Satélites Artificiales

SATÉLITES ARTIFICIALES
Agencia Boliviana Espacial
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Instituto de Electrónica Aplicada - UMSA
8 de septiembre de 2014

CRONOGRAMA DEL CURSO
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Fundamentos Satelitales
J. Alexis Andrade-Romero
Fecha: 08/09/2014
Lunes 8 de
Septiembre Introducción
18:30 a 21:30 Fundamentos satelitales
Ambiente Espacial
Tipos de Satélites
Tipos de Órbitas
Mecánica Orbital
Vehículos de lanzamiento
Martes 9 de
Septiembre Subsistemas Satelitales 1
18:30 a 21:30 Sistema
Control de orientación y orbita
Procesamiento de datos a bordo
Telemetría, comando y rastreo
Miercoles 10 de
Septiembre Subsistemas Satelitales 2
18:30 a 21:30 Estructuras
Propulsión
Control !térmico
Energia Eléctrica
Antenas
Jueves 11 de
Septiembre Satélites de comunicaciones
18:30 a 21:30 Características
Carga útil y su administración
Aplicaciones
Telepuerto
Viernes 12 de
Septiembre
Satélites de navegación,
observación y nanosatélties
18:30 a 21:30 Satélites de Observación:
Características
Carga útil y aplicaciones
Satélites de navegación
Nanosatélites

FUNDAMENTOS SATELITALES

DEFINICIÓN
• Un satélite es cualquier cuerpo natural o artificial en movimiento
alrededor de un cuerpo celeste, como los planetas y las estrellas.
• Actualmente, se hace referencia solamente a los satélites artificiales que
orbitan el planeta Tierra. Estos satélites se ponen en la órbita
deseada, los cuales llevan "cargas útiles", dependiendo de la
aplicación para la cual fue proyectada.
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EL INICIO DE LOS SATÉLITES ARTIFICIALES
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• Todo comenzó con un artículo de Arthur C.
Clarke (octubre de 1945) quien propuso la
teoría sobre la viabilidad de establecer un
satélite artificial de comunicaciones en una
órbita denominada geoestacionaria.
• Clarke expone cómo un satélite en esta
órbita sería estático para un observador
en la Tierra, dentro de la cobertura del
satélite, proporcionando así una repetidora
de comunicación sin interrupciones.
• Este evento marcó el comienzo de la era de
los satélites. Los científicos y tecnólogos
comenzaron a considerar seriamente esa
posibilidad y la revolución que
probablemente traería consigo.

LINEA DEL TIEMPO
• 6to siglo AC - Antiguo modelo geocéntrico griego
• Astrónomos griegos creen que la Tierra es el centro del Universo y que todos los cuerpos celestes
orbitan alrededor.
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• 1543 - Modelo heliocéntrico de Copérnico
• Astrónomo polaco Copérnico propone que el Sol está inmóvil en el centro del Universo y la Tierra y
otros planetas giran alrededor de él. La iglesia suprime esta idea controversial.
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• 1609-1610 - Galileo y el heliocentrismo
• Mejoras al telescopio le permiten observar las fases de Venus, los mayores satélites de Júpiter, una
supernova y las manchas solares. Además prueba el sistema heliocéntrico de Copérnico.
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• 1610 - Kepler utiliza el término "satélite"
• El astrónomo alemán utiliza el término "satélite" para describir las lunas que orbitan alrededor de
Júpiter. Desarrolla las tres leyes del movimiento planetario.
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• 1687 - Newton y la gravedad
• Sir Isaac Newton publica el principio en el que señala las tres leyes del movimiento y describe la
gravitación universal. Esto sienta las bases para la comprensión de los cohetes, satélites y órbitas.
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• 1903 - Primera órbita de la Tierra calculada
• El ruso Konstantin Tsiolkovsky propone el uso de cohetes para lanzar naves espaciales. Indica que un
cohete de múltiples etapas alimentada por propulsores se podría utilizar para lograr este objetivo.
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• 1945 - Sistema de comunicaciones por satélite
• Clarke publica un artículo que muestra cómo satélites geoestacionarios podrían ser utilizados para las
comunicaciones.
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• 1957 - Primer lanzamiento de un satélite artificial
• La Unión Soviética lanza el Sputnik, primer satélite artificial en órbita alrededor de la Tierra. Con una
masa de 83,6 kg, en una órbita elíptica entre 939 y 215 km y tarda 96,2 minutos por cada órbita.
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• 1961 - La primera persona a la órbita de la Tierra
• El cosmonauta ruso Yuri Gagarin se convierte en la primera persona en orbitar la Tierra en su nave
espacial Vostok.
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• 1962 - Primer satélite de comunicaciones
• La primera transmisión transatlántica en vivo se transmite utilizando Telstar-1, un satélite de órbita
baja. Más tarde, INTELSAT que gestiona una constelación de satélites de comunicaciones.
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LINEA DEL TIEMPO

