Si sacas la mano por la ventanilla de un automóvil en movimiento, la fuerza que sientes contra tu mano es la fuerza de arrastre. Es la fuerza que se opone a un vehículo en movimiento y forma parte de la razón de que tu coche se detenga naturalmente si dejas de pisar el acelerador. Pero la fuerza de arrastre frena a otras cosas, además de los automóviles.
Los ingenieros aeroespaciales están trabajando para usar la fuerza de arrastre en el espacio, con el fin de desarrollar naves espaciales y misiones más eficientes en el uso del combustible, para sacar de órbita a las naves sin crear tanta basura espacial, e incluso para enviar sondas a la órbita de otros planetas.
El espacio no es un vacío total, al menos no en un toto. La atmósfera de la Tierra se hace más delgada y liviana a medida que se asciende, pero tiene suficiente cantidad de aire como para impartir fuerza de arrastre en las naves espaciales que están en órbita, incluso hasta los 1.000 km de altura.
Como profesor de ingeniería aeroespacial estudio cómo afecta la fuerza de arrastre al movimiento de las naves espaciales en órbita. El aerofreno, tal como lo sugiere el nombre, es un tipo de maniobra que utiliza el aire liviano del espacio para aplicar una fuerza de arrastre en dirección opuesta al movimiento de la nave, de manera similar a cuando se frena un automóvil.
Cambio de órbita
En el espacio el aerofreno puede cambiar la órbita de una nave espacial minimizando el uso de su sistema de propulsión y el combustible. Las naves espaciales que orbitan en torno a la tierra lo hacen en dos tipos de órbitas: circulares y elípticas. En una órbita circular la nave espacial está siempre a la misma distancia del centro de la Tierra y como resultado, se mueve siempre a la misma velocidad. La órbita elíptica tiene forma estirada y por eso la distancia a la Tierra – y la velocidad de la nave – varían a medida que la nave espacial recorre su órbita.
El punto más cercano en la órbita elíptica, donde más rápido se mueve el satélite o la nave espacial, se llama perigeo. Y el punto más lejano, donde va más lentamente, se llama apogeo.
La idea general en torno al aerofreno es comenzar en una gran órbita circular y maniobrar la nave espacial hasta una órbita muy elíptica para que la parte más baja de la órbita – el perigeo – se encuentre en una parte más densa de la órbita superior. En el caso de la Tierra, son unos 100 a 500 km, que se eligen dependiendo del tiempo que se requiera para completar el cambio de órbita.
A medida que la nave espacial pasa por este punto más bajo, el aire ejerce una fuerza de arrastre sobre ésta, lo que reduce la forma oblonga de la órbita a lo largo del tiempo. Esta fuerza atrae a la nave espacial hacia una órbita circular más pequeña que la órbita original.
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La primera maniobra para poner a la nave espacial en una órbita elíptica para que tenga efecto el arrastre requiere del uso de un sistema de propulsión y algo de combustible. Pero cuando ya está en la órbita elíptica, el arrastre de la atmósfera hace que la nave avance más lentamente y no necesita usar nada, o muy poco, del combustible.
El aerofreno lleva a la nave de una gran órbita a una órbita pequeña y no es reversible. No puede aumentar el tamaño de una órbita. Aumentar el tamaño de una órbita o llevar a la nave a una órbita más elevada sí requiere de propulsión y combustible.
Usos del aerofreno
Uno de los usos comunes en que los controladores de la nave espacial aplican el aerofreno es al cambiar la órbita de la nave, de la órbita geoestacionaria (GEO) a la baja órbita terrestre (LEO). La órbita GEO es circular, a una altura de unos 35.786 km). En la GEO la nave espacial completa una órbita en torno a la Tierra en 24 horas por lo que la nave espacial siempre permanece sobre el mismo punto sobre la superficie de la Tierra.
Antes del aerofrenado el sistema de propulsión de la nave espacial impone fuerza en la dirección opuesta al movimiento de la GEO. Ese impulso la ubica en una órbita elíptica. La nave pasa por la atmósfera varias veces, y eso eventualmente da forma circular a la órbita.
Cuando llega a la LEO, la nave puede requerir un poco de combustible para que la propulsión la lleve a la órbita deseada. Por lo general, el punto más bajo de la órbita elíptica original es menos elevado que la órbita circular final que se busca.
Conceptualmente, el proceso es parecido a cómo se usó el aerofreno a comienzos de 2025 en la nave X-37B de la Fuerza Espacial de EE.UU. La Fuerza Espacial de EE.UU. informó que su avión espacial no tripulado, X-34B, usó el aerofreno. La prueba demostró la agilidad y maniobrabilidad de la nave.
También se aplica el aerofreno para desorbitar a la nave espacial – o reingresarla a la atmósfera – cuando ha dejado de funcionar. De este modo, se puede disponer de la nave espacial sin crear basura espacial porque se incendiará en la baja atmósfera.
Aerofrenado en misiones interplanetarias
Algunas misiones a Marte, como el orbitador de reconocimiento y el orbitador Odyssey, utilizaron el aerofrenado para alcanzar sus órbitas deseadas en torno al planeta rojo.
En misiones interplanetarias como estas los científicos usan el aerofreno en conjunción con el sistema de propulsión de la nave espacial. Cuando la nave espacial llega a Marte, lo hace en una órbita hiperbólica.
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A diferencia de la órbita circular o la elíptica, la trayectoria de la nave espacial en la órbita hiperbólica no le mantiene en órbita en torno a Marte sino que hace que pase junto a Marte y se aleje, a menos que utilice el impulso de su sistema de propulsión para que sea “captada” en la órbita elíptica cerrada.
Cuando la nave espacial llega a Marte el sistema de propulsión se enciende para darle la fuerza necesaria que capte a la nave espacial en una órbita elíptica en torno a Marte. Ya allí, los científicos usan el aerofrenado en varios pases orbitales por la atmósfera para lograr la órbita definitiva que en general, será circular.
Las maniobras de aerofrenado pueden ahorrar mucho combustible. A medida que nos acercamos a posar naves en la superficie del planeta rojo, el ahorro que implica el aerofrenado podría ahorrar masa también y eso permitiría que las naves espaciales que van a Marte llevaran más carga.
En el contexto de la exploración del espacio el aerofreno no es tan solo una maniobra. Tiene un rol crucial en el futuro de las operaciones espaciales y las misiones o colonización planetarias.
Piyush Mehta, Profesor Adjunto de Sistemas Espaciales, West Virginia University. Este artículo se ha republicado a partir de The Conversation bajo licencia Creative Commons. Aquí podrá leer el artículo original
