La Simulación Ayuda a Mantener los Satélites de la NASA en Órbita

En este momento, hay miles de satélites orbitando la Tierra y varios orbitando la Luna. Los necesitamos para el monitoreo del clima, la navegación GPS, Internet y para la vigilancia espacial crítica para la seguridad nacional, entre otras cosas. Al igual que muchos automóviles en una autopista congestionada, los satélites se apiñan en el mismo espacio, pero viajan a miles de kilómetros por hora.

Para empeorar las cosas, toda esta actividad se lleva a cabo con pocos estándares o controles formales, o ninguno. A medida que el número de satélites en órbita continúa creciendo, cualquier evento de colisión sólo agrava las cosas al crear escombros que otras naves espaciales deben evitar.

Para abordar estos riesgos, se están realizando esfuerzos para publicar estándares y normas de comportamiento a seguir al poner un satélite en órbita. Por ejemplo, la NASA ha publicado el “Manual de mejores prácticas para evitar colisiones y evaluación de conjunciones de naves espaciales de la NASA”. De manera similar, el Comando Espacial de los Estados Unidos (USSPACECOM) publicó un “Manual de seguridad para operadores de vuelos espaciales” que detalla los procesos para la evaluación de conjunciones en órbita y la prevención de colisiones. Además, la Administración Federal de Aviación (FAA) y la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) revisan los planes para evitar colisiones de los operadores antes de otorgar licencias de lanzamiento y operación.

Los operadores de naves espaciales también están promoviendo protocolos de operaciones seguras y, de hecho, Ansys es una de las muchas empresas que respaldaron las “Mejores prácticas para la sostenibilidad de las operaciones espaciales” de la Coalición de Seguridad Espacial. El objetivo de esta publicación es crear estándares industriales y mejorar la colaboración en todo el mundo para mitigar el creciente problema de los desechos espaciales. Aún así, muchos operadores de satélites tienen dudas sobre cómo responder a estas recomendaciones.

“La parte complicada es cómo implementar estas mejores prácticas seguras y sostenibles”, dice John Carrico, propietario y director de tecnología de Space Exploration Engineering (SEE), que ha diseñado, planificado y operado varias misiones satelitales. “Sabemos que cada operador de satélites tiene el objetivo de asegurarse de que su nave espacial pueda cumplir su misión. Lo afortunado es que cuando el equipo de operaciones del satélite realiza su trabajo sin negligencia, no sólo mantiene segura su misión, sino que también evita daños e interferencias con otras naves espaciales. Si bien es fácil decir que queremos realizar operaciones de manera sostenible, en realidad requiere actividades cuidadosamente planificadas que se basan en cálculos precisos, y el software Ansys ha sido diseñado específicamente para permitirlo”.

En febrero de 2014, Carrico, como parte del equipo de dinámica de vuelo del satélite Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) de la NASA, estaba en el Centro de Investigación Ames de la NASA realizando maniobras de planificación y determinación de órbita. Un elemento importante del trabajo de Carrico fue utilizar Ansys Systems Tool Kit (STK) y Ansys Orbit Determination Tool Kit (ODTK) para analizar las trayectorias de los satélites en el espacio y luego planificar una maniobra para evitar colisiones (CAM) para evitar que hicieran contacto no deseado con otros satélites o desechos espaciales.

Originalmente había una maniobra de mantenimiento de la órbita programada para LADEE a finales de ese mes. Después de que el equipo compartió la trayectoria anticipada del satélite basándose en un intercambio de archivos de efemérides predichos (tablas de posiciones astronómicas de las trayectorias de las naves espaciales en un momento particular), parecía que LADEE y otra nave espacial, el Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), iban a llegar. demasiado cerca para su comodidad. La incertidumbre inherente a las órbitas previstas hizo que la probabilidad de colisión fuera demasiado arriesgada como para ignorarla.

En ese momento, ambos satélites estaban orbitando la Luna. La tarea del LRO 1 era mapear la superficie de la Luna, permitiendo descubrimientos sobre el origen y la evolución de la Tierra y el sistema solar, mientras que LADEE 2 recopiló información sobre la estructura y composición de la atmósfera lunar. Fue un trabajo científico importante. Una colisión habría detenido permanentemente estos esfuerzos, costándole a la NASA dos satélites por valor de cientos de millones de dólares y agregando más escombros que otros satélites deberían evitar. Basándose en las predicciones de STK y ODTK, los equipos de LADEE y LRO se reunieron y decidieron posponer una maniobra de mantenimiento de posición originalmente programada, permitiendo así que las naves espaciales se cruzaran a una distancia segura.

