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martes, 16 de abril de 2013

Historia de la Soyuz


La Vostok 3KA unida a la etapa superior del cohete Vostok 8K72K y la cofia. 
La tecnología es un bien escaso en la URSS. [...] Muchas misiones soviéticas se han visto acosadas por los problemas técnicos. [...] No obstante, pese a los condicionamientos impuestos por la actual situación económica, los soviéticos han sabido hacer frente  a los problemas que plantea la ingeniería espacial y puede servirles de consuelo que la carrera finalmente no la ganó la liebre, sino la tortuga.

Estas palabras pertenecen a "El espacio: los próximos 100 años", un libro escrito en 1990 por Nicholas Booth. Sus páginas estaban repletas de rutilantes proyectos espaciales del futuro: la estación espacial norteamericana Freedom, el avión espacial británico HOTOL o la lanzadera europea Hermes. El libro no le dedica mucho espacio a los logros de la cosmonáutica. Booth prefirió pasar de puntillas sobre los obsoletos programas soviéticos, tan "acosados por los problemas técnicos". Veinte años después, ni uno sólo de los magníficos proyectos del libro de Booth se ha hecho realidad. Es más, el transbordador espacial estadounidense será retirado el año que viene sin que tenga un sustituto preparado. Y, sin embargo, las naves Soyuz siguen volando.

Ridiculizadas y criticadas hasta la saciedad durante muchos años, la "tortuga" Soyuz ha ganado la carrera a todas las "liebres" espaciales que se le han cruzado por el camino. Y vaya si ha ganado. Han tenido que pasar casi cincuenta años, pero su diseño ha salido finalmente victorioso. Tanto, que a partir de 2011 sólo existirán dos naves espaciales tripuladas en el planeta: la Soyuz rusa y la Shenzhou china.


Los orígenes

La humanidad había alcanzado el espacio gracias a la nave 3KA Vostok, creada por la oficina de diseño OKB-1 de Serguéi Korolyov. Los seis primeros cosmonautas soviéticos habían demostrado que se podía comer y dormir en el espacio y que la microgravedad no era un obstáculo importante para el ser humano. El diseño de la nave era sencillo, pero eficiente y seguro.


Diseño final de la Vostok 3K (Novosti Kosmonavtiki).




La cápsula esférica de la Vostok, apodada sharik ("bola" en ruso), era cómoda y amplia. Sin embargo, la nave presentaba varias limitaciones. La más grave tenía que ver con su forma. Al ser una esfera, la cápsula se orientaba automáticamente durante la reentrada atmosférica sin necesidad de ningún control activo gracias a la disposición de su centro de gravedad. Esto garantizaba un regreso libre de problemas para los cosmonautas, pero implicaba que la deceleración debida al rozamiento con la atmósfera -"fuerzas g"- fuese mucho mayor. Es lo que se llama una "entrada balística": directa y segura, pero sin ningún control en la ruta de descenso. Como si estuvieras dentro de una bala de cañón, vamos.


Sustentación (eje vertical) de varios vehículos espaciales durante la reentrada atmosférica dependiendo de su forma.

La solución pasaba por diseñar una cápsula con forma cónica o de campana. De esta forma, el vehículo generaría una pequeña fuerza de sustentación al atravesar las capas altas de la atmósfera. Minúscula, pero suficiente para reducir las fuerzas g de la reentrada. Frente a los 8-9 g que experimentaban los cosmonautas de la Vostok durante el regreso, una nave con forma de campana permitiría reducir la aceleración a unos "cómodos" 4 ó 5 g. Puede que la diferencia no sea excesiva, especialmente si tenemos en cuenta que los pasajeros eran rudos y experimentados pilotos de prueba, pero esto sólo es válido cuando uno regresa desde la órbita baja (LEO) a 8 km/s. Para misiones lunares o interplanetarias la velocidad de reentrada sería superior a 11 km/s. En este caso, la menor aceleración generada por la forma del vehículo deja de ser una simple "comodidad" para pasar a ser un requisito obligatorio, o lo que es lo mismo, viene a ser la diferencia que existe entre aterrizar sin problemas o con graves hemorragias en los órganos internos.

La Vostok tenía otra limitación: no podía realizar movimientos de traslación en órbita. Es decir, podía orientarse en sus tres ejes -control de actitud: guiñada, cabeceo y tonel-, pero era incapaz de otro tipo de maniobras. Este hecho, sumado a la ausencia de un túnel de acoplamiento que permitiese la unión entre varios vehículos, fue la razón que empujó a la oficina de diseño OKB-1 a buscar rápidamente un sustituto para la Vostok. La nueva nave debía ser capaz de superar estas limitaciones y plantar cara al futuro Apolo de la NASA.

