viernes, 19 de diciembre de 2014

Novedades con el misterioso satélite interceptor ruso Kosmos 2499



Este artículo ha sido elaborado conjuntamente con Daniel Marín (Eureka), y fue publicado originalmente en su blog el 15 de diciembre del 2014.



La primera parte del artículo la puedes encontrar aquí.



El otro día hablábamos de los satélites rusos Kosmos 2491 y Kosmos 2499 y sus misteriosos propósitos. Nadie sabe cuál es la misión precisa de estos vehículos, pero posiblemente estamos ante prototipos de satélites destinados a interceptar otros objetos situados en órbita baja.

Como se sospechaba, durante estos días el Kosmos 2499 se ha acercado definitivamente a la etapa superior Briz-KM del cohete Rokot-KM que lanzó este satélite el pasado 23 de mayo. El polémico satélite se ha aproximado a una distancia mínima de unos 500 metros en un primer acercamiento, pero posteriormente parece que ha vuelo a alejarse y acercarse otras dos veces más a una distancia similar o incluso menor, aunque este último punto está pendiente por confirmar, ya que las órbitas no se han actualizado lo suficiente.


Apogeo/perigeo de Kosmos 2499. El acercamiento ocurre el 9 de noviembre y hoy en día siguen bastante juntos. (Crédito: Itzalpean).


Ajustes finos de altitud para modificar la distancia (Crédito: Itzalpean).


Sin embargo, todo indica que Kosmos 2499 ya ha completado su misión principal, puesto que en estos momentos está separado unos 53 kilómetros de la etapa Briz-KM. Y la distancia sigue creciendo, ya que Kosmos 2499 completa 12.835476 órbitas cada día y la Briz-KM 12.834917 órbitas al día. La diferencia es mínima, pero supone unos 0,3 m/s de diferencia de velocidad relativa. Durante los diferentes acercamientos el riesgo de colisión ha sido mitigado usando inclinaciones y planos de órbita diferentes. La diferencia de inclinación entre ambos era de tan solo 0,0001 grados y 0,0004 grados en plano (RAAN). A la altitud orbital en la que ambos objetos se encuentran eso supone unas decenas de metros, lo suficiente para no colisionar.


En cualquier caso, todavía no se puede asegurar al 100% que la misión principal haya finalizado, ya que con una pequeña maniobra de menos de 1 m/s el satélite podría intentar un nuevo acercamiento. No obstante, existen indicios de lo contrario. Más concretamente, poco después de empezar a alejarse el 1 de diciembre, un famoso radioaficionado ruso llamado R4UAB (Dmitry) consiguió oír al aparato en una frecuencia de 435,465 MHz, con pulsos Morse, más concretamente transmitiendo como RS-47 (Radio Sputnik-47). Esto podría ser un indicio de que una vez acabada su misión estaría sirviendo de satélite “radio amateur”, algo que se confirma con la degradación que tiene la señal que emite, típico de satélites que giran sobre su propio eje sin control.

La masa de este satélite ha estado sujeta a discusión por los analistas durante todo este tiempo. Sin embargo, por limitaciones del lanzador el satélite no podría exceder los 100 kg de peso, por lo que se especula que podría estar entre los 48 y 100 kg. De ser así sería todo un hito, ya que gran parte de la masa del satélite debía ser combustible para poder haber llevado a cabo maniobras con una Delta-V total de 186 m/s. Lamentablemente no es posible calcular la masa del satélite directamente usando las perturbaciones sufridas por el frenado atmosférico como otros satélites en órbita baja. Esto se debe a que se halla a demasiada altitud para que se pueda calcular con un mínimo de precisión, puesto que no sufre un efecto de frenado atmosférico significativo. Para poder hacer los cálculos deberíamos esperar meses o incluso años sin que efectúe maniobra alguna.

En cuanto al combustible que podría usar hemos realizado un análisis hecho específicamente para esta entrada. Suponiendo que la masa del satélite es de 100 kg y que utiliza combustibles hipergólicos -o sea, N2O4 y UDMH-, el análisis concluye que al menos 60 de los 100 kg deben ser combustible (propergoles) para las maniobras. Una proporción anómala para un satélite, pero no imposible. Claro que, como ya comentamos, el vehículo podría usar un combustible o un sistema de propulsión más eficiente. En ese caso la cantidad de combustible necesario sería menor. Estos cálculos son bastante rudimentarios, por lo que el error es del orden del 10% de la masa del satélite. Tampoco podemos descartar el uso de propulsión iónica, aunque no es probable debido a los altos empujes realizados en muy poco tiempo, cosa que se le atraganta a este tipo de propulsión. Otra posibilidad es una combinación de sistemas de propulsión, pero esto redundaría negativamente en la masa total del satélite.

