ORION, LA NUEVA NAVE ESPACIAL DE LA NASA

Por: Rafael Harillo Gómez-Pastrana

Orión, el cazador mitológico que destaca entre las constelaciones, da  continuación a la saga de mitológicas denominaciones  de las naves espaciales norteamericanas Mercury, Gemini y Apolo,  interrumpida por los nombre de los navíos de exploración de diferentes armadas que dieron nombre a los transbordares espaciales.

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Siendo el nombre oficial MPCV (Multipurpose Crew Vehicle), utilizaremos Orión para referirnos al conjunto formado por el Módulo de mando tripulado (Crew Module), el de servicio, (Service Module), el sistema de escape (Launch Abort System) y los adaptadores de los diferentes elementos y de la nave al lanzador, que será el Space Launch System (SLS), actualmente en desarrollo.

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Un poco de historia a modo de  introducción: a raíz de la tragedia del Columbia en febrero de 2003, y el descarte de otras opciones de “avión espacial “, se empezó a pensar en la NASA en la retirada del sistema del Space Shuttle volviendo a una configuración mas clásica; de ahí nace el proyecto Constellation, desarrollado entre 2005 y 2009,  por el que  se crearían la nave multifunción Orión, el módulo de descenso Altair y  los lanzadores Ares I y Ares V; pero ulteriores reestructuraciones presupuestarias cancelaron el proyecto, rescatándose durante la Administración Obama el proyecto de cápsula Orión y desarrollándose el lanzador SLS sobre la base de la tecnología existente derivada del Saturno V y del transbordador.

La necesidad de disponer, no ya de un mero sistema de acceso al espacio, si no de una nave que nos saque de la baja órbita terrestre  (LEO) en la que llevamos anclados desde 1972 se convierte en prioridad. Con el cambio de paradigma en la industria espacial y el acceso comercial al espacio patrocinado  por la NASA  y la FAA-AST, al que se han sumando importantes empresas (Space X, Orbital, Sierran Nevada, Boeing, etc) y que busca dejar a la iniciativa privada el reabastecimiento de la ISS y las operaciones en la zona mas adyacente a la Tierra, era necesario el desarrollo de una nave espacial con capacidades que nos pueda llevar mas allá, a donde ya hemos  estado y a donde ningún hombre ha llegado jamás.

Si bien a simple vista parece evidente un paralelismo de configuración,  Orión no es una simple adaptación de Apolo con esteroides. Veremos que existen un gran número de diferencias de planteamiento, de diseño y de equipamiento, convirtiendo la nave en un desarrollo de última generación que ha de llevarnos a la Luna, a los asteroides y a Marte, la gran meta final que, por el momento, parece haberse fijado la humanidad en su incipiente andar por el espacio.

Dividiré esta necesariamente breve reseña en tres partes; la primera analizará los tres elementos esenciales de la nave Orión, El módulo de Tripulación, El de Servicio y el Sistema de Escape; en la segunda me centraré en la descripción del Test  Flight llevado a cabo en Diciembre de 2014 y finalmente me referiré al calendario de eventos previsto y las misiones que se espera cubra la nave.

I ) Orión.

  • I.a) El módulo tripulado es un conjunto cilíndrico – cónico, fabricado (como main contractor)  por Lockheed Martin y similar en aspecto a las conocidas cápsulas Apolo, con capacidad para cuatro astronautas ( el primer diseño era para seis) en viajes de corta y mediana duración, (hasta 21 días sin necesidad de módulos habitables auxiliares),  construida en una aleación de aluminio-litio y con unas medidas de 5,02 metros de diámetro, 3,30 metros de altura y un volumen interior de 19,56 m3 de los cuales son  habitables 8,95m3, teniendo el conjunto una masa al despegue de 8.900 Kg. Se espera que gracias a sus características de reutilización, cada módulo sea utilizado unas diez veces, lo que abaratará considerablemente los costes de misión.