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• 1970 - China lanza su primer satélite
• China lanza su primer satélite Dongfanghong 1 en el cohete Larga Marcha, convirtiéndose en la quinta
nación en lograr la capacidad de lanzamiento independiente. Las otras naciones son la Unión
Soviética (1957), los EE.UU. (1958), Francia (1965) y Japón (1970).
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• 1971 - Primera estación espacial lanzada
• La Unión Soviética lanza la primera estación espacial Salyut 1 la cual es monolítica (una sola pieza).
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• 1972 - Inicio del programa Landsat
• Adquiere millones de imágenes que se utilizan para evaluar los cambios naturales y humanos a la Tierra.
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• 1981 - Primer transbordador lanzado
• El primer transbordador espacial Columbia se puso en marcha con dos astronautas. Este es el comienzo
del programa del transbordador espacial estadounidense, que pone a astronautas y satélites en órbita
alrededor de la Tierra.
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• 1990 - Telescopio Espacial Hubble
• El Telescopio Espacial Hubble toma imágenes nítidas que conducen a grandes avances en astrofísica,
como por ejemplo, la determinación de la tasa de expansión del Universo.
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LINEA DEL TIEMPO

• 1994 - Primera constelación GPS
• La primera constelación de satélites de navegación global entra en funcionamiento,
compuesto por 24 satélites geoestacionarios.
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• 1998 - Estación Espacial Internacional es lanzada
• Se lanza el primer componente de la Estación Espacial Internacional modular. Se trata de
una colaboración internacional con participación de Rusia, EE.UU., Unión Europea,
Japón y Canadá. Sirve como un laboratorio de investigación de la microgravedad y
medio ambiente espacial.
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• 2012 - 1.000 satélites orbitan la Tierra
• Más de mil satélites activos orbitan alrededor
de la Tierra.
LINEA DEL TIEMPO

• Las últimas dos décadas se ha visto una revolución silenciosa en los servicios
basados en satélites. Inicialmente las aplicaciones estaban orientadas
exclusivamente a:
• Gobiernos,
• Organismos internacionales,
• Empresas públicas y grandes empresas,
• Hoy en día la mayoría de los usuarios de estos servicios son las personas, que
pueden acceder, directamente, a una amplia gama de servicios de satélite
• Estos sistemas de satélites ahora cumplen una variedad de necesidades
personales, como:
• Telecomunicaciones,
• Servicios de difusión,
• Navegación,
• Servicios de auxilio y seguridad
• Teledetección (de forma indirecta)
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USUARIOS DE LOS SATÉLITES

AMBIENTE ESPACIAL

• El espacio es erróneamente considerado como un gran vacío, que comienza
en los límites exteriores de la atmósfera de la Tierra y se extiende por todo el
universo.
• En realidad, el espacio es dinámico y está lleno de partículas con energía y
radiación, y miles de millones de objetos a la vez muy grandes y muy
pequeños.
• En comparación con la Tierra, es un lugar de extremos.
• Las distancias son enormes,
• Las velocidades pueden variar desde cero a la velocidad de la luz.
• Las temperaturas en el lado soleado de un objeto pueden ser muy altas, y
muy bajas en el lado de la sombra.
• Las partículas cargadas bombardean continuamente las superficies
expuestas.
• Los campos magnéticos pueden ser intensos.
• Todos estos factores influyen en el diseño y operación de los sistemas
espaciales.
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Ambiente Espacial
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INTRODUCCIÓN