Por otro lado, el USPACECOM de los Estados Unidos midió el tamaño de Kosmos 2499 hace casi medio año. Sin embargo, estos datos dejaron de publicarse hace unos dos meses y fueron sustituidos por tres tamaños: grande, mediano y pequeño. Afortunadamente tenemos una copia de seguridad de los tamaños en nuestra base de datos. El valor RCS resulta ser de 0,38 metros cuadrados. Suponiendo que su forma sea cúbica nos encontraríamos con un mini-satélite de casi 40 x 40 x 40 cm. Esto encajaría con la pequeña masa del satélite.


Kosmos 2491: ¿el antecesor fallido de Kosmos 2499?

El 25 de diciembre un cohete Rockot con su correspondiente etapa Briz-KM con otros tres satélites Strelá despegaba desde el cosmódromo de Plesetsk. La misión fue todo un éxito y los Strelá comenzaron a funcionar normalmente. Sin embargo, una pieza de pequeño tamaño de desprendió durante el lanzamiento, una pieza que se catalogó como basura horas después del despegue.

Pasó el tiempo y dicha pieza de basura resultó ser un satélite operativo reconocido por el Kremlin, el Kosmos 2491. Sin embargo, no realizó maniobra alguna y se quedó en una órbita de 1505 x 1479 kilómetros y 82,48 grados de inclinación. Meses más tarde, comenzó a transmitir en frecuencia de radioaficionado con la identidad de RS-46 (Radio Sputnik-46), un número menos que Kosmos 2499 (RS-47). Parece que estemos narrando exactamente la misma historia que contábamos en el anterior post sobre Kosmos 2499, exceptuando obviamente que Kosmos 2499 estaba vivo más allá de toda duda.

Pero no todo son similitudes. La etapa Briz-KM del Kosmos 2491 fue enviada a una órbita altamente elíptica de 63821 x 2774 kilómetros unos 17 días después del despegue. Esto plantea la siguiente duda: ¿tuvo que “escalar” el Kosmos 2491 hasta esa órbita para alcanzar la etapa y realizar un acercamiento? Poco probable. Es mucho más lógico pensar que poco después del lanzamiento los técnicos se dieron cuenta de que el Kosmos 2491 no funcionaba y, tras varios días de intentos de reactivación infructuosos, mandaron la Briz-KM fuera del alcance de los Strelá-Rodnik y del propio Kosmos 2491. Por supuesto, esto es sólo una hipótesis. No obstante, Kosmos 2491 no tendría combustible para llegar a esa órbita ni por asomo, por lo que la hipótesis de que Kosmos 2491 tenía que elevar tanto su órbita es muy improbable.


Apogeo y perigeo de Kosmos 2491 y su Briz-KM. Se puede observar la maniobra de Briz-KM unos 17 días después del despegue. (Crédito: Itzalpean).


El valor RCS del Kosmos 2491 es muy similar al del Kosmos 2499, de 0,31 metros cuadrados frente a los 0,38 metros cuadrados del Kosmos 2499 respectivamente. Teniendo en cuenta el margen de error, ambos podrían ser del mismo tamaño. Al igual que con Kosmos 2499, la masa del Kosmos 2491 debía estar situada entre los 48 y los 100 kg. En definitiva, no se puede asegurar que Kosmos 2491 y 2499 sean hermanos, pero todo indica que así es.


Antecedentes de Kosmos 2499 y Kosmos 2491

Como es de sobras conocido, el Kosmos 2499 no es el primer satélite que intenta algo parecido. Existen homólogos estadounidenses, chinos e incluso suecos. Veamos más detalles de estos proyectos.

El XSS-10 y el XSS-11

El predecesor estadounidense se denominó XSS-10 (eXperimental Small Satellite) y se dedicó a inspeccionar de manera semi-autónoma la segunda etapa del cohete Delta 2 con la que fue lanzado, pudiendo fotografiarla a escasos metros durante las 24 horas que duró aproximadamente el acercamiento.

XSS-11 (Wikipedia).


Segunda etapa del Delta 2 fotografiada por el XSS-10 (Crédito: United States Air Force Research Laboratory (Fuente: http://www.dtic.mil/ndia/2003science/engle.pdf).

Pero, pese a que el aparato era un prototipo militar, los resultados parciales se hicieron públicos, así como sus órbitas, a partir de las cuales pudimos concluir que XSS-10 no intentaría acercarse de nuevo a la etapa que lo lanzó:

Apogeo y perigeo de XSS-10 desde el lanzamiento hasta la actualidad. Las ondulaciones en el apogeo y perigeo son debido a las perturbaciones orbitales. Sin embargo, el periodo se mantiene estable y va cayendo lentamente por el drag atmosférico. (Crédito: Itzalpean).


