Soyuz: la nave de la Unión IV

(Continuación de la parte I, II y III)

(actualizado el 1 de mayo de 2008)

Nos centraremos hoy en el módulo orbital o habitable (BO), en ruso бытовой отсек (БО), "módulo doméstico". Es en este módulo donde los astronautas pasan la mayor parte del tiempo hasta que la nave Soyuz se acopla con la ISS.

Está formado por dos hemisferios unidos con una sección cilíndrica entre ellos. Esta curiosa forma consigue minimizar la masa del módulo. Está construido a base de una aleación de Aluminio-magnesio y está conectado a la cápsula SA gracias a 12 pernos explosivos. Tiene un diámetro máximo de 2,25 m y una masa de unos 1200 kg. Incorpora las antenas del sistema de acoplamiento automático mediante radiofrecuencia (Iglá en las Soyuz y Soyuz T, Kurs en las Soyuz TM y Soyuz TMA) y el equipo de acoplamiento activo con otro vehículo (normalmente una estación espacial). En él se encuentra la escotilla de 66 cm de diámetro que los cosmonautas emplean para introducirse en la nave antes del lanzamiento y que fue usada en las Soyuz 4 y Soyuz 5 como esclusa para salir al espacio exterior, así como la escotilla delantera para pasar a otro vehículo (80 cm de diámetro).

Incorpora además equipamiento relacionado con la higiene (retrete) y el soporte vital (filtros de CO₂). Los BO de las Soyuz y Soyuz T tenían dos ventanas a los lados, pero las Soyuz TM y Soyuz TMA incorporan una única ventanilla frontal para facilitar las tareas de acoplamiento si es necesario, aunque durante estas maniobras la tripulación permanece en el módulo de descenso por seguridad. Se destruye durante la reentrada.

Características Básicas (Soyuz TMA):

• Longitud: 2,98 m
  
• Diámetro Máximo: 2,26 m
  
• Diámetro Mínimo: 1,35 m
  
• Masa: 1370 kg
  
• Volumen: 5 m³

Esquema general del interior del BO de la Soyuz 19. La distribución interior no ha cambiado mucho en versiones posteriores.


BO de las primeras Soyuz (7K-OK). Se aprecian las ventanillas y la escotilla de entrada. En la parte superior podemos ver el sistema de acoplamiento sin túnel de conexión que usaron con éxito las Soyuz 4 y 5. Este ejemplar de museo se muestra sin las mantas de protección térmica.


BO de la Soyuz 7K-OK. Se aprecia la antena principal del sistema de acoplamiento automático Iglá plegada. Otra antena es visible arriba a la derecha.


BO similar al de la Soyuz 22. En la parte superior podemos ver el compartimento dedicado a la cámara MKF-6. Podemos apreciar las mantas de protección térmica de color verde que recubrían toda la nave (Novosti Kosmonavtiki).


Detalle de un BO de una Soyuz 7K-OK. Se aprecia la escotilla de entrada (a la derecha), una ventana (a la izquierda) y una de las dos antenas de UHF (el círculo naranja).


Módulo orbital de una Soyuz T. Se puede apreciar su curiosa forma (Novosti Kosmonavtiki).


Partes del BO de una Soyuz TMA. Podemos ver la sonda extendida en el mecanismo de acoplamiento.


Preparación de una Soyuz TM en tierra. Se puede apreciar que el color de las mantas térmicas de la cápsula y el módulo orbital es ligeramente distinto (RKK Energía).


Preparación de una Soyuz TM. Además de la diferencia de colores, podemos observar cómo están plegadas las antenas del sistema Kurs durante el lanzamiento (RKK Energía).


Los técnicos examinan el BO de una Soyuz TMA antes del lanzamiento (RKK Energía).


Detalle de la escotilla de entrada (diámetro 66 cm) en una Soyuz TMA (NASA).


Detalle de la estructura de un módulo orbital de una Soyuz TM donde podemos ver la sección correspondiente a la ventana de acoplamiento (Novosti Kosmonavtiki).


