Un curioso fenómeno luminoso alrededor del transbordador espacial Endeavour

El vídeo de la NASA del lanzamiento de la última misión del transbordador espacial Endeavour muestra en el minuto 6:30 un sorprendente efecto visual que se ha visto en el vídeo de la NASA del lanzamiento que aparece en youtube; la figura que abre esta entrada se ha obtenido a partir de dicho vídeo. Aparecen “microauroras” o “fogonazos” en la parte trasera del transbordador que forman anillos  con puntos luminosos, como ilustra la figura. ¿Qué es lo que produce estas “auroras” alrededor del Endeavour? Trataré de ofrecer una posible respuesta y aprovecharé para hablar un poco de los motores que utilizan los transbordadores espaciales y de sus gases de escape.

Los comentarios en inglés que acompañan el vídeo permiten estimar que el fenómeno ocurre cuando el Endeavour está a 60 km (37 millas) de altitud, a 80 km (50 millas) de la plataforma de lanzamiento y viajando a  5.200 km/h (3.200 millas por hora), muy por encima de la velocidad del sonido a dicha altitud. Por tanto, el fenómeno ocurre cuando el Endeavour se dispone a abandonar la mesosfera superior y pasar a la termosfera inferior, poco antes de llegar a la ionosfera. Me atrevo afirmar que el Endeavour está cruzando la llamada línea de Kárman, abandonando la atmósfera y pasando al espacio exterior. Esto nos da una buena pista para conjeturar una respuesta.

Este fenómeno está producido por los gases de escape de los tres motores principales del transbordador espacial (SSME por sus siglas en inglés, Space Shuttle Main Engines).

Estos motores criogénicos tienen unas toberas no optimizadas para el vacío y el escape sufre una fuerte expansión en las capas más altas de la atmósfera justo antes del apagado de los motores (MECO por las  siglas en inglés de Main Engine Cut-Off).

Los motores SSME del transbordador espacial han sido construidos por Boeing y emplean una mezcla de oxígeno líquido e hidrógeno líquido que proviene del tanque externo del transbordador espacial (el famoso tanque de color anaranjado para ahorrar la pintura requerida para blanquearlo).

Diez segundos después del MECO el tanque externo de combustible se desprende del transbordador y vuelve a entrar en la atmósfera terrestre para estallar justo antes de impactar en el océano Pacífico, lejos de las rutas marítimas conocidas.

En la aparición  de las “auroras” más brillantes que se observan justo antes de la separación del tanque externo también puede influir el encendido de los motores hipergólicos de posición del sistema OMS/RCS (siglas del inglés Orbital Maneuvering System / Reaction Control System).

El transbordador espacial tiene 44 pequeños motores a reacción distribuidos por su superficie que son parte del sistema de maniobra orbital (OMS) y del sistema de control a reacción (RCS) que se usan para inserciones orbitales y modificaciones de la órbita.

Estos motores usan como combustible monometilhidracina (MMH) oxidada con tetróxido de dinitrógeno (N2O4).  Según el perfil de ascenso de la misión, los motores del OMS pueden ser usados para asistir a la aceleración para alcanzar la órbita y pueden ser encendidos justo antes de MECO. No me consta que así fuera en la misión STS-134 del Endevaour, pero es muy posible.

La hidrodinámica de los gases de escape de una tobera como las de los SSME es muy complicada para poder explicarla en detalle aquí y ha sido estudiada gracias a túneles de viento y mediante simulaciones por ordenador. La figura de arriba ilustra resultados de un túnel de viento para una tobera típica de un motor a reacción.

Al nivel del mar los gases de escape están concentrados (sobre-expandidos) formando una estructura casi cilíndrica; la última misión del Endeavour nos brindó una ilustración espectacular en estos vídeos de la NASA obtenidos combinando múltiples cámaras de vídeo independientes. A una altitud intermedia el transbordador supera la barrera del sonido y a velocidad supersónica aparecen unas ondas de choque oblicuas en los gases de escape. La forma de las toberas se diseña para que estas ondas de choque actúen como una lente que enfoca el flujo de los gases de escape y los concentre formando una estela más o menos cilíndrica; de esta forma se logra maximizar el empuje de los motores.

Sin embargo, a gran altitud, tras pasar la línea de Kárman, los gases de escape se encuentran con el vacío. Aunque se han diseñado toberas que cambian de forma en tiempo real para tratar de minimizar los efectos de esta transición, en la mayoría de los casos los gases de escape se abren (sub-expansión) formando una estela tronco-cónica que puede ser pulsante, como se observa en el vídeo que motivó este artículo. Este fenómeno se llama expansión de Prandtl-Meyer. En mi opinión, la aparición de las “auroras” que se observan en el vídeo del despegue del Endeavour son debidas a este efecto.

Observar un fenómeno inesperado es un motivo ideal para profundizar en nuestro conocimiento y para experimentar la sensación que tienen los científicos cuando buscan la explicación de un fenómeno desconocido. Muchos vídeos de youtube muestran fenómenos ópticos, atmosféricos o fluidodinámicos muy curiosos que merece la pena tratar de explicar. Gracias a la internet es posible buscar información técnica y divulgativa que nos ayude en la tarea de emular a los científicos profesionales.

Francis estudió informática, física, se doctoró en matemáticas, investiga en ciencias computacionales, le dió clases a ingenierios industriales y ahora imparte bioinformática a futuros bioquímicos en la Universidad de Málaga. Quiere ser escritor de libros de divulgación científica cuando se jubile. Mientras tanto escribe en su blog para practicar el arte de hacer fácil lo difícil. Aunque no siempre lo logre.



Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 3 octubre, 2011
Categoría(s): ✓ Curiosidades • Física