Órbita satelital. Conceptos.

Desde el 4 de octubre de 1957, fecha del lanzamiento y puesta en órbita a una altitud de 215 km, del primer satélite artificial, el Sputnik 1, resultó evidente lo que la humanidad había aprendido de llevar objetos al espacio cercano a la Tierra… y lo que aún faltaba por aprender. La misión duró menos de lo que se esperaba, porque la atmósfera abarca mas espacio de lo que en ese momento se creía.

Aunque las fuerzas naturales que se valoran actualmente para parametrizar las dimensiones de la órbita de un satélite en particular, fueron estudiadas por físicos tan relevantes como Galileo, Copérnico, Kepler o Newton, sentando con ello las bases de la astronomía moderna, son los elementos atribuidos a Kepler a los que mas se recurren para establer una órbita.

Pero antes de entrar en algunos detalles, intentaré establecer que una órbita es el recorrido que ocupa un cuerpo al caer constantemente hacia el cuerpo que orbita. Esto es, un satélite se encuentra en una caida constante hacia la tierra.

Una descripción mas didáctica de dicha caida la podemos conceptualizar mediante el Cañón de Newton.

Se imagina un cañón situado en lo alto de una montaña que dispara bolas de cañón de forma horizontal. La montaña necesita ser muy alta para evitar la atmósfera terrestre e ignorar los efectos de fricción sobre la bola de cañón.

Si el cañón dispara una bola con una velocidad inicial baja, la trayectoria de la bola se curva e impacta contra el suelo. Aumentando la velocidad inicial, la bola de cañón impacta en el suelo cada vez más lejos del cañón, debido que mientras la bola sigue cayendo, el suelo también se curva. Todos estos movimientos son realmente órbitas en su sentido técnico, ya que describen una trayectoria elíptica alrededor de un centro de gravedad pero que se interrumpen al chocar contra la tierra.

Si se dispara la bola con suficiente velocidad, el suelo se curva al menos tanto como la bola al caer, por lo que la bola de cañón nunca impacta contra el suelo. Se dice que está realizando una órbita sin interrupción o de circunnavegación. Para cada altura sobre el centro de gravedad hay una velocidad específica que produce una órbita circular.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93rbita

Les recomiendo consulten la liga siguiente, que demuestra la aplicación del “Cañón de Newton“.

Aunque las órbitas sean simplemente descritas “sin interrupción”, esto no ocurre exactamente así en la realidad. Otras fuerzas como la gravedad de la luna, del sol, la irregularidad de la atmósfera y de la gravedad de la tierra, el viento solar y otras mas afectan la trayectoria de un satélite y por ende su órbita.

En base a la altitud de un satélite en trayectoria orbital, podemos distinguir las siguientes clases de órbitas:

Geoestacionaria: Se localiza por sobre la línea del Ecuador (latitud 0º o inclinación nula), con una altitud aproximada de 35,787 km, en una órbita circular. De hecho, se trata de la única definición de órbita que especifíca sea circular y por ello, se trata de la órbita mas estable que se le puede asignar a un satélite desde el punto de vista de la estación terrena correspondiente.

Semieje mayor

Geosíncróna: No se encuentra en el Ecuador, sino mas bien entre los trópicos, y describe una trayectoria elíptica en vez de circular, con la Tierra en uno de sus focos. Teniendo en consideración lo anterior, su altitud se expresa en base a que el semieje mayor de la órbita elíptica mide 42,164.5 km. Desde la estación terrena, la posición del satélite varía, “dibujando” un analema.

Baja: Los satélites de órbita baja (conocidos como Low Earth Orbit – LEO) se posicionan de 500 a 1,500 km. En este rango existe una órbita especial para satélites específicos, conocidos como Sun-Synchronous Satellites, con una órbita entre 600 a 800 km; gracias a este rango, los satélites orbitan en un recorrido exacto de norte a sur, y aunque cruzan el ecuador multiples veces por día, cada vez conservan el mismo ángulo con respecto al sol. La velocidad de un satélite LEO es la mayor, en comparación a las dos primeras y a la siguiente.

Media: O Medium Earth Orbit (MEO) está definida por la posición de entre 2,000 a 35,700 kilómetros. De este rango se utiliza una órbita semi síncrona de una altitud aproximada de 20,200 km, con la que un satélite orbitará a la Tierra cada 12 horas.