Acceso a la nave:

La escotilla del módulo orbital es utilizada por la tripulación para entrar a la nave antes del lanzamiento. Como la Soyuz se haya dentro de una cofia protectora, se debe abrir primero otra escotilla en esta cubierta:


Escotilla exterior de la cofia protectora que comunica con la escotilla del BO (RKK Energía).


Acceso de la tripulación a través de la escotilla de la cubierta (RKK Energía).


En esta imagen se ven mejor ambas escotillas. Podemos apreciar la protección de color rojo destinada a facilitar la entrada de la tripulación en el BO (RKK Energía).


Detalle de la escotilla lateral de un módulo orbital de una Soyuz TMA (RKK Energía).


Otra imagen de la escotilla lateral. La escotilla de acoplamiento se puede ver en la parte superior (RKK Energía).


Interior del BO:

La hemisferio delantero es relativamente espacioso, pero el trasero contiene una cantidad considerable de equipamiento que restringe el volumen útil. Según entramos por la escotilla de entrada lateral, la tripulación se encuentra a la derecha un panel de instrumentos llamado "Diván" (Диван), donde se encuentran distintos sistemas electrónicos de la nave, en concreto el relacionado con el sistema de acoplamiento Kurs. A la izquierda se encuentra una estructura mucho mayor denominada "Servant" (Сервант). La parte superior de Servant contiene el panel para el control de la presión dentro del BO (recordemos que el módulo orbital puede despresurizarse y servir como esclusa para EVAs), así como una mesa plegable con víveres para la tripulación. La parte inferior contiene los sistemas de soporte vital para regular la humedad del aire, ventiladores y tres recipientes con filtros para eliminar el CO₂. También se encuentra en su interior el "retrete" de la nave, denominado ASU.


Modelo del módulo orbital de una Soyuz 7K-TM (misión Apolo-Soyuz). La tripulación se encuentra frente al Servant. Podemos ver la mesa plegable así como los controles de presurización del módulo, a la derecha (NASA).


Detalle de la escotilla de acoplamiento en la misión Apolo-Soyuz (NASA).



Detalle del interior de un BO de una Soyuz TMA en órbita. En primer plano, arriba, se aprecia la escotilla de acoplamiento con la estación espacial (NASA).


Otra vista general del interior del BO de una Soyuz TMA (NASA).



Otra vista panorámica del interior del BO de una Soyuz TMA. Además de la mesa plegable del panel Servant, podemos ver la ventana de acoplamiento a la izquierda. Curiosamente, en este modelo, la escotilla de acoplamiento es verde en vez de blanca. El BO cuenta con dos lámparas SD1-5M (NASA).


Curiosa imagen en la que podemos ver el interior del panel Diván de una Soyuz TMA. También podemos ver la escotilla entre el BO y la cápsula en la parte inferior (NASA).


Vista del módulo orbital de la Soyuz desde arriba. A la izquierda se aprecia el panel Servant con los controles de presurización. Podemos observar la escotilla que comunica el BO con la cápsula de descenso. A la izquierda de los mandos del módulo (BRUB) se encuentran los controles para la conexión de los trajes de EVA Orlán D. Aunque estos trajes ya no se emplean para su uso en las Soyuz, el BO sigue incorporando estos controles como medida de seguridad (NASA).


Detalle de los controles manuales del BO (BRUB), a la izquierda. A la derecha podemos ver el barómetro y el interruptor de la válvula de presión (NASA).


Una perspectiva cenital del BO de la Soyuz 19. En la parte inferior vemos el módulo Servant y en la superior el Diván (NASA).



Un BO durante su construcción. Podemos apreciar el panel de control del Servant y la ventana del módulo (www.buran.ru).




BO en construcción. Detalles de la parte inferior del módulo y la escotilla que conecta con la cápsula. Destacan los filtros para la eliminación del dióxido de carbono en el interior del Servant (www.buran.ru).