Apogeo y perigeo de la etapa superior del Delta 2 hasta la actualidad. Se ve claramente que no comparten la misma altitud. (Crédito: Itzalpean).


De hecho, hoy en día ambos objetos comparten órbitas con planos totalmente diferentes. De alguna manera, el XSS-10 también se parece a los Kosmos 2499 y Kosmos 2491 debido a su reducido tamaño y peso (31 kg frente a los 48-100 kg estimados para los Kosmos), aunque hay que señalar que el XSS-10 no tenía un sistema de propulsión capaz de hacer varios acercamientos, y mucho menos si la etapa del Delta 2 maniobraba. Tras el XSS-10, le siguió el XSS-11, eXperimental Satellite System 11 o USA-165, que fue lanzado el 11 de abril de 2005 a bordo de un cohete Minotaur como carga útil única. En este caso la misión fue secreta, aunque se hicieron públicos sus parámetros orbitales básicos (pero no los suficientes), como la altitud y la inclinación. Su masa de unos cien kilos, su volumen de aproximadamente un metro cúbico y su forma hizo que se ganara el apodo de “la lavadora espacial”.

Su propósito fue probar nuevos sistemas para la Fuerza Aérea (USAF). Más concretamente, desarrollar la capacidad para que un sistema se acerque a su objetivo en el espacio de manera autónoma y segura. Dichas ventajas, como la reducción de pesos y tamaños -y costes al fin y al cabo- o la seguridad en acercamientos serían usadas por la USPACECOM (que forma parte de la USAF) en futuras misiones. Poco después del despegue se completaron las pruebas necesarias de la etapa superior del cohete Minotaur y más tarde el satélite comenzó a acercarse al objetivo, estando a su lado durante un total de 75 órbitas. Después volvería a acercarse y alejarse del objetivo varias veces en los siguientes 12 o 18 meses hasta finalizar su misión.

Los aficionados pudieron seguir al aparato hasta octubre de 2006, pero dos meses más tarde el satélite desapareció. Más concretamente, la última órbita calculada por los aficionados es del 11 de diciembre de 2006. A partir de esa fecha el cohete Minotaur pudo ser seguido regularmente, puesto que se encuentra en casi la misma órbita. Pero no se supo nada más del XSS-11… al menos hasta un año más tarde, cuando Kevin Fetter, un aficionado al rastreo de satélites, observó un destello en el cielo. Rápidamente apuntó su telescopio hacia la zona el destello y pudo grabar un satélite desconocido muy oscuro dando vueltas sobre su propio eje:

(Crédito: Kevin Fetter)

Rápidamente publicó un mensaje y el vídeo para ver si alguien podía identificar el misterioso objeto. Un experto analista, Ted Molczan, lo identificó como el XSS-11. Posteriores observaciones permitieron determinar su órbita durante un tiempo hasta que reentró en la atmósfera el 12 de noviembre de 2013. Los últimos parámetros orbitales que disponemos en nuestras bases de datos nos muestran una órbita de 704 x 375 kilómetros y 98,54 grados de inclinación.


Gráfica de altitud del XSS-11 usando las órbitas de aficionados de 2005 y 2006. (Crédito: Mike McCants/Seesat/Eureka/Itzalpean).

Unos meses después se supo que una vez completada su misión de 18 meses el satélite maniobró para reducir su perigeo para aumentar su rozamiento atmosférico y así acelerar la fecha de reentrada. También se publicó la siguiente imagen, en donde se puede ver la etapa superior del cohete Minotaur fotografiada por el XSS-11 a 500 metros de distancia:


Etapa superior del Minotaur fotografiada por el XSS-11. (Crédito: USAF).

Comparándolo con los Kosmos 2499 y 2491, el XSS tenía mucha más capacidad de maniobra, con una Delta-V de unos 600 m/s.


El Shijian-7 y el Shiyan-7

El Shijian-7 (实践七号) fue lanzado el 5 de julio del 2005 a bordo de un cohete Larga Marcha CZ-2D desde el centro espacial de Jiuquan. Su supuesto propósito era la “experimentación científica”, como el resto de satélites de la prolífica familia Shijian (no en vano, Shijian significa “experimento” en mandarín). Sin embargo, una vez completada su misión elevó su órbita en vez de disminuirla. Ocho años más tarde, el 19 de julio del 2013 se produjo el lanzamiento de tres satélites al mismo tiempo usando un vector CZ-2C: el Shijian-15 (¿PAYLOAD A?), el Chuangxin-3 (创新三号, ¿PAYLOAD B?) y el Shiyan-7 (¿PAYLOAD C?). El propósito de uno de los tres -las autoridades no especificaron cuál- era una vez más la del “acercamiento a satélites”. China también declaró que uno de los satélites disponía de un brazo robótico experimental que se usaría para capturar otros satélites.


