El transbordador sovietico Burán

Dos momentos del lanzamiento del sistema Burán-Energía el 15 de noviembre de 1988 desde su plataforma en el Cosmódromo de Baikonur (RSS de Kazajistán).
El stack del STS (el nombre técnico del shuttle y su sistema de lanzamiento) consta de dos aceleradores de combustible sólido (SR, acoplados a un tanque de combustible que suministra oxígeno e hidrógeno líquidos a los tres motores de la lanzadera (SSME). Así pues, la lanzadera (?orbitador? en la terminología de la NASA) se lanza a sí misma con el apoyo de dos cohetes auxiliares.

El Burán, en su lugar, era una carga pasiva de un lanzador independiente, el cohete Energía, el más potente y avanzado diseñado por la URSS. A diferencia del shuttle, los motores principales (cuatro en vez de tres) estaban situados en la etapa central (Bloque Ts) del Energía, el cual además contaba con cuatro aceleradores laterales (Bloque A) de combustible líquido.

Aunque este potente cohete fue diseñado con vistas a transportar el Burán al espacio, podía utilizar su inmensa capacidad de cualquier otro modo: 100 toneladas a la órbita baja, 20 a la geoestacionaria, 32 a una órbita translunar o 28 para misiones a Marte o Venus. Además, el Energía fue concebido como una familia de lanzadores con un número variable de impulsores auxiliares. Voló dos veces en una configuración de cuatro aceleradores (la primera, para lanzar la fallida maqueta de estación láser de combate Polyus, y la segunda con el propio Burán), pero también se creó la versión Energía-M con sólo dos aceleradores para poner hasta 29 toneladas en órbita baja. Se estudió la opción de crear un ?monstruo? de ocho aceleradores denominado Vulkan capaz de lanzar más de 170 toneladas a LEO ?como comparación, el famoso Saturno V empleado en el programa Apolo tenía una capacidad de 118 toneladas a una órbita similar. Los ingenieros jugaron incluso con la idea de crear un Energía con alas derivadas de la tecnología del Burán totalmente reutilizable, llamado Uragán.

El fracaso del shuttle supone el fin de su sistema de lanzamiento. Si se hubiera decidido que el Burán era excesivamente caro, inseguro o ambas cosas, su lanzador independiente podría haber seguido usándose para poner en órbita segmentos de estaciones espaciales, para un programa lunar o incluso en misiones tripuladas a asteroides cercanos. Nada de esto es posible hoy con los lanzadores americanos en uso: el futuro Falcon Heavy de SpaceX tendrá una capacidad de 53 toneladas, la mitad que el Energía soviético de los años 80.

Lamentablemente, Energia también cayó víctima del contexto económico de principios de los noventa en Rusia: simplemente, no existían cargas lo suficientemente pesadas para un lanzador así. Consideraciones políticas también conspiraron para acabar con el lanzador más potente y prometedor de todos los tiempos: con factorías en Ucrania, la agencia espacial rusa Roskosmos tenía un incentivo especial (?patriótico?, diríamos) en buscar soluciones 100% rusas para sus necesidades futuras. Así, el gobierno ruso decidió en 1995 comenzar el desarrollo de una nueva familia de lanzadores, Angará, que 18 años más tarde no ha volado ni una sola vez. El primer vuelo de la versión más ligera, con capacidad para 2 toneladas en LEO, no tendrá lugar hasta 2013 como pronto; la versión más capaz, Angará A7, podría poner en órbita baja tan sólo 40 toneladas y ni siquiera recibe financiación.

Puestos de mando y consola central de la cubierta superior del Burán (izquierda) y la lanzadera soviética con el cohete Energía en la rampa de lanzamiento de Baikonur (derecha).

El shuttle disponía de los motores criogénicos más avanzados que existen ?aunque no los más potentes. Utilizaba una mezcla de combustible y comburente completamente limpia: hidrógeno y oxígeno líquidos, que sólo dejan vapor de agua como residuo de combustión. A cambio, entregan un impulso específico de 453 segundos en vacío. Son, además, los únicos motores criogénicos reutilizables que se hayan diseñado nunca, aunque su reutilización requiere un exhaustivo desmontaje, revisión, reacondicionamiento y montaje posterior. Se estima que cada motor tiene un coste inicial de 40 millones de dólares, a lo que habría que sumar sus costes de mantenimiento postmisión, sin duda comparables. Pese a que el diseño del escudo térmico suele citarse como la principal complejidad en el desarrollo del shuttle, en realidad fueron los SSME el principal quebradero de cabeza para los ingenieros y de hecho provocaron el retraso de la fecha original del lanzamiento en más de cuatro años.

