finalmente, se ensamblarían entre sí los dos segmentos, el módulo de carga y el de servicio o transporte, y se llenarían sus tanques de combustible y otros gases. Completadas todas las verificaciones, el ATV podría ser situado sobre la cúspide de su cohete Ariane-5ES, un vehículo en su versión "Versatile", equipado con una etapa superior EPS-V. Si la misión lo requiriese, podría ser lanzado en un más potente Ariane-5ECA.

 

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(Foto: NASA)

 

El lanzamiento se efectuaría hacia una órbita baja inclinada 51,6 grados respecto al ecuador, como la de la estación. El ascenso se desarrollaría de forma parecida a otros vuelos comerciales de su vector: a los tres minutos, una vez abandonados los aceleradores sólidos, se separaría el carenado. Hacia los 7 minutos, se apagaría la etapa principal criogénica (EPC). Después, sería la fase EPS quien situase al ATV en una órbita casi circular a unos 300 km de altitud, después de dos episodios de impulso. A los 70 minutos del despegue, el ATV podría separarse de la EPS, una vez confirmado el buen funcionamiento de todos sus sistemas de propulsión, de control y guiado.

 

Verificada su posición, el centro de control en Toulouse, Francia, ordenaría a sus motores la obtención de una trayectoria de transferencia hacia la órbita de la ISS. El vehículo se habría orientado hacia el Sol, con los paneles solares abiertos generando la electricidad que alimentaría a las baterías, necesarias en los momentos de eclipse. El ATV habría también extendido su antena para las comunicaciones entre la Tierra y el vehículo, garantizadas por un enlace en banda S a través del sistema de satélites TDRS. Para la navegación, se apoyaría en el sistema GPS.

 

La ruta de transferencia habría sido optimizada para reducir al máximo el consumo de su valioso combustible. Por eso, serían necesarios tres días de ajustes consecutivos, previos al acercamiento definitivo a la estación. El ATV no activaría su navegación relativa a la ISS hasta alcanzar una posición 30 km por detrás y 5 km por debajo de su objetivo. Una vez logrado esto, serían los ordenadores del vehículo quienes se encargarían de reducir la distancia durante las próximas dos órbitas, siempre a un ritmo muy lento para evitar un impacto incontrolable. La operación ocurriría con el complejo sobre territorio ruso, de modo que la estación de seguimiento de este país pudiese estar pendiente del proceso durante al menos 20 minutos.

 

Los sistemas efectuarían un acoplamiento totalmente automático, como ocurre con las naves de carga Progress, pero si se produjesen problemas, el acercamiento podía ser abortado en cualquier momento por la tripulación del complejo, gracias a una consola de mando especialmente diseñada e instalada en la ISS.

 

Una vez unida al módulo ruso Zvezda, la astronave aseguraría la estanqueidad del acoplamiento, permitiendo que los astronautas abriesen las escotillas y penetrasen en su interior. De una forma similar a cuando un módulo logístico MPLM era unido al nodo Unity mediante el brazo mecánico de un transbordador, la tripulación tendría inmediato acceso a sus contenidos. Estos podrían ser descargados siguiendo un plan preconcebido, e incluirían todo tipo de suministros, como alimentos, correo familiar, videos y CD-ROMs, recambios, experimentos nuevos, etc. Los consumibles líquidos serían automáticamente transferidos a los tanques del módulo Zvezda, y el aire respirable sería liberado en la atmósfera de la estación.

 

Durante los siguientes seis meses, el ATV permanecería con la escotilla abierta habilitando espacio adicional para los astronautas de la ISS, y recibiendo materiales desechables que requirieran ser eliminados. A la vez, cada cierto tiempo (de 10 a 45 días), se emplearían los motores de su módulo de propulsión para colaborar en el mantenimiento de la altitud de la estación sobre la superficie terrestre.

 

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(Foto: NASA)

 

Finalizada su misión, lleno a rebosar de basura inservible, el ATV sería desenganchado y alejado, lo que dejaría libre el puerto de atraque para un futuro nuevo vehículo logístico. Aún restaría combustible en sus tanques para propiciar un descenso rápido y una reentrada destructiva y controlada sobre el océano Pacífico.

 

Cinco fueron los vehículos ATV que la ESA envió finalmente a la estación espacial internacional cargados de suministros para sus inquilinos. Bautizados con los nombres de personajes históricos, los cinco ATV (Jules Verne, Johannes Kepler, Edoardo Amaldi, Albert Einstein y Georges Lemaître) fueron enviados consecutivamente hacia el espacio.

 

El ATV-1 despegó desde Kourou el 9 de marzo de 2008, varios años más tarde de lo previsto originalmente. Como medida de precaución, no intentaría acoplarse con la estación en el plazo habitual, sino que dedicaría varias semanas a realizar pruebas de maniobrabilidad y control lejos de ella. Se unió finalmente al módulo Zvezda el 3 de abril. Tras completar su misión, fue desconectado y enviado a su destrucción el 29 de septiembre, sobre el Pacífico.