(Atmospheric drag)
• Los satélites deben ser colocados en órbita por encima de la atmósfera de la Tierra para que la
fricción de los gases atmosféricos no disminuyan la velocidad del satélite.
• Una altura mínima para un satélite se considera desde los 100 km sobre la superficie de la
Tierra, donde se garantice la menor cantidad de partículas de gas por encima de esta altitud.
• La atmósfera absorbe, difunde, desvía y retrasa, particularmente en ciertas frecuencias, las
señales enviadas hacia y desde un satélite.
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Ambiente Espacial
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RESISTENCIA ATMOSFÉRICA

• El sol emite constantemente partículas, radiación corpuscular, y radiación electromagnética
en forma de luz y ruido de radio frecuencia. El flujo constante de estas formas de
radiación se llama viento solar.
• En intervalos irregulares también existen erupciones solares, expulsión explosiva de
partículas (en su mayoría protones y electrones) acompañados por emisiones
esporádicas de radiación electromagnética.
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Ambiente Espacial
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EL SOL

• La presión de la radiación solar es una fuente significativa de perturbaciones,
sobre todo para los satélites con una alta relación de área/masa. Una
relación alta, como de los paneles solares, provoca que la presión de
radiación solar resulte en un arrastre por fricción.
• Ésta perturbación esta presente sólo cuando el satélite se encuentra
iluminado por la luz del día, lo que sucede particularmente en órbitas LEO.
• Este efecto provoca perturbaciones irregulares en los elementos orbitales del
satélite, particularmente en la inclinación, ademas de una fuerza torque.
• La presión solar depende de las propiedades de reflexión de las superficies
del satélite y del flujo de radiación.
• La fuerza que ejerce esta presión en un satélite (sin considerar la distancia al
Sol) es directamente proporcional al área e inversamente proporcional a la
masa.
• EL efecto de la radiación solar a menores alturas decrece, contrariamente a lo
que sucede con la resistencia atmosférica, y afecta a satélites con panales
solares de gran área como los satélites de comunicaciones y GPS.
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Ambiente Espacial
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RADIACIÓN SOLAR

PRESIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
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CAMPO GRAVITACIONAL DE LA TIERRA
• Debido a que la forma de la Tierra no es una esfera exacta, el campo de gravedad de la
Tierra no es uniforme. El aplanamiento de la Tierra conduce a la aparición de una fuerza
de gravedad (no ubicada en el centro) que influye en el movimiento de los satélites.
Además, la forma de la Tierra tiene algunas otras irregularidades menores también
influyen en el movimiento orbital.
• El achatamiento de la tierra puede ser considerado como la presencia de una
"protuberancia" ecuatorial. Este abultamiento ejerce una fuerza que atrae al satélite
hacia el ecuador. por tanto, la mayor perturbación se refleja en la altura del satélite
sobre la tierra.
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• La presencia de la luna y el sol hace que el problema del movimiento de un
satélite deje de ser un modelo de dos cuerpos. Este problema no se puede
solucionar analíticamente.
• Dado que la gravedad de la Tierra influye preponderantemente en el
movimiento de los satélites, a diferencia de la Luna y el Sol, el problema es
resuelto a través de una teoría de perturbaciones.
• El papel de esta perturbación depende de la altitud de la órbita. Por debajo de
los 20 000 km estas perturbaciones son menores que los efectos de las
anomalías gravitatorias de la Tierra, pero a la altura de 50 000 kilometros se
vuelven más altos.
• Para la mayoría de las órbitas, las perturbaciones lunares son 2-3 veces más
alta que las perturbaciones solares.
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EFECTO DE LA LUNA Y EL SOL

FUERZAS ACTUANDO EN EL SATÉLITE
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• Presión
• Cuando el satélite y su recipiente sellado entran en una atmósfera poco
frecuente, donde la diferencia de presión entre el interior y el exterior
aumenta a aproximadamente 0,1 M Pa.
• Descarga de vacío
• A menudo sucede dentro de un rango bajo de vacío de 10-3 a 10-1 Pa.
• Se puede generar un estado constante de descarga sobre las
superficies de metal. Este fenómeno se denomina micro-descarga.
• La temperatura del metal se eleva a causa de este efecto.
• Esto puede provocar una degradación en las propiedades de la radio
frecuencia, guías de onda, pudiendo causar una falla permanente.
• Radiación de calor
• Los satélites intercambian calor con el entorno por la radiación en el
espacio.
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Ambiente Espacial
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OTROS EFECTOS