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El CM incluye el sistema de acoplamiento compatible con la ISS y otras unidades como podrán ser los necesarios vehículos de descenso a los diversos destinos que se piensan, o con módulos auxiliares para viajes de larga duración. El sistema, denominado  Low Impact Docking System permite la conexión mediante 24 puntos de atraque que aseguran el acoplamiento mediante un sistema que incluye el anillo de captura, los pétalos guía que son el primer elemento que hace contacto y alinea los módulos  y los propios sistemas de enganche. Para estas funciones Orión emplea  sensores de navegación y un LIDAR (Light Detection and Ranging) que calcula con muchísima precisión los parámetros para el acoplamiento. Una vez realizado el acoplamiento, los tripulantes podrán desplazarse a través de un túnel  80 cm de diámetro; obvio decir que la realización de cualquier EVA difícilmente se podría llevar a cabo desde el CM y requerirá un módulo extra donde ubicar los trajes espaciales, equipos y las propias cámaras estancas.

 

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Ensayos llevados a cabo en el modelo de la Orion para estudiar la integración con los astronautas y el manejo de la nave. Foto: James Blair, NASA.

 

Prueba de que no se trata de una simple adaptación, el listado de las innovaciones  que el CM incorpora un innovador “glass cockpit” de clara inspiración en el Boeing 787 y que conlleva entre otras muchas ventajas  una sustancial reducción de peso; además de los necesarios interruptores, (recordemos que los transbordadores tenían más de dos mil),  la base la constituyen seis pantallas táctiles de 20 pulgadas, aunque ya se trabaja en una evolución hacia tres de mayor tamaño. Recientemente se han llevado a cabo pruebas con astronautas equipados con trajes de vuelo para verificar la funcionalidad de los mandos y equipos. Una de las ventajas del software de procedimiento previsto será eliminar muchos kilos de peso de los clásicos manuales operaciones en papel.

 

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Detalle del glass cockpit de la nave

 

En la estructura  del módulo se han utilizado composites y se han primado mucho los aspectos de mejora de soporte vital, la propia comodidad de la tripulación, la optimización de los sistemas de  control ambiental, los protocolos y equipos de detección de riesgos, los servicios higiénicos (a diferencia del rudimentario sistema de bolsas) y se ha prestado especial atención en  cubrir las contingencias que pudieran darse en las maniobras de  aterrizaje/amerizaje así como en la  recuperación.

Por lo que hace a los equipos de navegación también se han aplicados innovadores sistemas  para la reentrada en la atmosfera, la adopción de sistemas autónomos de encuentro y acoplamiento, incorporando el ya citado sistema de acoplamiento de baja velocidad, sistemas de adquisición Gps de alta velocidad y sensores muy mejorados.

La aviónica, mando y comunicaciones también se ha trabajado mucho; el verdadero cerebro de la nave es el Vehicle Management Computer, que integra con sus sistemas de alta capacidad y velocidad  sistemas redundantes de  control de vuelo, y una eficaz  red Ethernet que conecta múltiples sistemas de CM incluyendo comunicaciones, unidad de procesado de vídeo, sistema de navegación, potencia y sistemas de control de la nave. La potencia de computación ha dado un salto cuantitativo y cualitativo y el control de la envolvente de vuelo es una prioridad.

Los sistemas de protección termal tanto activos como  pasivos se han mejorado mucho y destaca el nuevo escudo ablativo con estructura de composite para la reentrada; Situado en la base del CM, es una estructura con esqueleto de titanio y una piel de fibra de carbono  que habilita las celdas que se rellenan con el material ablativo que absorberá la temperatura: 330.000 celdas de material técnico,  con un grosor de cuatro centímetros que es estima perderá un 20% de su masa al cumplir la misión, protegiendo de esta manera a la tripulación y los equipos.

