Satélites artificiales Cátedra José Celestino Mutis Universidad Nacional de Colombia J. Gregorio Portilla Observatorio Astronómico Nacional

Antes del 4 de octubre de 1957…

384000 km

Mecánica celeste Isaac Newton (1687)

Línea recta Elipse Parábola Hipérbola

¿Cómo colocar una luna artificial? ¿Cómo hacer que un cuerpo escape de la Tierra?

Consideremos dos cuerpos Tierra

Newton demostró que cuerpos esféricos se comportan como si toda la masa estuviera concentrada en su centro Tierra

Velocidad inicial cero La trayectoria es una línea recta Tierra

Tierra Velocidad inicial distinta de cero pero va en la dirección de la línea vertical La trayectoria es de nuevo una línea recta Tierra

La trayectoria es un óvalo Si la velocidad inicial no es cero pero tiene una componente tangencial La trayectoria es un óvalo Tierra

En la vida real, el cuerpo lanzado choca con la superficie terrestre Tierra

Tierra Vamos a aumentar la velocidad de lanzamiento El objeto está cayendo y finalmente choca con la superficie Tierra

Sigamos aumentando la velocidad… Tierra

Sigamos aumentando la velocidad… El objeto queda perpetuamente dotado de movimiento Hay una velocidad mínima para la cual el objeto queda en órbita

Sigamos aumentando la velocidad…

Sigamos aumentando la velocidad… El objeto escapa… Hay una velocidad mínima para la cual el objeto escapa (parábola)

Velocidad orbital V=8000 m = 8 km/s G=6.67X10-11 (MKS) M=6X1024 kg R=6’378.140 m h = 8850 m Esta es una velocidad enorme!!! V=8000 m = 8 km/s

Velocidad de escape G=6.67X10-11 (MKS) M=6X1024 kg R=6’400.000 m h = 8850 m V=11300 m = 11.3 km/s Y esta con más veras

Plaza de Bolívar 8 kilómetros en 1 segundo Aeropuerto El Dorado

Comparación de velocidades 150 km/h =0.041 km/s 800 m/s =0.8 km/s 3.3 mach =0.98 km/s 3-4 km/s

Y, entonces, ¿cómo lograr velocidades del orden de 8-11 km/s?

Acción-reacción Aire La velocidad del globo depende de: La velocidad de salida del aire La cantidad de gas que hay originalmente

Cohete Carga útil Gases Calientes Velocidad de los gases: 2-3 km/s La masa original del cohete es varias veces la masa de la carga útil

Pero, ¿siempre es necesario usar un cohete para colocar un satélite en cualquier parte del sistema solar? No necesariamente, pues todo depende del objeto en el que se quiera colocar un satélite

Examinemos el asunto para Fobos (satélite de Marte) M = 1 X 1016 kg R = 10 km h = 2 m Hasta con la fuerza de un niño es posible colocar un satélite v = 8 m/s

Fase propulsada… Inyección

Trayectoria balística

Fase balística Inyección Tierra Fase propulsada

Primer misil balístico intercontinental

El 4 de octubre de 1957 quedaron en realidad tres objetos en órbita terrestre Cono protector Sputnik Cohete R7

Órbita del Sputnik I 950 km 228 km

Han existido más de 6000 lanzamientos (EEUU, Rusia, Japón, China, Francia, India, Israel, Australia, Reino unido) Para marzo del 2009, existían 900 satélites operacionales junto con 13000 residuos espaciales rastreados (> 10 cm) con posiblemente 100.000 trozos no rastreables (0.5-10 cm)

Las órbitas de los satélites no son elipses perfectas Existencia de varias fuerzas: Atracción del Sol y la Luna No esfericidad de la tierra Presencia de una atmósfera Presión de la luz

La Luna y el Sol afectan la trayectoria de un satélite 150000000 km Tierra 384400 km Luna

La fuerza que más afecta la trayectoria elíptica de un satélite es el debido a la forma irregular de la misma Tierra

La atmósfera terrestre ejerce una fuerza de resistencia que afecta el movimiento de los satélites de baja altura

Caída en espiral de un satélite a baja altura Interacción de un satélite artificial con las capas altas de la atmósfera Caída en espiral de un satélite a baja altura

Variación de la altura de la Estación Espacial Internacional

Casi siempre los satélites de baja altura se queman y desaparecen en las capas altas de la atmósfera

Algunos objetos en su reentrada no se queman totalmente y logran llegar hasta la superficie de la Tierra

Presión de radiación SOL Tierra

Examinemos rápidamente los tipos de órbitas características de los satélites

Tierra No es posible colocar un satélite a 10 km 20 km 50 km 100 km A esa altura hay muchas moléculas de aire A 10 km/s se quema completamente por la fricción 20 km 50 km 100 km 150 km

Satélites de baja altura Altura (km) 200 1000 Vel (km/s) 8 7.3 Periodo (min) 88 105 6300 km Espionaje Meteorológicos Telescopios Estaciones espaciales Telefonía Búsqueda de recursos

Satélites de altura intermedia Altura (km) 1000 22000 Vel (km/s) 7.3 3.7 Periodo 88 m 13 h Telefonía Navegación

Satélites de órbita geoestacionaria Altura (km) 35800 Vel (km/s) 3.0 Periodo 24 h Comunicaciones Meteorológicos Alerta temprana Órbita Molniya

Órbita lunar Altura (km) 380000 Vel. (Km/s) 1 Periodo 27.3 d

Examinemos las ventajas se se sacan de colocar uno o varios objetos girando incesamente varios centenares o miles de kilómetros sobre la superficie de la Tierra

Problema de las telecomunicaciones Luna Tierra

Un satélite de baja altura tiene un periodo orbital muy corto (90 min)

Satélites geoestacionarios 35800 km Situado a esa altura, con órbita circular y sobre el ecuador terrestre el satélite aparece para alguien en la Tierra como un punto fijo en el cielo

Las antenas parabólicas apuntan a satélites geoestacionarios Televisión Satelital (Direct TV)

Satélites de reconocimiento Tierra Geoestacionario

Pueden identificar objetos con tamaños hasta de 10 cm Electro-ópticos Térmicos (ir) Radar

Satélites meteorológicos

Global positioning system (GPS) Satélites de navegación Global positioning system (GPS)

Recursos naturales

de marihuana (zona negra)… Fotografía de un campo de marihuana (zona negra)… en Estados Unidos

66 satélites en órbita baja en 8 planos a una altura de 800 km Telefonía global 66 satélites en órbita baja en 8 planos a una altura de 800 km Iridium

Exploración del espacio El ojo humano sólo es sensible a una pequeña parte del llamado espectro electromagnético

La atmósfera bloquea gran parte del espectro

Cygnus X-1 Explosiones de rayos gamma (23 enero 1999) Detección de agua en el exoplaneta HD189733b

Satélites para la exploración del espacio Estrellas muy próximas * * Los astros “centellean” Atmósfera terrestre Dificultad en alcanzar los poderes de resolución teóricos de telescopios *

Telescopio Espacial Hubble Satélite de baja altura cuyas fotografías son de muy alta resolución No es el telescopio más grande del mundo, pero tiene la ventaja de que está por encima de la atmósfera

Los satélites llevan 52 años y han cambiado nuestra forma de vida y la manera como vemos al mundo y al Universo

Muchas gracias!!!

Fase balística Inyección Tierra Fase propulsada

Para lograr en la práctica velocidades orbitales se necesitan cohetes multietapas Carga útil 1 etapa 2 etapa 3 etapa

Newton demostró que cuerpos esféricos se comportan como si toda la masa estuviera concentrada en su centro Tierra