Los SRB (impulsores auxiliares), sin embargo, parten del principio más primitivo posible al ser cohetes de combustible sólido, análogos en su funcionamiento a los fuegos artificiales típicos en las fiestas; sólo que, salvo en la misión STS-51-L ?la última del Challenger? sin explosión final. Tener un principio tan básico no les permitía ser baratos (más de 23 millones de dólares por unidad, sin tener en cuenta los costes de reutilización); sin embargo, nunca hasta la inauguración de las lanzaderas espaciales se había utilizado un impulsor de combustible sólido en vuelos tripulados. ¿El motivo? Un cohete así no puede apagarse más que cuando se agota su combustible; naturalmente, tampoco puede regularse su potencia más que por un pedestre y caro procedimiento ?estático?: esculpiendo la sección de la mezcla propulsora interior (compuesta por perclorato amónico como oxidante y aluminio en polvo como combustible, entre otros).

Esta extraña mezcla de propulsión tenía dos consecuencias críticas para la lanzadera:

Al no poder detener los impulsores auxiliares, existen fases del perfil de misión que son no recuperables. Dicho de otro modo: un problema suficientemente serio durante el lanzamiento lleva a la destrucción completa de la lanzadera y la pérdida de su tripulación de forma inevitable. Conscientes del peligro, los ingenieros incluyeron en las primeras versiones cohetes de combustible sólido que podían separar el orbitador del conjunto en caso de emergencia. También se estudió una cápsula separable para la tripulación, pero finalmente estas opciones se descartaron por ser demasiado costosas. Todo ello no fue más que un arrebato de arrogancia hasta 1986; desde entonces, el fallo de una simple junta de uno de los SRBs del Challenger hizo que las cosas se empezaran a ver de otro modo.
La mezcla de oxidante y combustible de los SSMEs es, químicamente hablando, la más eficaz de las posibles. Desgraciadamente el uso de hidrógeno líquido requiere trabajar a temperaturas muy bajas (?252.8 ºC). La vibración del lanzamiento provocaría que el hielo de condensación formado en la superficie del tanque principal se desprendiera y dañara el orbitador; por este motivo se utilizba una espuma aislante especial ?que también puede desprenderse. No es que el Columbia, en su última y fatídica misión (la STS-107 de 2003), fuera la primera en perder parte de su escudo térmico por este motivo, pero sí fue la primera que perdió una sección crítica ?en el borde de ataque del ala izquierda. En la misión inaugural, STS-1, el Columbia requirió el reemplazo de 300 losetas; tras la STS-4, hubo que reponer 40. En 1988, el Atlantis (misión STS-27) estuvo a punto de ser el primer transbordador en desintegrarse durante la reentrada por culpa de los daños sufridos por el desprendimiento de material de uno de los cohetes de combustible sólido. El Columbia de nuevo, ya en 1992 (misión STS-52) sufrió 290 impactos en el escudo térmico, siendo 16 de ellos mayores de una pulgada. En realidad, el escudo térmico del transbordador nunca fue diseñado para soportar el impacto de objetos durante el lanzamiento.

Es fácil ver que los dos accidentes acaecidos durante estos 30 años de programa STS de la NASA han sido achacables, de forma bastante directa, a la elección en la fase de diseño de los medios de propulsión de la lanzadera.

¿Y el Burán? El lanzador Energía empleaba combustible líquido en todas sus etapas. Al igual que el shuttle, usaba hidrógeno y oxígeno líquido en los motores principales, mientras que los aceleradores quemaban queroseno y oxígeno líquido. Los cuatro motores principales RD-0120 (11D122) de la etapa central eran muy similares a los SSME en cuanto a prestaciones, aunque con una diferencia fundamental: no eran reutilizables, lo que paradójicamente simplificaba y abarataba radicalmente los costes de operación del sistema. Por otro lado, los RD-0120 podían variar su empuje entre el 45% y el 100% de la potencia nominal, una flexibilidad mayor que el rango de 67-104% que encontramos en los SSME. De hecho, la NASA estudió a finales de los 90 la posibilidad de mejorar los SSME usando el diseño de las toberas de los RD-0120. Además, las temperaturas de los combustibles criogénicos en el interior del Energía eran ligeramente inferiores a las del tanque externo (ET) del shuttle, permitiendo aumentar la densidad de los mismos y reducir así el tamaño y peso de la etapa central. Conviene señalar que durante mucho tiempo los analistas occidentales pensaron que la URSS era incapaz de desarrollar cohetes con propulsión criogénica, de ahí que el Energía constituyese toda una sensación cuando su diseño fue revelado a mediados de los años 80.