Respecto a la protección contra la radiación se ha buscado un diseño que coloque a la tripulación físicamente rodeada de la mayor cantidad de equipo posible, buscando materiales de construcción con alto contenido de hidrógeno en su composición, dado que precisamente uno de los mas efectivos sistemas de escudo antirradiación es el agua. Se debe tener en cuenta de que al tratarse de una nave pensada para vuelos de media y larga duración a distancia, el tema de prevención de los efectos nocivos de la radicación se ha priorizado, aplicando todos los conocimientos adquiridos en los años de utilización de la ISS.

Todos los sistemas están diseñados para poder ser actualizados conforme el estado de la técnica vaya mejorando, de forma que siempre opere con los mejores sistemas posibles sin necesidad de rediseños profundos del programa. Habida cuenta los largos desarrollos temporales en el sector aeroespacial, esta consideración es altamente eficaz, ya que con el actual desarrollo del estado de la técnica, el diseño inicial puede encontrar elementos de obsolescencia cuando llegue el momento del vuelo.

 

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Orion MPCV. NASA

 

Sobre la sección cilíndrica del módulo, donde se ubican los asientos, se instala la sección cónica, provista de cuatro ventanas, dos de ellas para horizonte y dos para facilitar el acoplamiento. La estructura básica de la nave, con estos dos componentes,  está recubierta de diferentes capas de elementos  de control término y elementos de protección contra micrometeoritos y restos espaciales potencialmente peligrosas,  básicamente celdas de titanio y materiales de composite. Estos elementos de recubrimiento de la estructura básica son los que configuran el aspecto final de cápsula.

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Realizada la reentrada con éxito, corresponderá al complejo sistema de paracaídas de kevlar y nailon  la estabilización y el frenado de la cápsula hasta los treinta kilómetros por hora, teniendo en cuenta que Orión está diseñada tanto para aterrizar en tierra (primera opción) como para amerizar. Esta segunda opción obviamente implica un mayor despliegue de medios navales. Los paracaídas se encuentran resguardados en la zona adyacente al túnel de acoplamiento en la parte delantera de la cápsula, rodeándolo y  deben resistir el calor de la reentrada, por lo que están fuertemente protegidos. El sistema está diseñado de forma que permite el fallo de uno de los tres paracaídas principales y asegura el aterrizaje en condiciones de seguridad. Finalmente, cinco grandes balones se inflan para estabilizar la nave y/o asegurar su flotabilidad.

  • I.b) El módulo de servicio, construido por Airbus Defense & Space,  presenta de entrada una característica no estrictamente técnica que  lo hace realmente destacar frente a sus predecesores: está construido en Europa, fruto de la colaboración entre la NASA y la ESA y buscando hacer la valer la valiosa y exitosa experiencia de esta última en el desarrollo de los vehículos automatizados ATV que  por cinco veces lograron reabastecer la ISS. Precisamente esta colaboración es el germen de lo que se espera sucede al abordar proyectos de la entidad de un viaje a Marte.

Básicamente  se trata de un cilindro de cuatro metros de diámetro y dos metros de altura (que con los conectores con el CM y con el lanzador, se extiende otros dos metros más);   sobre esta estructura se instalan los paneles solares (una estructura en forma de aspa con cuatro paneles de Arseniuro de Galio con una capacidad de 120 V y con una salida de potencia de 112 Kw.) que proporcionan al conjunto una envergadura de aproximadamente diecinueve metros.

En este módulo encontramos los sistemas de propulsión, y las reservas de agua y gases básicos, así como equipos de  control térmico.

Respecto a la propulsión, la nave dispone de un conjunto de treinta y tres motores de tres tipos diferentes: el motor principal es el motor de maniobra orbital del transbordador espacial debidamente mejorado y actualizado, un Aerojet Rocketdyne AJ10-190  que entrega 25,7 KN; además contamos en la base de la estructura con ocho propulsores R-4D-11 de 490 Newtons cada uno para maniobras de corrección orbital y finalmente 24 pequeños motores de 220 Newtons agrupados en módulos de cuatro unidades en seis pods para control de actitud de la nave.