Sistemas del BO:

El BO incorpora varios subsistemas críticos para las operaciones de la nave. Los más importantes son:

• Sistema de aproximación Kurs, RTSS (РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СБЛИЖЕНИЯ “КУРС”, PTCC): este avanzado sistema de radar empezó a usarse con las Soyuz TM y permite acoplamientos automáticos con otros vehículos equipados con el mismo sistema. Las primeras Soyuz (7K, Soyuz T) incorporaban el sistema Iglá, más rudimentario, que requería que tanto la Soyuz como la estación Salyut/Almaz maniobrasen para el acoplamiento. El sistema Kurs utiliza 6 antenas en la Soyuz: 4 en el BO y 2 en el PAO. El sistema se encarga de medir la distancia al objetivo, velocidad de aproximación, ángulos de posición y velocidad angular en cada uno de los ángulos de posición. La antena AS se encarga de medir casi todos los parámetros, salvo el ángulo del eje axial de la nave y la antena 2ASF mide también los ángulos de aproximación y cabeceo, al igual que la antena 2AO. La antena AKR-1 sirve para medir la velocidad de aproximación y la distancia. La AKR-2 cumple la misma función, pero se encuentra en el PAO, al igual que la AKR-3, que funciona conjuntamente con la 2AO para comprobar la actitud del vehículo.
  

Detalle de las distintas antenas del sistema de acoplamiento Kurs en el exterior del BO de una Soyuz TMA (NASA).

• Sistema de Soporte Vital, KSOZh (КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ, КСОЖ): el KSOZh del BO opera conjuntamente con el KSOZh del SA. Permite mantener con vida una tripulación de 2-3 personas durante los 4,2 días que dura el vuelo autónomo de la Soyuz. Uno de los subsistemas más importantes es el Bloque de Purificación de la Atmósfera o BOA (Блок очистки атмосферы, БОА), encargado de eliminar el dióxido de carbono. Hay dos BOA similares, uno en el SA y otro en el BO, este último en el módulo Servant. también forma parte del KSOZh el Sistema de Suministro de Agua, SVO (СИСТЕМА ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ, СВО). Como parte del SVO, hay en el BO un tanque de agua con capacidad para 20 l, localizado en el interior del módulo Diván.
• Instalación Sanitaria y de Saneamiento, ASU (АССЕНИЗАЦИОННО-САНИТАРНАЯ УСТАНОВКА, АСУ): el "retrete" de la nave, situado en el módulo Servant.
  

Detalle del retrete (ASU) que se halla instalado en el interior de un BO (Novosti Kosmonavtiki).

• Sistema de TV Klest-M: el BO incorpora una cámara exterior (KL-101-02) para el seguimiento de la maniobra de acoplamiento desde Tierra o desde el interior de la estación espacial. En el exterior del BO se encuentran antenas de TV para la transmisión de imágenes y telemetría. También se usa para transmitir imágenes del interior del SA durante el lanzamiento.
  
• Sistema de Control de Temperatura, SOTR (Система обеспечения теплового режима, СОТР): el BO comparte este sistema con el resto de módulos. Gracias a un complejo sistema de intercambiadores de calor, permite que la temperatura se mantenga entre los 18-25 ºC y la humedad entre el 20% y el 80%.
  
• Sistema de Acoplamiento y Transferencia Interna, SSVP (СИСТЕМА СТЫКОВКИ И ВНУТРЕННЕГО ПЕРЕХОДА, ССВП): el SSVP consiste principalmente en el Equipamiento de Acoplamiento Activo, ASA (Активный стыковочный агрегат, АСА). El ASA está formado por el cono con la sonda de acoplamiento, denominado Mecanismo de Acoplamiento, SM (Стыковочный механизм, СМ), situado en la escotilla frontal del BO y está diseñado para acoplarse con los sistemas pasivos (PSA) que se encuentran en el segmento ruso de la estación espacial. Una vez que la punta de la sonda del SM se engancha al receptáculo del PSA mediante cuatro pestillos, los actuadores eléctricos mueven la Soyuz hasta que el anillo de la escotilla contacte con su homólogo en la estación. En caso de emergencia, la tripulación puede ordenar la activación de cuatro pernos explosivos que soltarían el SM de la escotilla, liberando la nave. Alrededor de dicho anillo estructural se encuentran ocho pestillos que se conectan con los situados en el anillo de acoplamiento de la estación. Estos pestillos aseguran un cierre hermético entre los vehículos. El mecanismo de acoplamiento permite una velocidad de aproximación de entre 0,1 y 0,35 m/s, una velocidad lateral menor de 0,1 m/s y un error de giro de ±10º.