Por su parte, los cuatro aceleradores estaban dotados de un motor RD-170 cada uno. Con más de 740 toneladas de empuje, el RD-170 es el motor cohete de combustible líquido más potente jamás creado. Estos aceleradores estaban fabricados en Ucrania por la oficina de diseño KB Yuzhnoe y sirvieron como base para el cohete Zenit (11K77), un lanzador que todavía hoy está en servicio.

En la imagen superior izquierda, integración de un módulo tipo Kvant (Mir) en el amplio compartimento de carga del Burán (18,55 x 4,65 metros) e integración horizontal del Burán con el cohete Energía (abajo a la izquierda y a la derecha).

El principio básico de la protección térmica en ambos vehículos era el mismo: una cubierta de losetas protectoras, fabricadas con materiales de especificaciones térmicas muy similares. Pues, al fin y al cabo, Burán era una copia aerodinámica de los shuttle americanos, por lo que su perfil de calentamiento en la reentrada debía ser prácticamente idéntico.

Sin embargo, las losetas del orbitador soviético eran más pequeñas. El shuttle americano montaba inicialmente alrededor de 31000 losetas, lo que le ganó el sobrenombre de ?la fábrica de ladrillos voladora?. Estas losetas tenían todo tipo de formas, aunque las más sencillas eran cuadradas con lados de 15 a 20 centímetros; con los años, el número de losetas ha ido disminuyendo hasta las 24300, sustituyéndose por cubiertas térmicas en las zonas menos expuestas. Frente a esta configuración, el Burán cubría su fuselaje con un total de 38800 losetas (un 59% más, para superficies cubiertas muy similares). La reducción del tamaño de las losetas habría resultado en un problema y una ventaja simultáneos respecto de la configuración del shuttle:

Por un lado, la unión de las losetas con el fuselaje constituyó un problema en ambos proyectos, con lo que el aumento del número de uniones en el Burán podría haber dado como resultado más fallos por desprendimiento debido a las vibraciones del lanzamiento y a la fricción de la reentrada. Sin embargo, en su primera y única misión el Burán sólo perdió 7 losetas, sin consecuencias térmicas graves.
Por otra parte, la reducción del tamaño de las losetas permitió a los ingenieros soviéticos dotarlas de formas más sencillas para cubrir superficies con curvas idénticas. Las losetas del Burán no tenían formas triangulares ni ángulos agudos, estaban situadas siempre de forma que sus lados más largos fueran perpendiculares al flujo de plasma de la reentrada ?minimizando así los riesgos de filtraciones térmicas al interior del fuselaje? y tan sólo un 15% tenían formas irregulares, facilitando así los procesos de fabricación.

Las losetas del Burán resultaron ser más resistentes a la lluvia y al granizo que sus homólogas norteamericanas, pero seguían siendo muy delicadas. Por su parte, los paneles de carbono del morro y los bordes de ataque de las alas estaban fabricados en un material compuesto denominado GRAVIMOL y eran ligeramente más resistentes que los RCC del shuttle, aunque es difícil saber si hubiesen aguantado un impacto similar al que causó la pérdida del Columbia.

De haber llegado a ser operativo el sistema Burán muy probablemente se habría reducido el número de losetas al sustituirlas por materiales aislantes alternativos, al igual que se hizo con el shuttle. La cuestión de si el escudo térmico del Burán era menos sensible a los impactos de hielo y espuma que el transbordador norteamericano quedará pendiente: la etapa central del Energía estaba recubierta de una espuma aislante no muy diferente de la empleada en el tanque principal de shuttle, pero las vibraciones y la aceleración durante el despegue eran más suaves en el Energía, así que el riesgo de desprendimientos también hubiera sido inferior.

A pesar de su aspecto general aparentemente similar, si observamos su zona de propulsión posterior, existían notables diferencias entre los shuttle de la NASA (a la izquierda el ?Discovery?) y los Burán soviéticos (foto de la derecha).

El Burán ha sido la única nave espacial tripulada que ha empleado queroseno (sintin) y oxígeno líquido para sus motores de maniobra orbital. El shuttle, al igual que casi todos los vehículos tripulados (Soyuz, Apolo, Gémini, etc.) emplea combustibles hipergólicos para esta tarea. Como resultado, la capacidad del sistema soviético para maniobrar en órbita también era claramente superior a la de su contrapartida estadounidense, con un impulso específico de sus motores orbitales mayor en un 16% (362 s frente a 313 s).