Como propelente para los sistemas de propulsión citados se dispone de 4 tanques de óxido de nitrógeno como oxidante y  monometilo de hidracina como fuel; los  cuatro tanques, a 25 bar de presión, almacenan 9200 kilogramos, que son debidamente inyectados hacia los propulsores  gracias al helio contenido en otros dos tanques.

El módulo de servicio incorpora asimismo otros cuatro tanques con 240 kg de agua potable; un tanque de nitrógeno con 30 Kg y tres tanques de oxigeno con 90 Kg.

Finalmente, el control ambiental se gestiona con la combinación de sistemas activos y pasivos que incorporan  seis radiadores, difusores y sistemas aislantes multicapas.

  • I.c)  Con el Sistema de Escape (LAS) se busca potenciar  la seguridad de la tripulación en la fase crucial de despegue. Todos tenemos  en la memoria la imagen del Challenger en su fatal lanzamiento y la inexistencia de un sistema que permitiera a los astronautas salir del infierno desatado en la explosión; eso se ha corregido con el actual diseño. El complejo sistema está integrado por seis componentes:

a) el segmento que cubre la cápsula, proporcionándole protección e integridad estructural.

b) el motor de escape propiamente dicho, encargado de separar la cápsula Orión en caso de accidente o desvió fatal de la trayectoria, alejándolo de un fallo de lanzador.

c) el motor de eyección del sistema, que, una vez efectuado el lanzamiento con éxito, desprenderá el Sistema de escape de la cápsula dejándola en configuración de vuelo, operaciones y reentrada.

d) las necesarias estructuras de interconexión entre etapas.

e) el  motor de control de actitud para proceder a los ajustes necesarios en caso de activación.

f) y el cono  que culmina la estructura proporcionando la necesaria aerodinámica en el lanzamiento.   Todo ello en una estructura de 13.3 metros y alrededor de seis toneladas de peso. Seis puntos de anclaje unen la estructura con el CM. El motor de escape proporciona 1.760 KN. Hay que tener en cuenta que el uso del LAS se llevaría a cabo en situación de emergencia, por lo que estamos ante una acción altamente dinámica que sometería a la tripulación a unos nada desdeñables 10g.

Se han ensayado diferentes escenarios de aborto de misión en los se activaría el sistema de escape y que incluyen opciones desde la propia plataforma de lanzamiento,  a baja altura  (<7.5 KM), media  (entre 7.5Km y 45.5 Km) y  alta (100 Km). En todas las pruebas efectuadas los resultados han sido positivos.

 

II).-  El calendario de eventos para el desarrollo del proyecto Orión incluía el denominado Test Flight-1 llevado a cabo el cinco de Diciembre de 2014; El test se realizó básicamente sobre la cápsula del CM, una representación estructural del módulo de servicio actualmente en construcción y parte del sistema de escape con el motor de desacople; el lanzamiento se llevó a cabo con un Delta IV Heavy, construido y operado por United Launch Alliance, desde la plataforma SLC-37B de Cabo Cañaveral y en una misión de cuatro horas, veinticuatro minutos y cuarenta y seis segundos se llevó a cabo un vuelo de dos órbitas a la Tierra en los que se pudieron poner a prueba diversos sistemas de Orión, como los de separación de la torre de escape, el funcionamiento de la aviónica, el vital comportamiento del escudo de reentrada, los paracaídas y la coordinación y protocolos de las operaciones de rescate en el mar.

 

 

El apogeo de la misión tuvo lugar a 5.800 kilómetros de la superficie de la Tierra en la segunda órbita y finalizó con una reentrada de alta energía a 32.000 Km /h; (8,900 m/s) que expuso al módulo a una temperatura alrededor de 4.000º;  tanto el despliegue del sistema de  paracaídas como el amerizaje fueron exitosos.  Como curiosidad indicar que este perfil de misión se corresponde a la realizada en 1967 con el apolo 4 para validar los sistemas de control de vuelo y escudos.

