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Viernes, 21 junio 2013
Astrodinámica

Gran Enciclopedia de la Astronáutica (119): Aerodinámica

Aerodinámica

Física

Para alcanzar el espacio procedentes de la superficie terrestre, o incluso para regresar de él, los vehículos que desarrolla la astronáutica deben atravesar la capa de aire que rodea a la Tierra. Debido a ello, los cohetes y algunas naves deben ser diseñados con características aerodinámicas muy concretas, es decir, deben tener una forma óptima para facilitar su desplazamiento por la atmósfera.

La ciencia que estudia todo lo relacionado con los movimientos del aire (o medio gaseoso), y en particular cuando éste interacciona con un cuerpo sólido, incluyendo los fenómenos asociados a ello, se llama aerodinámica. Es esencial para construir aviones fiables, y lo es incluso para diseñar un automóvil veloz, aparatos cuya vida útil completa transcurrirá dentro de la atmósfera. En cuanto a los vehículos espaciales, pasarán un corto período en ella, ya sea durante el despegue o durante el regreso, por lo que sólo durante esos momentos su forma deberá tener en cuenta las leyes aerodinámicas.

Dado que se trata de que un cohete atraviese la atmósfera lo antes posible, alcanzando pronto la velocidad orbital, se hace necesario que su punta, y algunas otras partes de su estructura, tengan la forma apropiada para ofrecer la mínima resistencia posible al aire. Así se reducirá el rozamiento y el gasto de energía que se precisa para alcanzar el objetivo.

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Las formas aerodinámicas ideales de los vehículos que deban ascender o desplazarse a través de la atmósfera dependen de su velocidad máxima. No es lo mismo volar a velocidad subsónica (inferior a la velocidad del sonido), que hacerlo a una transónica (cercana), supersónica (igual o superior), o hipersónica (muy superior). Así, el cono delantero de un cohete, que alcanzará una velocidad hipersónica aún dentro de la atmósfera, deberá tener una forma redondeada en su extremo cónico, mientras que a un avión supersónico le bastará tener un frontal con forma puntiaguda, y a una bala (subsónica), la suya propia. Si la forma es adecuada, se reducirá el rozamiento, y con ello el calentamiento, evitando la superación de límites peligrosos.

El cono protector o carenado es esencial para proteger la carga útil de los cohetes. Los satélites o sondas interplanetarias no deben tener ninguna forma aerodinámica, puesto que no operarán en la atmósfera, así que dependen del primero para atravesarla a salvo durante el lanzamiento. Los carenados no son desprendidos hasta que el aire se enrarece suficientemente y deja de ofrecer resistencia.

Durante el regreso de un vehículo espacial, la aerodinámica juega un papel mucho más importante. La velocidad es máxima durante la reentrada, de modo que también lo será el rozamiento. Debido a ello, un vehículo que quiera sobrevivir a esta maniobra deberá estar bien protegido ante los efectos aerodinámicos, o de lo contrario se desintegrará por el calor experimentado. Las cápsulas, por ejemplo, son diseñadas con una forma cónica o en forma de campana, o incluso de esferas, proporcionando más o menos sustentación y permitiendo ello controlar el régimen de desaceleración. Además, deben llevar escudos térmicos para disipar el calor. Los aviones espaciales, como el antiguo Space Shuttle o el X-37, disponen de su propio escudo, pero además poseen superficies aerodinámicas móviles (alas, alerones, timón…) que permitirán, una vez alcanzada la velocidad adecuada, navegar en la atmósfera como un avión convencional, aunque sea sólo en una fase de planeo.

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La experiencia y las pruebas han hecho que los ingenieros hayan alcanzado soluciones apropiadas para los retos aerodinámicos de los vehículos espaciales en el entorno terrestre. Pero hay otros destinos que pueden tener atmósfera, como el planeta Marte, y un vehículo que deba aterrizar en este último debe también tener en consideración diversas limitaciones aerodinámicas. Dado que la densidad atmosférica marciana (uno de los elementos a tener en cuenta) no es igual a la de la Tierra, sino muy inferior, no podremos utilizar los mismos parámetros para diseñar el sistema de descenso de la sonda. Esto se puede hacer de forma teórica, en base a mediciones realizadas por misiones previas, pero la variabilidad atmosférica marciana es conocida y hay que hacer pruebas en laboratorios para lograr las mejores formas aerodinámicas y los mejores materiales térmicos de protección. Lo mismo podría decirse de una cápsula, como la de la sonda Galileo, que penetrase en la atmósfera de Júpiter. Si queremos maximizar el tiempo de trabajo del vehículo, deberán tenerse muy presentes las condiciones aerodinámicas de la atmósfera superior joviana y proteger al ingenio de la forma más adecuada.

Hay algunos vehículos espaciales especialmente notorios por su falta de aerodinámica. Es el caso del Módulo Lunar del programa Apolo, cuya forma, inutilizable en la atmósfera terrestre a gran velocidad, reflejaba la total ausencia de aire en el entorno lunar.

Utilizados habitualmente para el desarrollo de aviones, los túneles de viento se emplean también para averiguar las características aerodinámicas de nuevos cohetes y naves espaciales aladas. Aptos para determinados regímenes de velocidad, es posible utilizar modelos de los vehículos en ellos para certificar que los cálculos matemáticos previos que han determinado su configuración han sido acertados. Los túneles de viento pueden descubrir problemas de inestabilidad aerodinámica o turbulencias que podrían causar la destrucción del cohete real.





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