¿Por qué los satélites que funcionan mal regresan a la Tierra?

En resumen, el satélite GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) de la Agencia Espacial Europea fue puesto en órbita por última vez en una órbita elíptica de altitud extremadamente baja (LEO) con un perigeo de 195 kilómetros (121 millas) y un apogeo de 201 kilómetros (125 millas). mi) altitud sobre el nivel del mar. A esa altitud, todavía hay algo de presión atmosférica, aunque extremadamente tenue, pero dada la velocidad del satélite y el área de la superficie, todavía es suficiente para generar una resistencia significativa y disminuir su velocidad orbital. Además, el aumento de la actividad del Soldurante las últimas semanas dio como resultado un aumento de la densidad de partículas de los vientos solares que llegan a la Tierra (llamaradas y eyecciones de masa coronal) y han aumentado un poco la tasa de desintegración orbital de los satélites debido al aumento de la resistencia atmosférica.

   ^{Representación artística del satélite Explorador de circulación oceánica en estado estacionario y campo de gravedad de la Agencia Espacial Europea en órbita.}

GOCE es incluso un satélite aerodinámicamente aerodinámico para reducir esa resistencia al mínimo posible y requiere menos de sus propulsores para hacer constantes reimpulsos orbitales para aumentar su velocidad y con su altitud, pero como se quedó sin su propulsor (GOCE usó propulsores de propulsión de iones de xenón alimentados por paneles solares fijos de 1.300 W), su órbita decaerá lentamente debido al arrastre atmosférico y terminará su vida cayendo hacia la atmósfera más baja y más densa donde presumiblemente se quemará por completo.

Estos reinicios orbitales son un procedimiento estándar también para la Estación Espacial Internacional (ISS) que actualmente orbita a una altitud de 230 millas (370 km), y cada nueva nave espacial visitante (como la Soyuz TMA-11M de hoy que acaba de ser lanzada desde el Cosmódromo de Baikonur ) le echa una mano con sus propios propulsores después de que la nave espacial se haya acoplado con éxito a la estación.

Algunos valores y un gráfico de la presión atmosférica en altitudes LEO y más allá se enumeran en la página de Wikipedia sobre Atmósfera estándar internacional . Citando un documento de la Universidad de Cornell sobre la estimación simultánea de la órbita y la densidad atmosférica para una constelación de satélites (PDF):

Para muchos satélites en órbita terrestre baja (LEO), la mayor incertidumbre del modelo dinámico proviene de la resistencia atmosférica. Aceleración debida a la resistencia atmosférica$a_D$está relacionado con la densidad atmosférica$p$por la ecuación:

$$a_D = - {1\over2}({C_D{A_v(t)\over{m_s}}})\ {pv_r}^2e_v$$

dónde$C_D$es un coeficiente de arrastre,$A_v(t)$es el área de la sección transversal del satélite en la dirección de viaje,$m_s$es la masa total de la nave espacial,$v_r$es la magnitud de la velocidad relativa a la atmósfera ambiente, y$e_v$es un vector unitario en la dirección de la velocidad relativa. La incertidumbre entra en esta ecuación de tres maneras. Primero, el producto escalar$({C_D{A\over{m_s}}})$, conocido como coeficiente balístico inverso, generalmente es incierto y puede variar con el tiempo. En segundo lugar, la velocidad relativa puede ser incierta, ya sea porque aún no se ha estimado con precisión o porque el viento local no gira perfectamente con la Tierra. Finalmente, la densidad atmosférica es muy difícil de determinar. Existen tres paradigmas básicos para lidiar con la incertidumbre de arrastre: se puede modelar, medir directa o indirectamente, o estimar junto con las órbitas de los satélites.

Y este es un gráfico de densidad calculada y densidad de referencia frente a altitud para la órbita ecuatorial circular (Descarga directa en PDF: Determinación de la densidad atmosférica en la órbita terrestre baja usando datos de GPS , Academia Naval de los Estados Unidos, John L. Young III):

Los satélites en órbita por encima de cualquier arrastre atmosférico como los que están en órbita geosincrónica (GSO) o geoestacionaria (GEO), por lo general satélites de comunicaciones, sin embargo, no se eliminan sacándolos de órbita a la atmósfera donde podrían quemarse, sino que se colocan en un cementerio o chatarra . órbita de eliminación unos cientos de kilómetros por encima del cinturón GEO.

Es incorrecto que no haya fuerzas opuestas en un satélite en órbita terrestre. En la órbita terrestre baja, la resistencia es un factor importante que hará que la mayoría de los satélites vuelvan a entrar dentro de los años o décadas posteriores al lanzamiento. De hecho, los satélites LEO tienen un requisito de vida máxima de 25 años . Para obtener el permiso del gobierno de EE. UU. para lanzar un satélite, el operador debe realizar un análisis para mostrar que se espera que el satélite vuelva a ingresar con una alta probabilidad dentro de los 25 años.

La altitud exacta a la que es seguro el reingreso es difícil de establecer porque es una función de muchas variables (de ahí la necesidad de un análisis y no de un límite de altitud estricto). La variable más importante es cuándo operará el satélite durante el ciclo solar de aproximadamente 11 años. El ciclo solar está correlacionado con los cambios en la densidad atmosférica a gran altitud, lo que cambia las fuerzas de arrastre en un satélite en más de un orden de magnitud .

El aumento del calentamiento solar hace que la termosfera se hinche a medida que las capas más densas de altitudes más bajas se expanden hacia arriba. La densidad de la termosfera puede dispararse por un factor de 50 durante el máximo solar, con un aumento proporcional en la resistencia atmosférica a los satélites.

La presión solar también puede servir para sacar de órbita un satélite; sin embargo, los efectos netos son menos obvios porque la presión solar se aplica en la dirección de la luz solar incidente y, por lo tanto, para una órbita arbitraria no tiene una dirección determinista con respecto al vector de velocidad de la nave espacial. Por el contrario, la resistencia siempre sirve para reducir la velocidad de un satélite y, por lo tanto, bajar su órbita. Además, la presión solar suele ser una fuerza mucho menor que el arrastre: durante los ciclos solares bajos, la presión solar suele estar a la par con el arrastre, mientras que durante los ciclos solares altos, el arrastre es un factor de 10 o más.

Dicho esto, cualquier cosa por debajo de los 500 km definitivamente está llegando a casa; es sólo una cuestión de cuándo. Por encima de eso, podrían pasar varias décadas antes del reingreso. Recuerde que debido a que el perfil de densidad en función de la altitud es aproximadamente exponencial, el reingreso ocurre de la misma manera que un hombre quiebra :

Dos caminos. Poco a poco, luego de repente.

Los satélites geosíncronos, que operan cerca de 42.000 km, tienen efectivamente cero arrastre. No volverán a entrar en ningún horizonte de tiempo que valga la pena considerar. Es por eso que se supone que las aves GEO deben colocarse en una órbita de cementerio cuando han llegado al final de su vida útil, pero antes de que ya no sean capaces de responder a los comandos terrestres. Los satélites GPS operan a la mitad de GEO; ellos tampoco van a volver a casa.

Por último, la justificación de una órbita LEO podría ser una publicación completa, pero la respuesta corta es que muchas misiones no tienen sentido en GEO. Por ejemplo, es difícil tomar fotografías de alta resolución de la Tierra desde tan lejos. Casi exclusivamente los satélites GEO se utilizan para telecomunicaciones. Los satélites LEO se utilizan para todo tipo de otras misiones, desde la detección remota de la Tierra hasta la medición del campo magnético de la Tierra y las cargas científicas especializadas.