Detalle del BO de una Soyuz TMA donde se aprecia la ventana frontal y el sistema de acoplamiento (SM), así como los pestillos de acoplamiento en el anillo estructural (NASA).


Así se ve el mecanismo de acoplamiento (SM) de una Soyuz TMA al abrir la escotilla en la ISS. Como vemos, la sonda de acoplamiento se halla plegada (NASA).


La tripulación de la Soyuz abre la escotilla con el sistema de acoplamiento en su parte frontal (NASA).


Como vemos, el sistema de acoplamiento (SM) es desmontable y muy compacto (NASA).

Referencias:

• Soyuz (RussianSpaceWeb.com), Anatoly Zak.
  
• Soyuz, a universal spacecraft, Rex D. Hall y David J. Shayler (Springer-Praxis, 2003).
• Пилотируемые космические корабли "Союз", "Союз Т", "Союз ТМ" (www.buran.ru).
• ФОТОГАЛЕРЕЯ "Новостей Космонавтики".
• Kosmonavtka, Suzy McHale.
  
• RKK Energía.
  
• Roskosmos.
• NASA Human Spaceflight.
• Encyclopedia Astronautica (Soyuz, Soyuz T, Soyuz TM, Soyuz TMA), Mark Wade.
• Soyuz, NASA.
  

Aviones dobles

Si pensaban que el WhiteKnightTwo de Rutan es el único concepto de avión con dos fuselajes, think twice, como dicen los guiris. Aquí está el estudio de la ESA sobre un sistema de lanzamiento aéreo consistente en un avión capaz de obtener oxígeno líquido del aire en vuelo y cargarlo en una nave orbital.



vía FlightGlobal.com

Las entrañas de Energía

El pasado día 28, dos miembros de la futura Expedición 17 de la ISS (Oleg Kononeko y Serguéi Volkov) visitaron la sede de la empresa Energía como parte de su entrenamiento. Lo curioso son las fotografías que podemos ver en la web de la compañía. Aunque a primera vista no tengan nada de espectacular, se trata de una de las pocas ocasiones que podemos ver el interior de estas instalaciones, donde se fabrican las naves Soyuz y Progress.




Kononenko y Volkov reciben información de primera mano de sus instructores (entre ellos el cosmonauta Alexandr Kaleri). (Fotos: RKK Energía)

Aquí podemos ver la sede de la empresa en Korolyov, cerca de Moscú:


Imagen: Google Earth.

Soyuz TMA-10, descenso explicado

El pasado 21 de octubre de 2007, regresaba a la Tierra la cápsula Soyuz TMA-10 con los astronautas Fyodor Yurchikhin, Oleg Kotov y Sheikh Muszaphar Shukor. Sin embargo, la cápsula realizó un descenso balístico "incontrolado" en vez de uno balístico debido a un fallo en la nave. Como resultado de este fallo, la tripulación experimentó hasta 8,56 gravedades de desaceleración frente a las 4-5 g normales.

La causa del fallo al fin ha podido ser determinada. Según informó el presidente de Energía, Vitali Lopota, el causante fue un cable defectuoso que conectaba el panel de control con el equipamiento de la nave. De acuerdo con Lopota, se han tomado medidas para evitar que se vuelva a producir un incidente similar. Esperemos que sea verdad.

Viajar a la Luna I

Viajar a la Luna es un deseo tan antiguo como la propia Humanidad. La Luna nos atrae, pues al fin y al cabo se trata del único astro lo suficientemente cercano para poder observar su superficie sin ningún tipo de ayuda visual. Desde que tomamos conciencia de la Luna como un lugar que se podía visitar, se convirtió en el objetivo favorito de todos los soñadores.

Ya en 1600 Johannes kepler imaginaba en su Somnium un viaje a nuestro satélite. Pero no sería hasta el siglo XIX cuando el desarrollo científico de la Humanidad permitió vislumbrar por primera vez la tremenda complejidad de una hazaña de este tipo. Sin embargo, al mismo tiempo, los avances tecnológicos de la revolución industrial impulsaron la imaginación de muchos soñadores como Julio Verne y ayudaron a crear la sensación de que tal viaje sería posible con el tiempo.

