¿Por qué los lanzamientos de cohetes son tan sensibles al clima?

Los relámpagos y el viento son las principales preocupaciones climáticas que impiden el lanzamiento de cohetes.

El sistema de control de un cohete debe compensar muchos factores no modelados o difíciles de modelar. Por ejemplo, la incertidumbre en las propiedades de masa, el rendimiento del motor, las alineaciones mecánicas, los errores en las unidades de medición inercial (IMU), los giroscopios, el GPS, etc. Si cualquiera de estos errores se vuelve demasiado grande, el sistema ya no podrá compensarlo, el sistema se volverá incontrolable y la misión se perderá.

El viento, como era de esperar, es uno de estos factores inciertos, y especialmente las cizalladuras del viento , que son cambios rápidos en la dirección del viento en función de la ubicación, son difíciles de manejar para los sistemas de control porque pueden imponer enormes cargas aerodinámicas en un vehículo muy rápidamente.

Los relámpagos son peligrosos por razones completamente diferentes. Los cohetes están llenos de componentes electrónicos sensibles, atraen muy bien los rayos (incluso cuando no están conectados a tierra) y son vulnerables al impacto directo de los rayos. Incluso algo tan típicamente benigno como un reinicio o una falla temporal que podría tolerarse potencialmente en un satélite sería desastroso para un cohete en vuelo propulsado. Los aviones evitan las tormentas eléctricas por la misma razón, aunque tienen más margen disponible para incorporar la mitigación de rayos en sus diseños.

Por estas razones (y en menor medida por otras, como el ejemplo de temperatura extrema proporcionado en otra respuesta), los lanzamientos de cohetes se retrasan con frecuencia debido a las condiciones ideales. No tiene sentido arriesgar un cohete y una carga útil por valor de cientos de millones de dólares durante una semana.

Por el contrario, los cohetes que deben poder lanzarse en un momento dado (piense en misiles balísticos intercontinentales y misiles balísticos intercontinentales ) están diseñados con requisitos muy diferentes. Aquí, se acepta el impacto en el rendimiento tomado para la robustez del diseño a la intemperie porque un arma no es muy útil si tienes que esperar a que pase la tormenta antes de poder dispararla.

Es principalmente mala suerte.

En realidad, solo hay una condición climática relativamente común en la que no desea lanzar un cohete y esa es una tormenta eléctrica. Por supuesto, los vientos fuertes también pueden ser problemáticos. Y no hace falta decir que no desea lanzar durante un huracán o un tornado.

Los cohetes son perfectamente capaces de lanzarse directamente a una tormenta eléctrica, tal como lo haría un avión civil, pero hay un pequeño problema al hacerlo. Los cohetes están hechos de metal y su escape está parcialmente ionizado, por lo que durante el despegue, todo el rastro del cohete+escape es como un cable conductor gigante que ata el cohete al suelo. Si el cohete vuela hacia una tormenta eléctrica, atraerá rayos. Se pueden fabricar cohetes para resistir tales golpes, y la mayor parte de la corriente fluye sobre la superficie del vehículo (al igual que con un avión comercial), pero eso agrega mucha dificultad. Esto realmente sucedió durante el lanzamiento del Apolo 12,

Al igual que con todas las actividades intrínsecamente peligrosas, el principio básico generalmente es "apilar las probabilidades a su favor", por lo que si puede evitar lanzar un cohete hipersónico cargado con literalmente kilotones de combustible explosivo en un escenario en el que es casi seguro que caerá un rayo. entonces lo haces.

Entonces, ¿por qué el clima causa tantos retrasos en los lanzamientos? Bueno, eso es principalmente solo un problema para los EE. UU. Por razones de dinámica orbital, es más beneficioso lanzar en dirección este desde latitudes más bajas. En los EE. UU. continentales, las latitudes más bajas se encuentran en Florida, que están convenientemente en la costa frente a todo el Océano Atlántico hacia el este, por lo que es desde allí desde donde se realizan la mayor parte de los lanzamientos espaciales de Estados Unidos.