 

El ATV-2, o Johannes Kepler, fue lanzado mucho más tarde, el 16 de febrero de 2011. Se acoplaría sin novedad, y se separó de la ISS el 20 de junio, siendo destruido al día siguiente.

 

Por su parte, el ATV-3 despegó el 23 de marzo de 2012, acoplándose a la estación el día 28. El cuarto ATV voló el 5 de junio de 2013 y se unió a su objetivo el día 15. Por último, el quinto ATV, llamado Georges Lemaître, partió desde Kourou el 29 de julio de 2014 y se acopló al Zvezda el 12 de agosto. Fue el ATV más pesado de la serie, con 20,3 toneladas.

 

Concluido el programa, con 1.350 millones de euros dedicados a su desarrollo, más otros 250 por cada vehículo, sin contar su lanzamiento y carga útil, pareció que su tecnología quedaría olvidada para siempre. Pero no sería así. La prolongación oficial de la vida útil de la estación espacial hasta 2020 propiciaría que la ESA tuviese que buscar otra forma de contribuir al coste de su mantenimiento. Después de largas conversaciones, se concretó que la ESA construirá el módulo de servicio de la cápsula Orion que la NASA está preparando para futuros vuelos lejos de la Tierra, el cual se basaría en el módulo de propulsión de los viejos ATV. Así pues, con este nuevo programa, Europa consigue varios objetivos: pagar su parte a la NASA de los costes de operación de la ISS, aprovechar la tecnología previamente desarrollada para los ATV, y finalmente participar en un programa tripulado de exploración que podría llevarnos a la Luna y finalmente a los asteroides y Marte.

 

Fue en mayo de 2011 cuando la ESA empezó a plantearse utilizar a un ATV modificado como módulo de servicio para la Orion, como contribución tras el final de este programa. El ATV, no obstante, estaba pensado para transportar suministros, por lo que disponía de un módulo presurizado y un módulo de servicio con un sistema de propulsión limitado, así como un sistema de cita espacial y de acoplamiento. La Orion sólo necesitaría una parte de estos elementos, así que el 21 de junio de 2012 se encargó a la empresa Airbus Defence & Space la elaboración de dos informes, con un coste total de 13 millones de euros, uno para determinar cómo debería ser un módulo de servicio para la Orion basado en el ATV, y otro para aumentar la capacidad de este último y convertirlo en un vehículo orbital multifuncional e independiente.

 

En base a los estudios, la ESA decidió el 21 de noviembre de 2012 centrarse en desarrollar el módulo de servicio para la Orion. Poco después, el 16 de enero de 2013, la propia NASA anunció que el primer vuelo del cohete SLS (Space Launch System), entonces previsto hacia 2017, llevaría una Orion a bordo equipada con el módulo de servicio de la ESA.

 

Según los planes aprobados, el Módulo de Servicio proporcionará a la Orion energía (gracias a varios paneles solares), control térmico, consumibles (agua y oxígeno, por ejemplo), y propulsión. El vehículo aprovechará buena parte del trabajo realizado para el ATV, pero añadirá varios elementos, incluyendo un motor principal adicional, y otros necesarios en todo programa tripulado.

 

La construcción de las unidades de prueba y ensayo estaban ya muy avanzadas a finales de 2016 (la ESA había otorgado a Airbus el contrato para la construcción del Módulo de Servicio el 17 de noviembre de 2014). Se espera que el primer descendiente del ATV vuele hacia 2018, en un viaje sin astronautas, pasando a 70.000 Km de nuestro satélite, para después visitar los puntos de Lagrange de la Luna. Todo ello permitirá demostrar el funcionamiento de todos los sistemas del vehículo, así como del cohete SLS. La ESA construirá un segundo vehículo para la siguiente misión, y se espera que haya nuevos pedidos posteriores.

 

Lo importante es que la exitosa tecnología de los ATV no va a perderse y que seguirá vigente durante muchos años más. Y en caso de que la ESA así lo decida, no será imposible que en el futuro se una el Módulo de Servicio de la Orion con una cápsula genuinamente europea, completándose así el círculo que permita que el Viejo Continente tenga su propio sistema tripulado de acceso al espacio.

 

 

 

Nombres

Lanzamiento

Hora (UTC)

Cohete

Polígono

Identificación

ATV-1 (Jules Verne)

9 de marzo de 2008

04:03:04

Ariane-5ES (V181)

CSG ELA3

2008-8A

ATV-2 (Johannes Kepler)

16 de febrero de 2011

21:50:55

Ariane-5ES (V200)

CSG ELA3

2011-7A

ATV-3 (Edoardo Amaldi)

23 de marzo de 2012

04:34

Ariane-5ES (V205)

CSG ELA3

2012-10A

ATV-4 (Albert Einstein)

5 de junio de 2013

21:52:07

Ariane-5ES (V213)

CSG ELA3

2013-27A

ATV-5 (Georges Lemaître)

29 de julio de 2014

23:47:38

Ariane-5ES (V219)

CSG ELA3

2014-44A

 

 

 

 

 

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