El sistema de maniobra se denominaba ODU (Obiedinennaia Dvigetalnaia Ustanovka, ?instalación propulsiva combinada?) y era equivalente a los sistemas OMS (Orbital Maneuvering System) y RCS (Reaction Control System) del shuttle. Al usar oxígeno líquido, el sistema ODU podía emplearse como reserva del oxígeno para las células de combustible generadoras de electricidad y para complementar el sistema de soporte vital en caso de emergencia.

Esquema del funcionamiento ?en caso de emergencia en el despegue (izquierda) o en el aterrizaje (derecha)? del sistema de eyección de seguridad de los tripulantes del Burán.

Como hemos visto, uno de los motivos principales del fracaso del shuttle como sistema de lanzamiento fue la seguridad. El Burán era significativamente más seguro que su homólogo norteamericano por varios motivos. En primer lugar, estaba previsto que la mayoría de misiones despegasen sin tripulación, lo que además hubiese permitido reducir el coste por lanzamiento de forma dramática.

Por otro lado, el Burán incluía asientos eyectables para los cuatro tripulantes de la cubierta superior. Al igual que el transbordador, el Burán podía transportar un máximo de 10 cosmonautas (eso sí, en la práctica, el récord del shuttle es de ocho pasajeros), cuatro en la cubierta de vuelo superior y seis en la inferior. Sin embargo, después del accidente del Challenger las autoridades soviéticas decidieron que lo mejor sería lanzar misiones con sólo dos o cuatro tripulantes para que pudiesen usar los asientos eyectables en caso de emergencia. El shuttle utilizó asientos similares durante las cuatro primeras misiones de prueba, pero la NASA los eliminó por considerarlos ?innecesarios? en los vuelos operativos. Los asientos K-36RB del Burán eran casi idénticos a los empleados en los aviones de combate soviéticos de la época y permitían el rescate de la tripulación hasta altitudes de 30-35 kilómetros y velocidades de Mach 3-3,5, a diferencia de los 24 kilómetros y Mach 2,7 como máximo de los asientos del shuttle. Los asientos se podían emplear también durante un aterrizaje normal o de emergencia por debajo de la altura y velocidades antes mencionadas. La tripulación llevaría en todas las misiones trajes de presión Strizh para evitar la muerte en caso de despresurización de la cabina.

Además, y a diferencia del shuttle, el Burán podía iniciar una maniobra de emergencia si fallaba alguno de los cuatro aceleradores laterales durante el despegue. Mientras los cohetes de combustible sólido estaban encendidos, no existía manera alguna de que la tripulación del transbordador estadounidense pudiera salvar su vida en caso de que algo fuera realmente mal. Sin embargo, a partir de cierta altura, el Burán era capaz de regresar a la pista de Baikonur si uno de los aceleradores sufría algún problema. En este caso, el ordenador de a bordo hubiese apagado el motor del acelerador situado en la posición opuesta para evitar que el vehículo se desviase de la trayectoria y poco después la lanzadera soviética se hubiese separado de la etapa central antes de iniciar la trayectoria de retorno.

Asimismo, en un cierto rango de alturas, el Burán estaba diseñado para sobrevivir al apagado de todos los motores del Energía, algo impensable en el caso del shuttle. Si esto ocurría, cuatro pequeños motores de combustible sólido habrían asegurado una separación limpia entre la lanzadera y la etapa central. Para el resto de emergencias, los procedimientos de regreso a Baikonur eran parecidos a los del shuttle. Por lo demás, el Burán podía alcanzar la órbita si un motor principal fallaba 3 minutos y 10 segundos después del despegue.

Finalmente, si se detectaba algún problema una vez en órbita, el Burán podía acoplarse con la estación Mir (o Mir-2) hasta que se pudiese lanzar una nave de rescate, siempre y cuando que la inclinación orbital fuese similar a la de la órbita de la estación. Este escenario sólo se introdujo en el programa de los transbordadores estadounidenses a partir de la pérdida del Columbia en 2003 (usando la ISS en vez de la Mir, claro está).

Tras la tragedia del Challenger, las autoridades soviéticas también sopesaron tener siempre lista una Soyuz ?bien en el espacio acoplada a la Mir o en la rampa de despegue? dotada con un sistema de acoplamiento APAS para rescatar a los cosmonautas del Burán. Igualmente se sugirió lanzar sin tripulación el mayor número de misiones y usar una Soyuz para trasladar a dos tripulantes desde la Mir, los cuales se encargarían de aterrizar los Burán en Baikonur.