• Desgasificación en el vacío
• El gas en el material se libera de la superficie en la condición de 10-2 Pa, los
recursos del gas son:
• El gas unido a la superficie del material se libera en el estado de vacío;
• El gas disuelto en el material se difunde desde el interior al vacío.
• El efecto de los materiales de desgasificación al vacío puede hacer que el gas
unido al material se transfiera de la parte de altas temperaturas a la parte de
bajas temperaturas.
• Esto contamina las piezas con baja temperatura y cambia el rendimiento de la
superficie.
• Evaporación de materiales
• La evaporación del material en el vacío puede tener lugar, esto provocará:
• El cambio de la composición de material;
• La pérdida de masa;
• La dilatación de la materia orgánica;
• El cambio del comportamiento original de material (comportamiento de calor,
conductividad); etc.
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OTROS EFECTOS

• Fricción seca y efecto de la soldadura en frío
• En tierra, la superficie de un sólido está siempre cubierto de películas de O2 y H2O, además de otro
tipo de películas. Juegan un papel de lubricante y reducen el coeficiente de fricción.
• En el vacío (10-7 Pa) no existe tal película, por lo que la fricción seca y los efectos de soldadura en
frío tienen lugar.
• La fricción seca y soldadura en frío pueden:
• Acelerar la abrasión de los cojinetes;
• Hacer que todos los cojinetes, engranajes e interruptores se descompongan;
• Reducir la duración de la vida útil de los rodamientos, engranajes.
• Micro-meteoritos
• Son masas sólidas con menos de 1 mm de diámetro y menos de 1 mg de masa.
• Se mueven bajo el efecto de la gravedad del sol con una velocidad equivalente a la velocidad
media de la tierra, alrededor de 10 a 30 km/s y una velocidad máxima de hasta 72 km/s.
• Los daños que pueden provocar refieren a:
• Erosionar la superficie del satélite;
• Hacer que la superficie sea rugosa;
• Destruir la capa de control térmico del satélite;
• Afectar la superficie óptica; y
• Hacer la que los materiales de la superficie se fundan y vaporicen.
• Medidas prácticas muestran que el principal peligro proviene de las micro-meteoritos con menos
de 7-10 g de masa y menos de 100 μm de diámetro debido a la alta probabilidad de choque.
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OTROS EFECTOS

• Descargas en el satélite
• Los satélites más vulnerables a la carga / descarga son los ubicados en la altitud geoestacionaria.
• Descargas de hasta 20.000 voltios (V) se han experimentado. Los satélites en esta órbita
normalmente se mueven dentro y fuera de las regiones superiores de los cinturones de Van
Allen de radiación y la cola magnética de la Tierra, esto se traduce en una baja densidad de
plasma alrededor del satélite que no permite neutralizar antes de que ocurra una descarga.
• Daños de Hardware por descarga electrostática (alta corriente) pueden causar los siguientes
tipos de daños:
• Los fusibles fundidos o transistores explosionadas, condensadores y otros componentes
electrónicos.
• Piezas de metal vaporizado.
• Daños estructurales
• Daño de los revestimientos térmicos
• Problemas eléctricos, estas descargas pueden dar lugar a problemas eléctricos o electrónicos,
tales como:
• Órdenes falsas
• Conmutación de circuitos: On / Off
• Cambios en la memoria
• Degradación de la célula solar
• Degradación de los sensores ópticos
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OTROS EFECTOS

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Ambiente Espacial
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PRUEBAS DE VACÍO TÉRMICO

• La siguiente gráfica muestra una simulación de escombros de satélites siendo
rastreados en la órbita baja de la Tierra, es decir por debajo de una altura de 2.000
kilometros sobre la superficie de la Tierra.
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BASURA ESPACIAL

• Se estima que hay más de 100 millones de partículas de basura espacial y los
seres humanos son responsables de todo!
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Ambiente Espacial
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BASURA ESPACIAL