El Departamento 9 de la OKB-1, dirigido por Mijaíl Tijonrávov y Konstantin Feoktístov -futuro cosmonauta-, sería el encargado de comenzar a diseñar la sucesora de la Vostok ya en una fecha tan temprana como 1958. El objetivo inicial de la nueva nave no sería modesto. Desde un primer momento se planteó como prioridad la capacidad para realizar misiones lunares, por lo que los ingenieros se tuvieron que enfrentar al problema de reducir la deceleración durante la reentrada a la vuelta de una misión de este tipo. Para complicar las cosas, el clima político de la Guerra Fría influyó en el diseño de manera drástica: la nave debía aterrizar en territorio soviético. Había que evitar que el vehículo pudiese caer en manos enemigas a toda costa. Este requisito fue esencial a la hora de diseñar una trayectoria de regreso óptima. Durante algún tiempo, el equipo de diseño jugó con la idea de dotar a la nave de alas u otras superficies de control, pero las elevadas tensiones y las cargas térmicas asociadas hicieron imposible seguir por este camino. Corrían los años 50 y el comportamiento hipersónico de vehículos en la alta atmósfera aún no se comprendía muy bien. Todavía faltaban algunos años para que se estudiaran en profundidad los cuerpos sustentadores, así que ésta tampoco era una opción.

El grupo de Tijonrávov ideó finalmente un perfil de reentrada lunar que permitiría mantener la decelración por debajo de los 6 g y al mismo tiempo asegurar el descenso en territorio soviético. La trayectoria sería muy similar a la de una piedra que rebota en un estanque. Según este plan, la cápsula reentraría primero en la atmósfera sobre el polo sur, disipando la mayor parte de su energía cinética. A continuación volvería al espacio exterior sobrevolando el Océano Índico antes de descender finalmente sobre la URSS. Este esquema, denominado "doble inmersión", sería también el elegido para las naves Apolo -allí lo llamarían skip reentry-, aunque en este caso los requisitos de la trayectoria no eran tan exigentes. Al fin y al cabo, amerizar en el Océano Pacífico requería menos precisión.



Perfil de la reentrada de una cápsula Apolo después de regresar de la Luna (NASA).


Perfil de reentrada de una Soyuz 7K-L1/Zond.

Pero aún quedaba por elegir la forma óptima para la cápsula. Tras numerosos cálculos y pruebas conjuntas entre el Departamento 11 de la OKB-1 y los institutos NII-88, NII-1 y TsAGI (Instituto Central de Aerohidrodinámica), se llegó a la conclusión de que la forma de campana sería la más idónea para la nueva nave. De este modo, la onda de choque permanecería a cierta distancia del vehículo durante la reentrada, aumentando la resistencia y, paradójicamente, disminuyendo la temperatura que debía soportar el escudo térmico. Un centro de gravedad desplazado permitiría maniobrar la cápsula en la alta atmósfera jugando con la pequeña fuerza de sustentación generada por la forma cónica. La propia cápsula se convertía así en un ala muy rudimentaria.

El método de aterrizaje también fue objeto de un intenso debate. Korolyov no se sentía satisfecho con el sistema de paracaídas tradicionales propuesto para la Vostok, por lo que estudió la posibilidad de emplear un rotor de helicóptero desarrollado por Mijaíl Mil, entre otros sistemas aún más exóticos. Las limitaciones de tiempo y dinero -sobre todo las de tiempo- obligaron a confiar en los paracaídas una vez más.


Séver y 1L

Después de mucho esfuerzo, en 1962 los ingenieros de la OKB-1 crearon un diseño original para la nueva nave que la haría inconfundible. Hasta ese momento las naves más avanzadas, tanto las futuras Apolo o Gémini estadounidenses como la Vostok soviética, estaban formadas por dos partes: la cápsula con los cosmonautas y un "módulo de servicio o propulsión" desechable con el motor principal, combustible y otros sistemas adicionales. La cápsula era tremendamente pesada debido al escudo térmico de ablación que la protegía de las fieras temperaturas de la reentrada, así que una forma de aligerar la nave era trasladar muchos de los sistemas al módulo de servicio. Y ya sabemos que el peso es la pesadilla de cualquier ingeniero aeroespacial. En un intento por hacer menos masiva la nueva nave, los ingenieros del Departamento 11 de la OKB-1 crearon una nave dividida en tres módulos. Además de la cápsula y el módulo de servicio, incorporaría un "módulo orbital" cilíndrico donde los cosmonautas podrían trabajar y vivir en órbita. No sólo proporcionaría espacio extra, ya que este módulo iría también equipado con varios sistemas de soporte vital y víveres. Como resultado, la cápsula sería mucho más pequeña y menos pesada. El módulo orbital podría servir además de esclusa para paseos espaciales. El precio que habría que pagar por estas ventajas sería un volumen muy reducido en el interior de la cápsula. La posición que debía ocupar el nuevo módulo no estaba muy clara al principio. Inicialmente, se sugirió situarlo entre el módulo de servicio y la cápsula, pero esto habría supuesto incluir una escotilla de conexión en el escudo térmico. Los ingenieros de la OKB-1 no estaban dispuestos a correr este riesgo, así que finalmente el módulo orbital iría situado en la parte delantera de la nave. Más adelante sí que aparecerían diseños con escotillas en el escudo, como fue el caso de la Soyuz VI o la TKS.

