En esta página se encuentran las presentaciones, notas del curso y material adicional que complementan las clases presenciales de la asignatura El entorno espacial impartidas durante el primer semestre del año académico 2023-2024 en el segundo curso del Máster Universitario de Ingeniería Aeronáutica. La guía oficial de la asignatura se desarrolla en la primera presentación del curso, ambos pueden descargarse en el menú lateral.
Descripción de la asignatura
En esta materia estudiaremos las características principales del medio físico donde se mueven los satélites en órbita terrestre. No existe una frontera universalmente aceptada entre el límite de la atmósfera y lo que entendemos como espacio exterior, habitualmente se emplea la denominada línea de Von Kármán que es un criterio aerodinámico aceptado por la Federación Astronáutica Internacional. Se encuentra típicamente entre los 80 y 120 km y corresponde a la altitud en la que la densidad de la atmósfera terrestre es tan baja que la velocidad de una aeronave para conseguir sustentación es equiparable a su velocidad orbital.
Referencia: N. H. Stone. The aerodynamics of bodies in rarefied ionized gas with applications to spacecraft environmental dynamics.
NASA technical paper 1933 (1981).
Por encima de esta altura el espacio no está vacío como muestran los datos de la figura adjunta, donde se ha representado la concentración típica de las partículas presentes entre 100 y 1000 km de altura. Aunque la presión para estas alturas es muy baja, las concentaciones de los diferentes tipos de átomos, moléculas y especies cargadas eléctricamente no es despreciable.
Las curvas en color negro corresponden a los gases presentes (típicamente oxígeno y nitrógeno) que para alturas entre 150 y 300 km alcanzan concentraciones entre 106 y 108 partículas por centímetro cúbico.
Los gases presentes absorben la parte más energética del espectro solar (principalmente la radiación ultravioleta) resultando un par ion-electrón. Las curvas de color en la figura representan las concentraciones de las diferentes partículas eléctricamente cargadas que resultan de la ionización parcial del gas,
que tienen una compleja composición físico-química en función de la altura. El flujo de partículas de alta energía que proviene del sol también contribuye a esta concentración de cargas en función de la altitud que se muestra en la figura.
En el equilibrio estacionario el medio resultante ha de ser eléctricamente neutro, la suma de las cargas positivas y electrones (curva roja) ha de ser nula. Entre 100 y 300 km de altura la figura muestra concentraciones de electrones entre 5x104 y 5x105 por centímetro cúbico, que ha de igualar la suma de de los iones presentes. En las condiciones dela figura el grado de ionización, es decir la razón entre partículas cargadas y átomos neutros de los gases sería del 1%. Es decir, aproximadamente uno de cada cien átomos o moléculas presentes en estas altitudes tiene carga eléctrica.
Los vehículos espaciales en órbitas baja (180-2000 km) y media (2000-36000 km) se mueven inmersos en este medio físico que denominamos plasma, que está constituído por iones, electrones y átomos de gas neutro. Estudiaremos la composición y características del entorno espacial dentro del sistema solar, dominado por plasmas en los que la influencia de la actividad solar es determinante. Como la presencia de iones hace que este medio sea químicamente activo, examinaremos también algunas de las consecuencias de la inevitable interacción de este peculiar entorno con los vehículos espaciales, que depende de la naturaleza de la misión y/o el tipo y altura de su órbita.
Además de gases rarificados y átomos/moléculas con carga eléctrica, existen elementos adicionales que configuran el entorno de un satélite, como son la radiación (corpuscular y electromagnética) que proviene del sol, partículas sólidas de pequeño tamaño y deshechos espaciales que orbitan la tierra.
Como veremos, el entorno espacial con el que interacciona un vehículo en órbita terrestre es un medio complejo y reactivo desde el punto de vista físico-químico.