• La basura espacial - o desechos orbitales - es un término que se utiliza para todos los
objetos artificiales sin utilidad que orbitan alrededor de la Tierra.
• Estos objetos varían en tamaño desde muy grandes, vehículos de lanzamiento y
satélites obsoletos, a pequeñas motas de pintura. La Red de Vigilancia Espacial de
Estados Unidos rastrea habitualmente alrededor de 21 000 objetos de más de 10
cm a través de radares terrestres, utilizando telescopios ópticos y espaciales, como
el Hubble.
• Gran parte de la basura espacial viene de:
• Explosiones de los motores de cohetes que quedan en órbita
• Ensayos de armas anti-satélites (1960 y 70).
• En 2007, China utilizó un misil para destruir intencionalmente su propia satélite
meteorológico de órbita polar, lo cual creó más de 37 000 piezas de escombros
de 1 cm o más grande.
• Otra fuente importante de chatarra espacial proviene de la colisión, en 2009, del
Iridium 33 ( satélite de comunicaciones) y el satélite militar Kosmos 2251 (no-operativo).
• Los últimos dos incidentes representan alrededor de un tercio de todos los objetos
catalogados.
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Ambiente Espacial
Fecha: 08/09/2014
BASURA ESPACIAL

• Colisión, en 2009, del Iridium 33 ( satélite de comunicaciones) y el satélite
militar Kosmos 2251 (no-operativo).
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Ambiente Espacial
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BASURA ESPACIAL

• La basura espacial se ha convertido en una preocupación cada vez mayor, puesto que
las colisiones con estos pueden ser altamente perjudiciales además de producir aún
más basura espacial (Síndrome de Kessler).
• La basura espacial se concentra más en órbita baja de la tierra, aunque algo se
extiende hacia la órbita geoestacionaria.
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BASURA ESPACIAL

TIPOS DE SATÉLITES

• Satélites de Astronomía (Telescopio Espacial Hubble)
!
• Satélites de comunicaciones (Tupac Katari-I)
!
• Satélites de navegación (GPS, GLONASS, BAIDU)
!
• Satélites de percepción remota u observación de la tierra
(Bartolina Sisa-I)
!
• Satélites meteorológicos
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Tipos de satélites
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TIPOS DE SATÉLITES

SATÉLITES DE ASTRONOMÍA (TELESCOPIO
• Un satélite astronómico es, básicamente, un telescopio muy grande
flotando en el espacio.
• Debido a que está en órbita sobre la Tierra, la visión que el satélite ofrece
no cuenta es perturbada por los gases que componen la atmósfera de la
Tierra, y su equipo de imagen de infrarrojos no se confunde por el calor
de la Tierra.
• Por lo tanto, pueden "ver" al espacio hasta diez veces mejor que un
telescopio de fuerza similar en la Tierra.
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• ¿Saben qué tipo de cosas que un satélite astronómico estaría mirando?
• http://hubblesite.org/
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Tipos de satélites
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ESPACIAL HUBBLE)

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Tipos de satélites
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Tipos de satélites
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Tipos de satélites
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SATÉLITES DE ASTRONOMÍA (TELESCOPIO
• Mediante el análisis del espectro electromagnético, las diferentes longitudes de
onda de la luz (por ejemplo, ultravioleta, rayos X, espectro visible, las
microondas y los rayos gamma) hacen una imagen de algo muy lejano en el
espacio. Así, las imágenes que provienen de Hubble y otros satélites
astronomía no son fotografías de una cámara normal, sino imágenes creadas a
partir del análisis de las ondas electromagnéticas - las ondas que componen el
espectro de la luz.
!
• Aplicaciones:
• Pueden ser utilizados para hacer mapas de estrellas
• Pueden ser utilizados para estudiar los fenómenos misteriosos como los
agujeros negros.
• Pueden ser utilizados para tomar imágenes de los planetas en el sistema solar
• Pueden ser utilizados para hacer mapas de diferentes superficies planetarias
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Tipos de satélites
Fecha: 08/09/2014
ESPACIAL HUBBLE)

