Análisis de maniobras para una inserción orbital y entrada en la atmósfera de Marte: Ventajas y limitaciones de la aerocaptura

Abstract

[ES] En los últimos años, en el ámbito de la exploración espacial se han realizado esfuerzos cada vez mayores en torno a la investigación sobre el planeta Marte, planteando retos que exigirán optimizar las soluciones tecnológicas para que las misiones próximas sean capaces de alcanzar los requerimientos cada vez más exigentes y que las operaciones orbitales que se realicen con estos fines sean realmente viables a nivel físico. En este Trabajo de Fin de Máster se realiza un estudio sobre las maniobras orbitales que se realizan en la esfera de influencia gravitatoria de Marte, ya sea para inserción orbital o para entrada. Particularmente, se realizan comparaciones sobre la viabilidad y la eficiencia de diferentes métodos, poniendo el foco sobre la aerocaptura y el aerofrenado como principales opciones para reducir costes y energía. De igual manera, se analizan las limitaciones de estos métodos en cuanto a varios factores, ya sean las especificaciones del vehículo, el peso de la carga de pago o la naturaleza de la misma, que puede exigir no superar ciertos límites de aceleración, temperatura o de duración de las maniobras. Otro factor analizado será influencia sobre la precisión en el punto deseado de toma de tierra. Para realizar este análisis, se utilizan modelos matemáticos que reproducen de manera realista el movimiento del vehículo en el espacio, tanto en el entorno orbital como en las capas superiores e inferiores de la atmósfera. Para estudiar el movimiento orbital se estudia la influencia de factores externos que puedan perturbar las soluciones ofrecidas por el problema de dos cuerpos. En el caso atmosférico se tienen en cuenta las diferencias de comportamiento en la aerodinámica de vuelos en aire rarificado a un medio considerado continuo. Estos modelos son validados mediante la comparación de sus resultados con datos empíricos de misiones que ya han realizado maniobras de este tipo durante los últimos años.

[EN] In recent years, in the field of space exploration, increasing efforts have been made regarding research on the planet Mars, posing challenges that will require optimizing technological solutions so that future missions are capable of meeting increasingly demanding requirements and ensuring that orbital operations conducted for these purposes are truly physically viable. This Master's Thesis presents a study on the orbital maneuvers performed within the gravitational sphere of influence of Mars, whether for orbital insertion or entry. Specifically, comparisons are made regarding the feasibility and efficiency of different methods, with a focus on aerocapture and aerobraking as options to reduce costs and energy. Similarly, the limitations of these methods are analyzed in relation to various factors, such as vehicle specifications, payload weight, or the nature of the payload itself, which may require not exceeding certain limits of acceleration, temperature, or maneuver duration. Another analyzed factor will be the influence on precision at the desired touchdown point. To carry out this analysis, mathematical models are used that realistically reproduce the vehicle's motion in space, both in the orbital environment and in the upper and lower layers of the atmosphere. The influence of external factors that may disrupt the solutions offered by the two-body problem is analyzed to study orbital motion. In the atmospheric case, the differences in the aerodynamic behavior between flights in rarified air and a considered continuous medium are taken into account. These models are validated by comparing their results with empirical data from missions that have performed maneuvers of this type in recent years.

[CA] En els últims anys, en l'àmbit de l'exploració espacial s'han fet esforços cada vegada majors entorn de la investigació sobre el planeta Mart, plantejant reptes que exigiran optimitzar les solucions tecnològiques perquè les missions pròximes siguen capaces d'aconseguir els requeriments cada vegada més exigents i que les operacions orbitals que es realitzen amb estos fins siguen realment viables a nivell físic. En este Treball de Fi de Màster es realitza un estudi sobre les maniobres orbitals que es realitzen en l'esfera d'influència gravitatòria de Mart, ja siga per a inserció orbital o per a entrada. Particularment, es realitzen comparacions sobre la viabilitat i l'eficiència de diferents mètodes, posant el focus sobre la aerocaptura i el aerofrenado com a principals opcions per a reduir costos i energia. D'igual manera, s'analitzen les limitacions d'estos mètodes quant a diversos factors, ja siguen les especificacions del vehicle, el pes de la càrrega de pagament o la naturalesa d'esta, que pot exigir no superar uns certs límits d'acceleració, temperatura o de duració de les maniobres. Un altre factor analitzat serà influència sobre la precisió en el punt desitjat de presa de terra. Per a realitzar esta anàlisi, s'utilitzen models matemàtics que reprodueixen de manera realista el moviment del vehicle en l'espai, tant en l'entorn orbital com en les capes superiors i inferiors de l'atmosfera. Per a estudiar el moviment orbital s'estudia la influència de factors externs que puguen pertorbar les solucions oferides pel problema de dos cossos. En el cas atmosfèric es tenen en compte les diferències de comportament en l'aerodinàmica de vols en aire rarificado a un mitjà considerat continu. Estos models són validats mitjançant la comparació dels seus resultats amb dades empíriques de missions que ja han realitzat maniobres d'este tipus durant els últims anys