Posible aspecto del Shijian 15 (9ifly.cn).

La comunidad internacional ya se había olvidado del viejo Shijian-7, pero contra todo pronóstico existía una relación entre este satélite y el nuevo trío de vehículos. En poco menos de un mes el recién lanzado Shiyan-7 (试验七号), también conocido como Tansuo-7, maniobró para aproximarse al viejo Shijian-7 (atención a la transcripción de los nombres, muy parecida, pero no idéntica) y en el plazo de tan sólo dos días volvió a hacer otra maniobra importante, colocándose en una órbita más baja que el viejo Shijian-7.

Ocho meses más tarde el Shiyan-7 maniobraba hasta una órbita más alta que la del antiguo Shijian-7 para corregir el plano orbital y posteriormente volvió a situarse en una órbita más baja con el fin de encontrarse con su viejo amigo el 15 de mayo del 2014. Dos maniobras después, para poder pasar cerca de su objetivo, llevó a cabo otra serie de maniobras e hizo otros tres cruces -uno de ellos a baja velocidad relativa- antes de ponerse en una órbita del mismo periodo pero algo más excéntrica que el Shijian-7:

Acercamientos del PAYLOAD C al Shijian-7 en agosto del 2013. (Crédito: Bob Christy/zarya.info).

Ocho meses más tarde, el 13 de abril del 2014, volvía a hacer una serie de maniobras sin acercarse demasiado al objetivo y el 13 de mayo pasó a escasos metros del Shijian-7. Más adelante se produjeron otros dos acercamientos hasta junio y después efectuó otra maniobra para mantener el mismo periodo orbital que su objetivo (salvo que este tenía una órbita menos excéntrica). Tres meses y medio después, el 15 de septiembre del 2014, se acercó hasta nueve veces a su objetivo y, al menos en tres ocasiones con una velocidad relativa de tan sólo 1 m/s, unas maniobras que se prolongaron hasta el 27 de septiembre del mismo año. A partir de ahí el PAYLOAD C (Shiyan-7) se situó en una órbita ligeramente más alta que su viejo compañero y entonces comenzó un pequeño desvío de planos. Actualmente se encuentran a más de 1700 kilómetros el uno del otro y continúan alejándose hoy en día.


Maniobras del Shijian-7 y PAYLOAD C (¿Shiyan-7?) y descripción de lo detallado en el párrafo anterior. (Crédito: Itzalpean).

Pero también el “PAYLOAD A”, el supuesto Shijian-15 de la misma misión que el PAYLOAD C (Shiyan-7) tiene mucho qué contar. Hasta tres meses después del despegue, el llamado “PAYLOAD A” por la USPACECOM, parecía que era un objeto sin gran capacidad de maniobra. Sin embargo esta percepción cambió el 15 de octubre del 2013 cuando llevó a cabo una pequeña maniobra, aunque los analistas internacionales no quedaron especialmente impresionados.

Cuatro días más tarde, el 19 de octubre, el USPACECOM catalogaba una pieza de basura proveniente del PAYLOAD A y lo llamaron “PAYLOAD A DEB” (DEB de debris, es decir, ‘basura’ o ‘restos’). Ocho días después de la separación comenzó a efectuar maniobras de muy poco empuje con el objetivo de acercarse el día 27 hasta su satélite nodriza. Estaba claro que no se trataba de una pieza de basura, sino de un satélite “vivo” dotado con un sistema de propulsión propio. Poco después se publicó su valor RCS, que estimaba su tamaño en 1,83 metros cuadrados de media de acuerdo con la USPACECOM. Resulta que la pieza de basura no lo era y mucho menos una pieza pequeña. Tras esos acontecimientos el supuesto Shijian-15 comenzó a atraer la atención de algunos analistas, pero la noticia jamás llegó a la prensa ni a la blogosfera, quizá porque nadie dijo nada en público de forma notoria sobre este objeto tan peculiar. Poco después de ese primer acercamiento tuvo lugar un nuevo ajuste orbital y el PAYLOAD A y el PAYLOAD A DEB comenzaron a hacer decenas de acercamientos de baja velocidad relativa hasta el 9 de febrero del 2014:


Gráfica de altitud de PAYLOAD A y PAYLOAD A DEB. (Crédito: Itzalpean).