SATÉLITES DE COMUNICACIONES
!
• Los satélites de comunicaciones permiten retransmitir señales de
telecomunicaciones como: radio, televisión, telefonía, datos, internet. Básicamente
es una repetidora ubicada en el espacio con grandes regiones de cobertura.
!
• La carga útil del satélite lleva antenas y dispositivos electrónicos llamados
transpondedores para: recibir, amplificar y retransmitir las señales.
!
• Por lo general se encuentran en la órbita geoestacionaria, a 35.800 km sobre la
tierra, por lo que orbita la Tierra en el mismo tiempo que tarda la Tierra en girar en
su mismo eje. Por lo tanto, el satélite parece ser estacionario, siempre por encima
de la misma zona de la Tierra. El área a la que puede transmitir se llama la huella
de un satélite.
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• Los Satélites comunicaciones también pueden estar en órbitas muy elípticas,
básicamente para cubrir áreas cercanas a los polos (mayormente usado en
Rusia).
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Tipos de satélites
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Tipos de satélites
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Tipos de satélites
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Tipos de satélites
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SATÉLITES DE NAVEGACIÓN
• Un Sistema de Navegación por Satélite permite determinar a través de
cálculos de distancias la posición específica de una unidad receptora en
términos de ubicación geográfica (latitud, longitud y altitud).
• Este sistema utiliza una constelación de satélites, usualmente
administrados por una compañía o un estado, ubicados en órbitas
específicas alrededor de la tierra.
• Los Sistemas de Navegación por Satélite comerciales, es decir abiertos al
público, suelen tener una exactitud de unos pocos metros, sin embargo
existen sistemas que tienen exactitudes dentro del rango de los
centímetros de error.
• Algunos ejemplos de estas constelaciones son:
• GPS - Estados Unidos - 38 satélites
• GLONASS - Rusia - 27 satélites
• BEIDOU (COMPASS) - China - 36 satélites
• GALILEO - Europa - 30 satélites

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Tipos de satélites
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SATÉLITES DE PERCEPCIÓN REMOTA
• La percepción remota es la observación y medición de nuestro entorno
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Tipos de satélites
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desde la distancia.
• Así, los satélites de percepción remota suelen orbitar en el espacio para
monitorear los recursos importantes para los seres humanos. Por
ejemplo, pueden realizar un seguimiento de la migración animal,
localizar depósitos minerales, ver los cultivos agrícolas, ver las
inclemencias del tiempo, o ver qué tan rápido se consumen los
bosques.
• Éste análisis se puede realizar mejor desde el espacio debido a que un
satélite en órbita normalmente puede tomar fotografías de grandes
extensiones de tierra en todo el mundo. Dado que estos satélites son
capaces de tomar fotografías y observar áreas en todo el mundo, el
satélite es capaz de controlar las zonas en las que el clima es muy duro,
o que son casi imposible de alcanzar por tierra.

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Tipos de satélites
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Tipos de satélites
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• ¿Cuál es la imagen perfecta?
• Más clara – Resolución espacial
• Más exacta – Resolución espectral, la cual permite distinguir longitudes de onda (wavelength)
distintas.
• Más precisa – Resolución radiométrica, Número de valores digitales ("niveles de gris") que un
sensor puede utilizar para expresar la variabilidad de la señal ("brillo")Más rápida –
Resolución temporal
• Más rápida – Resolución temporal

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Tipos de satélites
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SATÉLITES METEREOLÓGICOS
• Un satélite meteorológico es utilizado principalmente para supervisar el
tiempo atmosférico y el clima de la Tierra.
• Sin embargo, pueden monitorear además: incendios, contaminación,
tormentas de arena y polvo, corrientes del océano, etc. Los satélites
meteorológicos han ayudado a observar nubes de cenizas, la actividad
de volcanes, el humo de incendios, etc.
• El fenómeno de El Niño y sus efectos también son registrados
diariamente, el agujero de ozono de la Antártida es dibujado a partir de
los datos obtenidos por los satélites meteorológicos.
• De forma conjunta, los satélites meteorológicos de: China, Estados
Unidos, Europa, India, Japón y Rusia proporcionan una observación
casi continua del estado global de la atmósfera.