Ilustración artística del Burán acoplando al Módulo Kristall (1990) de la Estación orbital soviética Mir (1986-2001).

El Burán podía permanecer en órbita hasta 30 días sin costosas modificaciones, lo que contrasta con el máximo de 17 días del transbordador norteamericano (de todas formas, la mayor parte de misiones no debían superar los 9 días). Para ello, el Burán sólo tenía que llevar un su bodega un módulo 37KE (casi idéntico al módulo Kvant de la estación MIr) con reservas adicionales. El Burán incluía además sistemas de soporte vital (suministro de oxígeno y mecanismos de filtrado del dióxido de carbono) muy parecidos a los de la Mir, lo que aumentaba la redundancia y fiabilidad de los mismos.

En la foto superior: transporte ferroviario del sistema Burán-Energía en posición horizontal hacia su plataforma de lanzamiento. Imagen inferior: un interceptor MiG-25 ?Foxbat? de la Fuerza Aérea de la Unión Soviética acompaña al Burán en el momento de su aterrizaje sin tripulación en 1988.

Para permitir su aprobación por parte del gobierno estadounidense e intentar asegurar la rentabilidad del sistema, la NASA propuso usar el transbordador para todos los lanzamientos estadounidenses, tripulados o no. Es decir, el shuttle debía sustituir a los cohetes convencionales; una decisión absurda que contribuiría indirectamente al accidente del Challenger. Por su parte, el Burán siempre se planteó como un sistema complementario al programa de estaciones espaciales y nunca se buscó una rentabilidad comercial a corto plazo. Aparte de las misiones militares secretas, el Burán se habría usado principalmente para trasladar víveres y avituallamientos diversos a la Mir-2, una misión que sólo realizaría el shuttle a partir del inicio de la construcción de la ISS a finales de los 90.

El orbitador Burán, como consecuencia de los diferentes condicionantes de diseño originados del hecho de ser una carga pasiva, no tenía, como hemos visto, más motores propios que los de orientación y maniobra orbital ?que también llevaba el shuttle. De esta forma, Burán era más ligero (65 toneladas frente a 78 del orbitador americano). Otra diferencia interesante era la posición del tren de aterrizaje delantero, situado en un compartimento detrás de la cabina de la tripulación. En el caso del shuttle, el tren delantero estaba situado en el morro para minimizar su tamaño y ahorrar masa, pero a cambio el orbitador debía realizar una larga maniobra de rotación durante el aterrizaje. El tren del Burán era más largo y pesado, pero permitía efectuar una rotación más simple y segura que reducía el riesgo de sufrir un reventón durante el aterrizaje.

El Burán incluía de serie tres paracaídas de frenado para ayudar a frenar el vehículo durante el aterrizaje, mientras que el shuttle sólo incorporó este sistema en 1992. Tenía además una única ventanilla para supervisar las operaciones en la bodega de carga (el shuttle contaba con dos). El montaje y traslado hasta la rampa de lanzamiento se realizaban de acuerdo con la práctica soviética; es decir, en horizontal. Si el shuttle empleaba cinco ordenadores GPC situados en el interior del orbitador, el Burán necesitaba cuatro ordenadores Biser-4 que trabajaban conjuntamente con el ordenador central M6M del Energía, a su vez a cargo de cuatro ordenadores M4M (uno para cada acelerador).

Otras diferencias incluían el uso de dos brazos robot en vez de uno para manejar la carga util o el empleo de un túnel de acoplamiento extensible para acoplarse con la Mir u otras estaciones espaciales. Por cierto, el sistema de acoplamiento (APAS-89) sería similar al empleado por el shuttle en las misiones a la ISS, aunque el transbordador norteamericano carecía de un túnel extensible.

Burán, en su única misión, anotó además el último récord del palmarés espacial soviético: el aterrizaje completamente automático de una lanzadera. El shuttle americano requería el control de un comandante de vuelo y un piloto, con lo que añadía así un pequeño factor adicional de riesgo. Porque ¿quién aseguraba que no iba a ocurrir nunca un caso de ?Aterriza como puedas? en el espacio? Ese pastel de carne? Tras los accidentes de los transbordadores americanos se decidió incorporar en estos la capacidad de efectuar la reentrada atmosférica y aproximación a la pista en modo automatizado. Curiosamente, se requería que el piloto activara manualmente el botón para bajar el tren de aterrizaje.