Escenarios como este no son situaciones “únicas” de ninguna manera. Los operadores de naves espaciales comerciales y federales mantienen equipos dedicados que reciben actualizaciones continuas sobre la posición de los satélites entre sí y sobre cualquier residuo espacial detectable mientras orbitan la Tierra o la Luna, para evitar la posibilidad de colisión. Lo más probable es que cada satélite se encuentre con otros satélites o desechos varias veces a lo largo de su viaje. A veces, el mejor curso de acción es no actuar, mientras que otras veces, la mitigación requiere una maniobra. Estas maniobras deben planificarse con mucha antelación (desde unas pocas horas hasta una semana) basándose en predicciones mediante simulación.

Cuando participan satélites de diferentes agencias, la simulación puede ayudar a llenar los vacíos dejados por la falta de estándares internacionales. Por ejemplo, la Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO), al igual que la NASA, ha lanzado una serie de naves espaciales, incluida la Chandrayaan-2. El Chandrayaan-2 estaba formado por un orbitador lunar y un rover lunar, y su objetivo era estudiar la composición de la superficie lunar y la abundancia de agua en la Luna. Dio la casualidad de que el LRO de la NASA compartió una misión similar.

En octubre de 2021, estaba previsto que ambas naves espaciales se acercaran mucho entre sí, ya que ambas estaban estudiando la Luna desde una órbita polar. Utilizando STK, el equipo determinó que las naves espaciales estarían a menos de 100 metros de distancia. Con el apoyo del software Ansys y un acuerdo mutuo con la NASA, ISRO ejecutó un CAM basado en esta información y agregó cálculos basados ​​en una nueva órbita que ayudaría a ambos satélites a evitar pases cercanos como este en el futuro.

“En el caso del orbitador Chandrayaan-2 y el LRO, la mayoría de los datos internacionales disponibles no necesariamente pueden capturar la información necesaria para trazar estas maniobras con éxito”, dice Ravnish Luthra, director ejecutivo de ITGlobe, un socio de Ansys que apoya a ISRO. “La simulación proporcionó la imagen más real de lo que estaba sucediendo alrededor del Chandrayaan-2, lo que permitió a ISRO ejecutar un CAM preciso y trazar un rumbo diferente para el futuro”.

Si bien los viajes del LRO pueden no estar regidos por un conjunto definitivo de reglas codificadas, cuentan con el respaldo de un equipo dedicado de científicos, ingenieros y otros expertos que utilizan la simulación para hacer predicciones sobre la trayectoria de los satélites en el espacio. Para ellos, la simulación de Ansys ofrece datos precisos en tiempo real con una precisión casi perfecta que conduce a resultados más positivos.

Con tantos gobiernos y organizaciones comerciales que dependen de los satélites, debemos enfrentar los desafíos de la congestión que eventualmente podría impedir nuestros esfuerzos por mirar más allá de la atmósfera de la Tierra. El resultado de las colisiones de satélites (la enorme cantidad de desechos que dejan atrás) tiene el potencial de crear una congestión aún mayor, lo que podría conducir a aún más colisiones.

“Durante una colisión, el impacto a hipervelocidad y las ondas de choque pueden destrozar una estructura entera”, afirma Adam Gorski, director de cuentas empresariales, ventas aeroespaciales y de defensa de Ansys. “Una misión satelital podría crear docenas de objetos orbitales, incluidos satélites, carenados de carga útil y etapas de cohetes gastadas. Luego ha habido colisiones en las que un satélite se convirtió en miles de restos rastreables y potencialmente catastróficos”.

Si bien es posible que actualmente no existan reglas universalmente aceptadas en el espacio, los operadores espaciales comerciales y federales están trabajando para establecer estándares y una gobernanza claros para el dominio espacial. A través de datos y modelos colaborativos, la simulación está ayudando a construir un puente esencial para hacer que el espacio sea más seguro por ahora. Y, una vez que esas reglas estén vigentes, la simulación será esencial para cumplirlas.