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Tipos de satélites
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SATÉLITES METEREOLÓGICOS

TIPOS DE ÓRBITAS

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Tipos de órbitas
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ÓRBITA GEOESTACIONARIA
• Satélites Geoestacionarios
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• Localizados en una orbita circular a 36 000 Kmts, sobre la línea del ecuador.
• Tienen una inclinación respecto al plano ecuatorial igual a 0 grados y una excentricidad igual a 0
(describe un circulo).
• Debido a la distancia respecto a la tierra gira alrededor en un periodo de casi 24 horas, lo que
permite que éste se vea, desde la tierra, inmóvil.
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• Satélites no Geoestacionarios
• Órbitas de Media Altura (MEO). Periodo de 6 hrs
• Tienen una altura de 9000 a 14500 Km.
• Se necesitan 10 a 15 Satélites para cubrir toda la tierra.
• Órbitas de Baja Altura (LEO). Periodo de 1.5 hrs a 2 hrs
• Tienen una altura de 200 a 1450 Km.
• Se necesitan 40 Satélites para cubrir toda la tierra.
• Órbitas helípticas (HEO) Periodo de 8 a 24 hrs
• Tiene una altura en el perigeo igual a 1 000 km y en el apogeo de 70 000 km.
• Con una red de 3 satélites, para volver a pasar sobre la misma huella terrestre, se
asegura la cobertura de comunicaciones.

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Tipos de órbitas
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TIPO DE ÓRBITAS

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Tipos de órbitas
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Tipos de órbitas
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ÓRBITA GEOESTACIONARIA Y
GEOSINCRONA

MECÁNICA ORBITAL

• Newton desarrolló la Ley de la Gravitación Universal a partir de las
Leyes de Kepler.
• A partir de la Ley de la Gravitación se derivan las ecuaciones del
movimiento orbital, donde se demuestran las Leyes de Kepler.
• Existen dos maneras distintas de abordar los problemas de mecánica
orbital:
• Problema directo:
• Dada una fuerza se calcula el movimiento
• Leyes de Newton: Describe la fuerza y velocidad necesarias para
que un cuerpo orbite alrededor del otro.
• Problema inverso:
• Dado el movimiento se calcula la fuerza que lo produce.
• Leyes cinemáticas de Kepler: Describen la geometría y trayectoria
de un cuerpo alrededor de otro.
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Mecánica Orbital
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INTRODUCCIÓN

• El astrónomo alemán Johannes Kepler (1571−1630) determinó tres leyes
que describen el movimiento de los planetas.
• La siguiente figura resume las tres leyes de Kepler:
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Mecánica Orbital
Fecha: 08/09/2014
LEYES DE KEPLER
1. Los planetas tienen movimientos elípticos alrededor del Sol, con éste en uno de sus
focos.
2. Los planetas, en su recorrido por la elipse, barren áreas iguales en el mismo tiempo.
3. El cuadrado de los periodos de los planetas es proporcional al cubo de la distancia
media al sol.
P2 = 4π 2M3
μ

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Mecánica Orbital
Fecha: 08/09/2014
LEYES DE NEWTON
Las leyes que propuso Isacc Newton (1642-1727) son las siguientes:
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1. El principio de inercia, todo cuerpo continúa su estado de reposo o movimiento
uniforme en línea recta, a menos que se aplique una fuerza que lo perturbe.
2. La ley del movimiento, según el cual la variación del impulso mv es producida
por la aplicación de una fuerza F = m a.
3. El principio de acción y reacción, de acuerdo al cual a toda fuerza le
corresponde una fuerza igual y contraria.

• Newton dedujo que, si una bala de cañón fuera disparada con la velocidad
adecuada, la bala viajaría alrededor de la Tierra, siempre dentro del campo
gravitatorio pero sin tocar la Tierra. Así la bala sería colocada en órbita
alrededor de la Tierra.
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Mecánica Orbital
Fecha: 08/09/2014
CAÑON ORBITAL DE NEWTON

FUERZAS SOBRE UN SATÉLITE GEO
• Despreciando las perturbaciones, sobre un satélite actúan principalmente
dos fuerzas que hacen que el mismo orbite al rededor de una masa
mayor. Las fuerzas son:
• Fuerza centrípeta (Fuerza de gravitación universal)
!
= mμ
!
r2 r2
• Fuerza centrífuga
!
!
• Para que la órbita sea estable éstas dos fuerzas deben estar equilibradas:
!
!
• De la anterior relación se obtiene la velocidad del satélite v y su periodo T:
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Mecánica Orbital
Fecha: 08/09/2014
FIN = mGME
FOUT = mV2
r
= ma
FIN = FOUT ⇒ m
μ
r2 = m
v2
r
v = μ
r
; T = 2π r
v
= 2π r3
μ