Áltamente helíptica: También conocida como HEO (Highly Elliptic Orbit), se trata de aquellas órbitas utilizadas en misiones de investigación, y comunmente se ocupan previas a la maniobra de escape de la atracción terrestre. Su rango se ubica entre 400 a 42,000 km.

En principio, cualquier altitud y posición distinta a las órbitas geoestacionaria y geosíncrona, no corresponderá a la rotación siderio de la Tierra, sino que dependiendo de su altitud, será mas rápida o mas lenta; en otras palabras, el satélite no completará su órbita en un día (24 horas). Desde la perspectiva de la estación terrena, el satélite aparecerá y se ocultará en el horizonte, por lo que solo durante ese lapso de tiempo será posible efectuar la transmisión entre ambos.

Como puede observarse, esta primera clasificación demuestra que la órbita repercute directamente en el uso del satélite, ya que solo se puede transmitir entre el mismo y una estación terrena cuando se mantiene la condición de alcance de vista durante el tiempo suficiente.

Tipos de órbitas según su inclinación.

Las órbitas satelitales también pueden ser clasificadas por su inclinación en progrado, retrogrado, polar o ecuatorial. La razón para ocupar alguna de estas inclinaciones se debe a la misión encomendada al satélite. Por ejemplo, y citando a la descripción de órbita geoestacionaria, la órbita ecuatorial suele ser la mas estable, y se utiliza normalmente para satélites de comunicaciones, que tienen una cobertura que abarca amplias zonas del planeta, y en donde las estaciones terrenas no suelen efectuar maniobras de ajuste en la orientación de sus antenas. Para alcanzar una cierta inclinación orbital, la base de lanzamientos debe encontrarse en una determinada latitud, menor o igual que la inclinación de la órbita deseada. Por ende, es preferible que estas bases se localicen en el plan del Ecuador. También representan ventaja para el consumo de combustible en el lanzamiento, pero eso es otro tema.

Ahora bien, la inclinación de la órbita es un parámetro que se establece dependiendo fundamentalmente de la misión del satélite y en relación directa a un factor costo – benefico. Resulta trivial pensar que los lugares disponibles en órbita geoestacionaria (posiciones orbitales) resultan insuficientes para las necesidades globales de comunicación, y en las que el equipamiento satelital en órbita esté garantizado por una vida útil en operación por quince años. Los acuerdos entre países y entre particulares para una posición orbital suelen conseguirse solo después de arduas negociaciones, que entre otras consecuencias simplemente encarecen los costos. De hecho, se estima que colocar un objeto en órbita baja tiene un costo aproximado por kilogramo de $4,000 US, y de $15,000 US para órbita geoestacionaria. Pero si la misión no requiere la interconexión constante entre el satélite y la estación terrena, o si incluye la recolección de información hacia el satélite en una latitud distinta a la de la estación terrena, o en la que no se necesite que la vida útil del satélite alcance 15 años o mas, entonces será posible (o necesario) ocupar otras posiciones.

Por ejemplo, para garantizar la cobertura septentrional requerida en el sistema ruso de navegación satelital Glonass, utiliza 24 satélites en órbita MEO (en tres planos orbitales) y con un grado de inclinación de 64.8º, que los clasifica como polares.

Para que un satélite sea útil, es imprescindible que conserve en todo momento la órbita establecida. En una entrada anterior en este blog intenté explicar algunos conceptos sobre estabilización. Pero cuando se trata de cambiar la trayectoria de una órbita con ciertos ángulos de nodo y de inclinación, las maniobras se clasifican en coplanarias (no cambian el plano orbital) y no coplanarias. El instante para efectuar la maniobra se llama Rendez-vous, o encuentro espacial. Un ejemplo del uso de estos cambios son las distintas óbitas que ocupa la misión emprendida hacia Marte por la Indian Space Research Organisation, que le permitan obtener la velocidad necesaria para escapar de la atracción terrestre, con el mínimo de energía.

Para un tema siguiente abordaré En otra entrada abordo como se valoran los parámetros de una órbita, como los ya mencionados del ángulo de nodo, ángulo de inclinación, plano orbital y otros, básicos en la localización de un satélite en un momento dado.

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4 Comments

    1. Hola, podrías por favor darme tu nombre? ya que estoy citando lo que aqui publicas y por ende lo necesito. Gracias espero tu respuesta.

      1. Antes que nada te agradezco tu interés. Mi nombre es Luis E. Íñiguez. Tengo curiosidad y te pido me comentes sobre el trabajo en el que planeas tomar este blog como referencia. Saludos.

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