 

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El test fue plenamente satisfactorio y permitió actuar sobre diversos elementos del proyecto, como una reducción de riesgos programáticos y técnicos, así como dio la oportunidad de demostrar las eficiencias de los procesos de construcción y operatibilidad que permitirán que el lanzamiento previsto para 2018 con el SLS gane seguridad y sea el anticipo del primer vuelo tripulado.
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III).– El test comentado se integra en el programa de vuelos de pruebas previsto por la NASA y que a la presente fecha incluye la Exploration Mission I,  prevista entre septiembre  y noviembre de 2018 (después de un aplazamiento sobre una primera estimación a finales de 2017) y que ya utilizaría como lanzador al SLS. Sería una misión no tripulada de circunvalación lunar que significará el regreso de una nave con capacidad de albergar tripulación a la Luna desde que la abandonamos  en 1972

La seguiría la Exploration Mission 2, agendada para 2021 -2023 y que, esta vez sí,  sería el primer vuelo tripulado por cuatro astronautas a la órbita lunar. No se contempla la opción de descenso, si bien si puede extenderse el vuelo en una órbita lunar amplia para colocar a la mayor distancia probada nunca.

 

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Recreación del primer vuelo previsto para el 2023. ESA/D. Ducros

 

Finalmente, hacia 2026 se llevaría cabo la misión tripulada a un Asteroide, bien libre o bien uno que previamente haya sido situado en órbita lunar por medios mecánicos en otra misión. Esta misión ha recibido el nombre de  Asteroid Crewed Redirector Misión y permitirá en ensayo de equipos y procedimientos de cara a futuros vuelos más ambiciosos.

Una vez que esté plenamente operativo el Sistema Orión – SLS comenzaran los vuelos a la Luna,  Asteroides y finalmente a Marte en la década de los 2030, siendo necesarios los desarrollos de los módulos de “aterrizaje” para cada destino, así como los módulos habitacionales para misiones de larga duración. La experiencia desarrollada en años de ISS será muy valiosa para tal fin.

Definitivamente, la nave Orión será el vehículo de exploración que en los próximos años y décadas nos aventure, más allá de LEO,  expandiendo el conocimiento y el ansia de exploración que imbuye el espíritu humano. Como los navíos de siglos pasados, nos aventuraremos a los mares cósmicos en frágiles estructuras, con todo lo que la tecnología y el valor humano pueden aportar para abrir nuevas vías y poder convertirnos, con el tiempo, en habitantes del sistema solar.

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Acerca de Rafael Harillo Gómez-Pastrana

Rafael Harillo Gómez-Pastrana
Rafael Harillo Gómez-Pastrana es Abogado y consultor en materia aeroespacial.

Su formación es principalmente de jurista ( con especialización en derecho del espacio y pertenencia las principales asociaciones internacionales el ramo), desde siempre ha mostrado un gran interés por la astronáutica y astronomía.

Ha realizado estudios en la veterana Agrupación Astronáutica Española, en la International Space University y en la Open University, London.(Planetary science and the research for life ( 2010). Asistente y ponente habitual a diferentes congresos, seminarios y equipos de trabajo, ha sido secretario del Comité Ejecutivo de BAIE (Barcelona Aeronautics $ Space Association.),Asesor Jurídico del Barcelona Moon Team, equipo Español inscrito en la competición internacional Google Lunar X Prize, Asesor de diversas empresas que operan en el campo espacial, miembro del equipo redactor del anteproyecto de la Futura Ley Española de Actividades Espaciales, Promovida por el Ministerio de FOMENTO y es Piloto Privado de Aviación.

Es socio director de Stardust Consulting http://www.stardust-consulting.es