En los Estados Unidos, los ingenieros de General Electric idearon una configuración similar para su propuesta de nave Apolo. La Apollo D-2 fue finalmente descartada en favor de la propuesta de North American, que seguía a rajatabla las indicaciones de la NASA, pero su existencia demuestra que esta idea rondaba las mentes de los ingenieros a ambos lados del telón de acero.




Comparación entre la Apollo D-2 y la Soyuz LOK (astronautix.com)

El caso es que el nombre de la nueva nave soviética aún no se había decidido, pero por entonces la OKB-1 realizó diversos estudios de las posibles aplicaciones de este vehículo bajo la denominación general de Séver ("norte") y 1L. Séver debía ser una nave para vuelos tripulados a la órbita baja, quizás a estaciones espaciales. Por su parte, el proyecto 1L tenía como objetivo el sobrevuelo de la Luna mediante varios lanzamientos. La nueva nave tripulada de tres módulos se acoplaría en órbita a otras dos naves sin tripulación lanzadas previamente. Estos vehículos llevarían el combustible necesario para sobrevolar la Luna. Por entonces, la Unión Soviética carecía aún de un lanzador lo suficientemente potente como para lanzar una nave hacia nuestro satélite de forma directa, pero Korolyov ideó un plan para utilizar solamente al R-7 Semyorka, el caballo de batalla de la OKB-1. Es decir, 1L emplearía un esquema de misión basado en acoplamientos en órbita baja o EOR (Earth Orbit Rendezvous) en el lenguaje de la NASA. Este plan parecía sencillo, ya que sólo requería emplear cohetes derivados del R-7, pero debemos recordar que a principios de los años 60 las operaciones de acoplamiento y trasvase de combustible en órbita eran aún terra incognita para los ingenieros. Ya a finales de 1961, el Departamento 3 de la OKB-1 dirigido por Ya. P. Kolyako había estudiado las técnicas de trasvase de combustible en órbita bajo la dirección de K. D. Bushuev y S. S. Kryukov. Por su parte, el Departamento 27, dirigido por Borís Raushenbaj, se había dedicado a analizar las características de los acoplamientos automáticos en órbita baja.

El 26 de enero de 1962, el propio Korolyov propuso un plan de sobrevuelo tripulado lunar fusionando los conceptos de Sever y 1L con la nave Vostok. Sin duda, los recientes éxitos del Vostok habían hecho replantearse al Ingeniero Jefe la conveniencia de deshacerse de esta nave tan rápidamente. En vez de usar la nueva nave, Korolyov sugirió cambiar el proyecto 1L y emplear una nave Vostok modificada (denominada Vostok 7 ó 7K) que se acoplaría a tres módulos de propulsión 9K para construir un complejo en órbita baja con una masa total de 15-25 toneladas. De este modo, serían necesarios cuatro lanzamientos de cohetes derivados del R-7 para una misión de sobrevuelo lunar. Además de las misiones lunares, la OKB-1también sopesó la posibilidad de construir una estación espacial usando diversos módulos. El 10 de marzo de 1962 Korolyov aprobó el diseño preliminar de este proyecto en un estudio denominado "Complejo para el ensamblaje de vehículos espaciales en una órbita de satélites artificiales". En este documento aparece por primera vez el nombre Soyuz(Союз, "unión" en ruso), sin duda haciendo referencia a los acoplamientos en órbita baja. Soyuz era la designación de todo el proyecto en su conjunto, aunque no olvidemos que, curiosamente, la nave principal debía ser ahora una versión de la Vostok. El 16 de abril de 1962, las autoridades soviéticas aprueban el decreto "Sobre el desarrollo del complejo Soyuz para vuelos tripulados a la Luna", apoyando el desarrollo de la Vostok 7 para sobrevuelos lunares, aunque sin asignar la financiación correspondiente. Este proyecto se conoce a veces como "Primer Complejo Soyuz", para distinguirlo del programa 7K-9K-11K posterior.


