El aerofreno o frenado atmosférico , es una maniobra mecánica espacial que permite modificar las características de la órbita elíptica de una nave espacial utilizando las fuerzas de fricción ( arrastre ) que ejerce la atmósfera del planeta. Esta maniobra se utiliza principalmente para colocar una sonda espacial procedente de la Tierra en su órbita de trabajo alrededor del planeta que se va a estudiar. Gracias a esta técnica, el barco utiliza significativamente menos propulsor que si hubiera recurrido a sus motores; la economía de combustible conseguida permite reducir la masa de la sonda y, por tanto, su coste, y aumentar la parte de la carga útil .
El aerofreno es una maniobra muy delicada porque puede llevar a la destrucción de la nave espacial si la trayectoria no es precisa. Para que el cambio de órbita sea significativo, es necesario realizar numerosos pasajes en la atmósfera: la fase de aerofreno suele durar varios meses. El aerofreno solo se puede realizar en un planeta con atmósfera. La primera sonda espacial que utilizó esta técnica fue la sonda japonesa Hiten en 1991. Los últimos cuatro orbitadores lanzados por la NASA hacia Marte también utilizaron frenos de aire.
Una sonda espacial lanzada desde la Tierra a otro planeta llega a una velocidad obviamente demasiado alta para poder orbitar a su alrededor. Si el planeta es relativamente masivo, como Marte o Venus , y la sonda espacial necesita entrar en una órbita de baja altitud (lo que generalmente es deseable para obtener información de calidad con instrumentos científicos), la desaceleración requerida puede ser de varios km / s. Los motores de la nave espacial son responsables de frenar la nave espacial en el momento óptimo. Según la ecuación de Tsiolkovsky , este frenado requiere llevar una cantidad de combustible que representa una gran parte de la masa del orbitador (hasta el 50% para un orbitador marciano). Después de un primer frenado que garantiza el lanzamiento a la órbita, se llevan a cabo una o más maniobras de frenado adicionales en momentos elegidos juiciosamente para alcanzar la órbita objetivo. Si el planeta objetivo tiene atmósfera, se puede ahorrar parte de este combustible. La sonda se inserta con la ayuda de sus motores en una órbita fuertemente elíptica que, por lo tanto, consume solo una parte del combustible necesario para alcanzar la órbita objetivo. El perigeo de esta órbita (el punto más cercano al planeta) está configurado para que la sonda pase a través de las capas superiores de la atmósfera. La sonda, cada vez que atraviesa la atmósfera, se frena, lo que disminuye su apogeo. Repitiendo esta maniobra hasta cientos de veces, el clímax puede acercarse al planeta. Esta fase de la misión puede ser larga (más de 6 meses típicamente para un orbitador marciano) pero ahorra una parte sustancial del combustible. Una vez que el apogeo ha alcanzado el valor objetivo, el perigeo se eleva utilizando los motores a su valor nominal.
La ralentización debida a las fuerzas de arrastre transforma parte de la energía cinética de la nave espacial en energía térmica, lo que da como resultado el calentamiento de las partes expuestas de la sonda espacial que deben tener un aislamiento térmico adecuado. Además, la presión ejercida por el arrastre requiere que la resistencia mecánica de la estructura de la sonda espacial sea suficiente; este debe ser el caso en particular de los paneles solares que, por su superficie, proporcionan la mayor parte del frenado, aunque tradicionalmente tienen, por razones de masa, una estructura muy ligera. Los paneles solares pueden extenderse voluntariamente mediante persianas para aumentar el arrastre y podemos jugar con su orientación para modularlo.
Si la sonda se sumerge demasiado profundamente en la atmósfera, puede alcanzar una temperatura demasiado alta o sufrir fallas mecánicas debido a las fuerzas de arrastre. En el caso de Marte, elegir la altitud adecuada es particularmente difícil porque la presión atmosférica en altitud puede variar bruscamente: la altitud a la que la sonda atraviesa la atmósfera debe adaptarse a cada paso teniendo en cuenta los cambios meteorológicos observados y de la variación de velocidad. obtenido durante el pasaje anterior. Los especialistas de la misión, que recalculan y transmiten los nuevos parámetros orbitales con cada pasada, están sometidos a una presión creciente a medida que la órbita desciende y los cruces atmosféricos se suceden rápidamente.
Característica | Magallanes | Mars Global Surveyor | Mars Odyssey | Orbitador de reconocimiento de Marte |
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Año de lanzamiento | 1989 | 1996 | 2001 | 2005 |
Secado masivo | 1035 kilogramos | 677 kilogramos | 380 kilogramos | 968 kilogramos |
Número de órbitas dedicadas al aerofreno | 730 | 886 | 330 | 428 |
Duración de la fase de aerofreno (días) | 70 | 17 meses | 77 | 149 |
Modificación de la periodicidad de la órbita (horas) | 3,2 ⇒ 1,6 | 45⇒1,9 | 18⇒2 | 34⇒1,9 |
Delta-V ahorrado (m / s) | 1220 | 1220 | 1090 | 1190 |
Ergols ahorrado (kg) | 490 | 330 | 320 | 580 |