Coincidentemente, el sur de Florida también tiene el nivel más alto de actividad de tormentas eléctricas en todo Estados Unidos. El área alrededor de Cabo Cañaveral suele ver una tormenta eléctrica uno de cada cinco días del año (para un total de 70 o más al año).

Por lo tanto, un alto riesgo de tormentas eléctricas justo encima del centro de la actividad de lanzamiento espacial de EE. UU. se traduce en un gran volumen de matorrales relacionados con el clima.

El puerto espacial en Virginia lo tiene un poco mejor que el sur de Florida, pero la alta incidencia de las inclemencias del tiempo aún hace que sea una combinación desafortunada.

¿Por qué los lanzamientos de cohetes son tan sensibles al clima?

Podría marcar la diferencia entre que una junta tórica falle o no.

En el desastre del Challenger ..

La desintegración del vehículo comenzó después de que una junta tórica en su propulsor de cohete sólido derecho (SRB) fallara en el despegue. La falla de la junta tórica provocó una brecha en la unión de la SRB que selló, lo que permitió que el gas caliente presurizado del interior del motor del cohete sólido llegara al exterior e incidiera en el hardware de fijación de la SRB adyacente y el tanque de combustible externo. Esto condujo a la separación del accesorio de popa del SRB derecho y la falla estructural del tanque externo. Las fuerzas aerodinámicas rompieron el orbitador.

Esto se atribuyó en parte al clima de baja temperatura .

Se creía que esto era el resultado del aire sobreenfriado que soplaba sobre la junta desde el respiradero del tanque de oxígeno líquido. Era mucho más baja que la temperatura del aire y muy por debajo de las especificaciones de diseño de las juntas tóricas. ..

La temperatura el día del lanzamiento fue mucho más baja que en lanzamientos anteriores: bajo cero de 28 a 29 ° F (-2,2 a -1,7 ° C); anteriormente, el lanzamiento más frío había sido a 53 °F (12 °C).Aunque el Equipo de Hielo había trabajado toda la noche removiendo el hielo, los ingenieros de Rockwell aún expresaron su preocupación. Los ingenieros de Rockwell que observaban la plataforma desde su sede en Downey, California, se horrorizaron al ver la cantidad de hielo. Temían que durante el lanzamiento, el hielo se desprendiera y golpeara las tejas de protección térmica del transbordador, posiblemente debido a la aspiración inducida por el chorro de gases de escape de los SRB. Rocco Petrone, el jefe de la división de transporte espacial de Rockwell, y sus colegas vieron esta situación como una restricción de lanzamiento y les dijeron a los gerentes de Rockwell en el Cabo que Rockwell no podía respaldar un lanzamiento. Sin embargo, los gerentes de Rockwell en Cape expresaron sus preocupaciones de una manera que llevó al gerente de la misión con sede en Houston, Arnold Aldrich, a seguir adelante con el lanzamiento. Aldrich decidió posponer el lanzamiento del transbordador una hora para darle tiempo al equipo de hielo para realizar otra inspección. Después de esa última inspección, durante la cual el hielo parecía estar derritiéndose,El Challenger finalmente recibió autorización para su lanzamiento a las 11:38 am EST.[12]

Las aeronaves deben reducir el peso y funcionar con la fuerza mínima con la que pueden proporcionar un alto nivel de seguridad para las máquinas que pueden viajar miles de kilómetros en un viaje a velocidades de cientos de kilómetros por hora.

Las naves espaciales operan más rápido y más alto y deben estar aún más cerca de los límites de la tecnología de materiales. A medida que aumenta la alta tecnología, también lo hacen los riesgos y la fragilidad (a la intemperie, entre otras cosas) del vehículo. Al mismo tiempo, el margen de error y seguridad disminuye.