En 1929 Fritz Lang dirigió la película "Una Mujer en la Luna" (Frau im Mond). Aunque se trataba de un film de fantasía, aparecía un cohete diseñado con la colaboración de Hermann Oberth, uno de los pioneros de la astronáutica. Fue uno de los primeros intentos de diseñar un sistema de propulsión basado en principios científicos capaz de llevar gente a la Luna.


El cohete de Frau im Mond aguarda el lanzamiento (fuente).

Desde que visionarios como Tsiolkovsky planteasen de forma realista la posibilidad de un viaje a la Luna, la forma preferida por los ingenieros para realizar esta tarea era el llamado Ascenso Directo (Direct Ascent). Como su nombre indica, este método consiste en lanzar de una sola vez una nave en órbita terrestre y desde allí dirigirse a la Luna. La nave alunizaría, la tripulación llevaría a cabo su misión y posteriormente volverían a la Tierra. Se trataba de un esquema muy simple, similar que aparece en el famoso cómic de Tintín "Objetivo: la Luna" (1952), donde el mismo cohete puede funcionar a la vez como nave lunar y lanzador. Desgraciadamente, pronto se vio que los cohetes reales estaban limitados en cuanto a capacidad de carga se refiere, ya que los combustibles hipergólicos o criogénicos impedían la puesta en órbita de grandes cargas (el cohete de Tintín usaba propulsión nuclear).

La solución a la dictadura de la ecuación del cohete fue dividirlo en varias fases o etapas, lo que permitía aumentar la masa útil usando combustibles convencionales. Del mismo modo, una nave espacial también se podía separar en varias etapas para aumentar la masa útil total del vehículo. Tomando en consideración estas limitaciones impuestas por la realidad, el esquema de misión lunar favorito durante la primera mitad del siglo XX siguió siendo el ascenso directo. Según este plan, la nave sería puesta en una trayectoria lunar usando una etapa de escape. Luego, el vehículo alunizaría usando una etapa de descenso. Tras las actividades en la superficie de nuestro satélite, la nave despegaría usando una etapa de ascenso. Por último, la etapa de ascenso y el módulo de servicio se desprenderían y la tripulación regresaría directamente a la Tierra reentrando en la atmósfera mediante una cápsula. Al método del ascenso directo se le conoce también como Aterrizaje Directo (Direct Landing) o Lunar Directo (Lunar Direct).


Nave lunar de ascenso directo tal y como se concebía en los años 50 (pintura de Chesley Bonestell).

El primer proyecto para alcanzar la Luna de forma realista data de 1937, cuando la British Interplanetary Society (BIS) publicó una avanzada propuesta de nave lunar que debía despegar mediante el uso de 2490 cohetes de pólvora (!). Entre los creadores del concepto estaban H. E. Ross, R. A. Smith, Happian Edwards y un jovencísimo Arthur C. Clarke. La nave contaba con una tripulación de tres personas y tenía una masa de solamente 1 tonelada. Curiosamente, los autores pensaron que el calentamiento durante la reentrada atmosférica no supondría un problema y diseñaron el vehículo sin escudo térmico, aunque sí consideraron que la temperatura exterior de la nave podría aumentar peligrosamente durante el lanzamiento. Por eso crearon un escudo cerámico que debía proteger el vehículo en los primeros instantes de la misión.

En 1949 la BIS publicó una propuesta mejorada de nave lunar que empleaba los avances en combustibles líquidos introducidos por el misil V-2, que había iniciado una revolución en la cohetería. El aspecto de la nave, con sus patas desplegables, recuerda mucho al futuro módulo lunar Apolo de la NASA.


Nave Lunar de la BIS (1949). Dibujo de R. A. Smith.