Como se puede ver, a partir del 9 de febrero el PAYLOAD A DEB comenzó a hacer micromaniobras para mantener la altitud y la USPACECOM lo perdió durante unos meses, hasta que volvió a hacer dos acercamientos lejanos (aunque a velocidades relativas inferiores a 1 m/s). El máximo acercamiento fue de unas decenas de kilómetros para ambos casos. Después el objeto se “perdió” de nuevo hasta el 20 de septiembre de 2014, cuando reanudó sus acercamientos a baja la velocidad, unos acercamientos que continuarían hasta la actualidad. En la actualidad ambos satélites están separados apenas dos kilómetros el uno del otro y parece que siguen jugando a perseguirse. Las dos cosas que diferencian esta misión de las anteriores es que ambas cargas útiles maniobran y que los acercamientos son de tan solo unas decenas de metros o menos. Todo indica que su misión sigue adelante.

Proyecto PRISMA

El 15 de junio de 2010 un cohete Dnepr ruso puso en órbita varios satélites, entre los que se encontraba el PRISMA sueco. PRISMA (Prototype Research Instruments and Space Mission technology Advancement). PRISMA consistía en dos vehículos, uno más grande y maniobrable denominado Mango (MAIN) y otro más pequeño que sirvió como objetivo denominado Tango (TARGET). Mango y Tango ensayaron el vuelo en formación usando técnicas visuales, GPS y radiofrecuencias. Mango era un satélite estabilizado en tres ejes, con una masa de 140 kg y empleaba un sistema de actitud que utilizaba hidracina tradicional como combustible, además de un novedoso sistema desarrollado en conjunción con la ESA que emplea HPGP (LMP-103S), un combustible no tóxico alternativo a la hidracina. Por su parte, Tango era un pequeño satélite de 40 kg que cuenta con un sistema de control simplificado.


PRISMA, con Tango a la izquierda y Mango a la derecha (Swedish Space Corporation).



Tango visto por Mango en órbita (SSC/CNES).


PRISMA fue situado en una órbita de 691 x 725 kilómetros y 98,29 grados de inclinación y tan sólo dos días más tarde elevó su órbita hasta alcanzar los 722 x 782 kilómetros, manteniendo la inclinación. Aproximadamente dos meses más tarde Mango soltó a Tango. Tan sólo un día más tarde, Tango usó sus pequeños propulsores para maniobrar ligeramente, probablemente para verificar su buen funcionamiento. 16 días y unas cuantas micromaniobras más tarde, Mango y Tango se acercaron por primera vez. Desde entonces y hasta el 19 de abril del 2013 han realizado centenares de acercamientos de todo tipo. Analizando varios de ellos (escogidos al azar) se puede ver que algunos acercamientos fueron tan precisos y suaves que ambos satélites apenas estaban unas decenas de metros el uno del otro y a unas velocidades relativas bastante inferiores a 1 m/s:

Micromaniobras de acercamiento y alejamiento de Mango hacia Tango. Tango también maniobra, aunque menos. (Crédito: Itzalpean).

Como comentábamos, a partir del 19 de abril del 2013 Tango redujo su perigeo drásticamente en unos 49 kilómetros y poco después, el 14 de junio del 2013, Mango hacía lo propio, realizando un último acercamiento en una órbita diferente a la inicial. Tras ese último acercamiento Tango volvió a su órbita original de 691 x 725 kilómetros, aunque Mango no hizo lo propio.


Maniobras de Mango y Tango hasta la actualidad. (Crédito: Itzalpean).


Finalmente Mango llevó a cabo una serie de maniobras el 21 de mayo y el 19 de julio de 2014 para reducir la excentricidad de su órbita. Sin embargo jamás intentó volver a acercarse a Tango y hoy en día la diferencia de plano es de 20,732 grados. Por lo tanto, para volver a intentar un acercamiento Mango debería elevar su órbita o Tango reducirla, cosa que parece improbable.


Diferencia de planos entre Mango y Tango en la actualidad. Ya no es probable que intenten acercarse de nuevo. (Crédito: Itzalpean).

Como vemos, las aventuras de Kosmos 2499 y Kosmos 2491 no son en absoluto novedosas. La diferencia en esta ocasión es que ambos satélites están rodeados de un aura de secreto que hunde sus raíces en la probable naturaleza militar de este proyecto. No son los primeros ni serán los últimos satélites que llevarán a cabo oscuras maniobras orbitales de acercamiento e inspección.


Referencias:
zarya.info (Bob Christy).
Seesat.

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