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Mecánica Orbital
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VELOCIDADES EN ORBITA
• La velocidad de un satélite en una órbita elíptica, es descrita a
continuación:
!
!
• Donde
v = 2μ
r
− μ
a

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Mecánica Orbital
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ELEMENTOS ORBITALES
• Los elementos orbitales de un cuerpo celeste son un conjunto de seis
características que permiten definir su órbita de forma totalmente
unívoca. Las cuales son:
• Longitud del nodo ascendente (Ω)
• Inclinación de la órbita (i)
• Argumento del perihelio (ω).
Define la orientación de la
elipse en el plano orbital.
• Semieje mayor de la órbita (a)
• Excentricidad de la órbita (e)
• Anomalía verdadera (v)

ORBITA PROGRESIVA Y REGRESIVA
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Mecánica Orbital
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MANIOBRAS DE POSICIONAMIENTO
• En las siguientes figuras se muestra la estrategia de posicionamiento
para un satélite de comunicaciones que tendrá como destino a la
órbita geoestacionaria.
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Mecánica Orbital
Fecha: 08/09/2014

• Modificación de la inclinación.
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Mecánica Orbital
Fecha: 08/09/2014

• Modificación de la inclinación.
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Órbita
Altura de
Apogeo (km)
Altura de
Perigeo (km)
Inclinación
(grados)
Inicial 42000 200 24.8
1 42000 4636 13.8
2 42000 13324 6.1
3 42000 23527 2.3
4 42000 35786 0.0
5 35786 35786 0.0

VEHÍCULOS DE LANZAMIENTO

• El cohete es el vehículo para lanzar satélites artificiales. En
lugar de alejarse de la Tierra con velocidad máxima (que
disminuye gradualmente por la gravedad y la atmósfera),
regula su velocidad incrementándola a medida que se aleja
de la Tierra.
• El cohete puede impulsarse en el vacío ya que lleva consigo el
oxígeno necesario para realizar la combustión.
• En el vacío nada se opone al escape de gases.
• En cuanto que en la atmósfera la expulsión de gases es
frenada ni bien salen del cohete (debe alcanzarse una
velocidad aproximada de 7.9 km/h).
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Vehículo de lanzamiento
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INTRODUCCIÓN

!
• Conservación del momento: m1v1 = m2v2
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CONSERVACIÓN DEL MOMENTO
Momento en !=0:
Momento en !=Δ!:
Relación velocidades:
Por conservación:
De donde:
Integrando:

VEHÍCULO LANZADOR MULTIETAPA
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• La primera etapa es muy pesada y aparatosa, se realiza un gran
esfuerzo para elevar verticalmente al cohete en contra de la
gravedad y capas muy densas de la atmósfera, a velocidades
bajas.
• La segunda etapa empieza cuando el cohete tiene una velocidad
de 2 a 3 km/s, igual que la velocidad de expulsión de gas; así se
aumenta la aceleración y se deja la posición vertical inclinándose
y siendo menos afectado por la gravedad en altas capas de la
atmósfera de baja densidad donde es menos frenado.
• La tercera etapa es más pequeña que las anteriores y se inicia
cuando la trayectoria (inclinada) del cohete es paralela a la
superficie de la Tierra dando el último empuje para que el cohete
alcance velocidad cósmica.
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• Entonces debe buscarse un compromiso entre:
!
• La necesidad de cruzar la atmósfera lo más rápido posible,
siendo la manera más corta el levantamiento vertical.
• La necesidad de dejar lo antes posible la orientación vertical
que es la dirección de la atracción gravitacional de la
Tierra.
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• La carcasa del motor de titanio del cohete Delta II. Esta pieza de 70 kg
de basura espacial aterrizó en Arabia Saudita en 2001.
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DESECHOS DEL COHETE

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SATÉLITE “TÚPAC KATARI"

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GRACIAS!!

• J. Alexis Andrade Romero
• Ingeniero Segmento Terrestre
• Agencia Boliviana Espacial
• alexis.andrade@abe.bo
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