En 1952 Wernher von Braun publica en la revista Collier una serie de artículos donde resume sus ideas para alcanzar el espacio. Toda una generación de futuros científicos e ingenieros quedaron marcados por la belleza y precisión de las naves de von Braun, que incluían estaciones espaciales, transbordadores y, por supuesto, naves lunares y marcianas. Las ilustraciones del genial Chesley Bonestell atrajeron la atención de medio mundo. La expedición que proponía von Braun para colonizar la Luna se parecía más a un Einsatzkommando de la II Guerra Mundial que a un pequeño grupo de exploradores. Algo normal si tenemos en cuenta el pasado del bueno de Wernher.


Portada de la revista Collier con la nave lunar de von Braun (dibujo de Chesley Bonestell).

Tras el nacimiento de la era espacial en 1957 quedó claro que los cohetes existentes sólo podían poner en órbita unas pocas toneladas, lo que impedía la construcción de grandes vehículos espaciales. Como resultado se propuso otra técnica, el acoplamiento en órbita terrestre o EOR (Earth Orbit Rendezvous). En este esquema, varios cohetes pondrían en órbita terrestre los distintos componentes de una nave lunar, los cuales se acoplarían en el espacio y la nave proseguiría hasta nuestro satélite usando la técnica tradicional del ascenso directo. Aunque hoy en día el acoplamiento de vehículos en órbita nos parezca algo sencillo y rutinario, a finales de los años 50 se consideraba como una técnica sumamente peligrosa y compleja. Además, el uso de varios cohetes aumentaba el riesgo de fracaso, ya que si uno sólo de los lanzamientos fallaba, toda la misión se iría al traste.

En 1959, von Braun, con el éxito y prestigio del Explorer 1 a sus espaldas, vuelve a la carga con el Proyecto Horizonte. Project Horizon debía usar la técnica EOR para poner en órbita terrestre una nave lunar directa, para lo cual harían falta seis lanzamientos del Saturno C-3 (unas 80 t en total).

La solución a la complejidad del sistema EOR era tomar la ecuación del cohete por los cuernos y diseñar un lanzador gigante que permitiera poner en el espacio de una vez una nave lunar. Para tal fin, la masa útil mínima que debía poner en órbita baja era de unas 100 toneladas, lo cual es una cifra astronómica si tenemos en cuanta que los cohetes más potentes de finales de los 50 sólo podían poner en órbita unas pocas toneladas como mucho.

El mismo año que von Braun presentaba el Proyecto Horizonte, M. W. Rosen y F. C. Schwenk idearon su proyecto de nave lunar directa de 18 t (de las cuales 4 t correspondían a la cápsula de retorno). La nave alcanzaría el espacio de una sola vez usando un cohete gigante que denominaron NOVA.


La nave lunar de Rosen y Schwenk en la superficie lunar (NASA).


La etapa de ascenso despega rumbo a la Tierra (NASA).


Reentrada de la cápsula en la atmósfera (NASA).

El concepto de Rosen y Schwenk gozó de una enorme popularidad, aunque hemos de recordar que en 1959 la Luna quedaba aún muy lejos para la NASA.


Concepto original del cohete NOVA (NASA).

Existía otra solución para minimizar la masa de un vehículo lunar. Previamente se podía lanzar a la Luna otra nave no tripulada que sirviera, bien de hábitat, bien de vehículo de regreso para los astronautas. De esta forma, la nave lunar no debería llevar todo el combustible y/o víveres para un viaje de regreso. Esta opción se conoce como Encuentro en la Superficie Lunar o LSR (Lunar Surface Rendezvous). Naturalmente, si el acoplamiento en órbita baja era algo arriesgado, este esquema lo era aún más, pues si la nave tripulada aterrizaba muy lejos del vehículo de regreso o éste se encontraba en mal estado, la tripulación estaría condenada a una muerte segura. Curiosamente, las propuestas actuales de misiones a Marte pasan casi todas por un esquema similar, aunque más complejo.


Concepto de LSR: una nave con combustible espera a los astronautas en la superficie lunar (NASA).


Referencias:

• Chariots for Apollo: a History of Manned Lunar Spacecraft, NASA.
  
• A Man on the Moon, Andrew Chaikin.
• The Apollo Spacecraft, a Chronology, NASA.
  
• NOVA and beyond, H. H. Koelle.
• Project Horizon, Mark Wade (Encyclopedia Astronautica)