Soyuz 7K (Soyuz A) y el Complejo 7K-9K-11K

Aunque el Primer Complejo Soyuz tuvo cierta resonancia, al final las limitaciones iniciales de la Vostok eran demasiado evidentes, especialmente cuando se comparaba con las capacidades que debía tener la nueva Apolo de la NASA. A mediados de 1962 Korolyov cambia una vez más de idea y decide fusionar las propuestas de los proyectos Séver y 1L en un nuevo proyecto denominado Objeto 7K o, simplemente,7K -no confundir con la Vostok 7K anterior-. Al igual que el Primer Complejo Soyuz y el proyecto 1L, 7K tendría por objetivo principal el sobrevuelo de la Luna mediante el acoplamiento en órbita baja de varios vehículos. La nave tripulada incorporaría el diseño con tres módulos propuesto para los proyectos Séver y 1L, incluyendo una cápsula con forma de campana y un módulo orbital cilíndrico. Las partes de la nave se denominarían oficialmente BO (Bitovoi Otsek/Бытовой Отсек, БО, "módulo habitable"), SA (Spuskaemi Apparat/Спускаемый Аппарат, СА, "aparato de descenso") y PAO (Priborno-Agregatni Otsek/Приборно-Агрегатный Отсек, ПАО, "módulo de instrumentación y propulsión"). La 7K tendría una masa de 5,5-5,8 toneladas y una longitud de 7,7 metros. Su configuración era prácticamente similar a la Soyuz que todos conocemos, aunque el módulo orbital retenía la forma de cilindro. Posteriormente se decidiría cambiar el diseño del BO para aligerar el peso de la nave dotándole de forma esférica. Curiosamente, la nave china Shenzhou ha incorporado un diseño cilíndrico para su módulo orbital.





Soyuz 7K original (Wikipedia).






Partes de la Soyuz en una Soyuz-TMA moderna.

La Soyuz 7K podría llevar a dos cosmonautas a la órbita baja o a la Luna. Para este último caso, Korolyov ideó el Complejo 7K-9K-11K. Primero se lanzaría una nave no tripulada denominada 9K, nave que debería proporcionar el impulso para mandar la 7K hasta la Luna. La 9K tendría una masa de 5800 kg, 7,8 metros de longitud y estaría dividida en dos secciones, 9KN -desechable- y 9KM. Los tanques de combustible de la 9K estarían vacíos, por lo que se acoplaría con cuatro naves 11K que trasvasarían los propergoles necesarios. Cada una de las 11K tendría 6100 kg y 4,5 metros. Finalmente, la 7K con dos tripulantes se uniría a la 9K y pondría rumbo a la Luna. En total serían necesarios seis lanzamientos de cohetes basados en el Semyorka (11A55 y 11A56). La OKB-1 mantuvo el nombre genérico de Soyuz para el proyecto 7K-9K-11K, por lo que a veces se le llama Segundo Complejo Soyuz o Complejo Soyuz a secas. El 24 de diciembre de 1962 Korolyov firmaría el proyecto preliminar 7K-9K-11K. En algunas referencias, la Soyuz 7K suele aparecer como Soyuz A, pero en realidad se trata de una denominación incorrecta inventada a principios de los años 80, cuando el Complejo 7K-9K-11K aún era secreto. Del mismo modo, muchas veces se denomina incorrectamente al proyecto 7K-9K-11K como Soyuz A-B-V (A, B y V son las tres primeras letras del alfabeto cirílico).



Posible apariencia del proyecto 7K-9K-11K (Wikipedia/Astronautix.com).


Soyuz 7K y módulo propulsor 9K.



Módulo de combustible 11K.

El 10 de mayo de 1963 la OKB-1 daba el visto bueno al proyecto. Se trataba de un trámite interno, sin repercusión oficial fuera de la oficina de diseño, pero implicaba que el diseño ya estaba maduro. Por su parte, el diseño preliminar de la Soyuz 7K sería aprobado formalmente por el decreto del Consejo de Ministros de la URSS nº 346-160 del 16 de abril de 1962. Habría que esperar al decreto nº 11284-435 de 3 diciembre 1963 para que las autoridades soviéticas aprobasen la construcción de la nave. Los encargados principales del programa Soyuz 7K serían E. A. Frolov, A. F. Topol y -a partir de 1964- Yuri Semenov. El Departamento 15, dirigido por G. G. Boldyrev, sería el encargado de supervisar las tareas de construcción junto con el Departamento 6 de N. G. Sidorov. Mijaíl Tijonrávov, K. D. Bushuev y Borís Chertok también participarían activamente en el diseño de los distintos sistemas de la Soyuz.



Los principales encargados del diseño de la Soyuz: Frolov, Topol y Semenov (RKK Energía).


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