Matemáticas de la mecánica orbital, paso a paso
De la primera ecuación de órbita al problema de Lambert: deducciones, ejemplos resueltos y práctica, de primer año al doctorado.
Constantes usadas en esta página
Cada número de esta página lo calcula el script de construcción del sitio (scripts/learn_calc.py) y se comprueba: de LEO 300 km a GEO da unos 3,89 km/s, como en los libros de texto; el ejemplo de Lambert se comprueba integrando la órbita numéricamente.
Órbitas circulares, periodo y velocidad de escape
- Adolescentes
- Ciclo técnico (college comunitario)
- Grado (1.º–4.º)
Podrás
Deducir la velocidad de una órbita circular a partir de las leyes de Newton; calcular un periodo; explicar por qué la velocidad de escape es √2 veces la circular.
Antes de empezar
Álgebra, segunda ley de Newton, aceleración centrípeta v²/r. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
En una órbita circular la gravedad aporta exactamente la fuerza centrípeta necesaria para girar. Usamos el parámetro gravitacional μ = GM, conocido con mucha más precisión que G o M por separado.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Un satélite es como una pelota atada a una cuerda que giras sobre tu cabeza. La gravedad es la cuerda. Si giras muy lento, la pelota cae; si giras justo, da vueltas y vueltas.
Paso a paso
- Gravedad = masa × aceleración centrípeta.
- Cancelar m y despejar v.
- Periodo = circunferencia / velocidad.
- Escape: la energía total llega justo a cero.
Ejemplo resuelto
- Datos
- Órbita circular a 400 km de altitud.
- Incógnita
- Velocidad v_c y periodo T.
- Estrategia
- Usar r = R⊕ + h, luego v_c = √(μ/r) y T = 2πr/v_c.
- Pasos
- r = 6378.137 + 400 = 6778.137 km
- v_c = √(398600.4418 / 6778.137) = 7,6686 km/s
- T = 2π · 6778.137 / 7,6686 s = 92,56 min
- Respuesta
- v_c = 7,669 km/s, T = 92,6 min.
- Comprobación
- La NASA indica para la estación unos 7,7 km/s y unos 90 minutos por órbita: los números coinciden.
- Importancia
- Unas 15–16 órbitas al día: la base para planificar los pasos sobre estaciones terrestres.
Ver el código Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137 # km^3/s^2, km
r = RE + 400
v = math.sqrt(mu / r)
T = 2 * math.pi * r / v
print(v, T / 60) # km/s, minPráctica con corrección automática
- km/s
- r = R⊕ + h, no h.
- v = √(μ/r) con r = 7178,137 km.
Solución completa
r = 7178,137 km; v = √(398600,4418/7178,137) = 7,4518 km/s.
- min
- T = 2π√(r³/μ), en segundos; luego dividir entre 60.
Solución completa
T = 2π√(7178,137³/398600,4418) s = 100,87 min.
Práctica
Halla el radio de una órbita cuyo periodo es un día sidéreo (86 164,09 s).
Ver la solución
r = (μ T²/4π²)^(1/3) = 42164 km (geoestacionaria), con v_c = 3,075 km/s.
Error frecuente
Usar la altitud en lugar del radio. r se mide desde el centro de la Tierra: r = R⊕ + h.
Referencias
- NASA, Basics of Space Flight.
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
Las tres leyes de Kepler
- Adolescentes
- Ciclo técnico (college comunitario)
- Grado (1.º–4.º)
Podrás
Enunciar las leyes de Kepler; mostrar que la ley de las áreas es la conservación del momento angular; deducir la tercera ley.
Antes de empezar
Geometría de la elipse (a, e), producto vectorial, derivada de un área. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
1) Las órbitas son cónicas con el cuerpo central en un foco. 2) El radio vector barre áreas iguales en tiempos iguales. 3) T² es proporcional a a³.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Los planetas aceleran cerca del Sol y frenan lejos, como un skater en una rampa: más rápido abajo, más lento arriba.
Paso a paso
- El área barrida por unidad de tiempo es la mitad del momento angular específico h.
- Con fuerza central h es constante, luego dA/dt también (2.ª ley).
- Área total de la elipse dividida por la velocidad areolar.
- Tercera ley: depende solo de a, no de e.
Ejemplo resuelto
- Datos
- Radio geoestacionario r = 42 164,17 km (circular).
- Incógnita
- El periodo T.
- Estrategia
- Tercera ley de Kepler con a = r.
- Pasos
- T = 2π √(a³/μ) = 2π √(42164.17³ / 398600.4418)
- T = 23,9345 h
- Respuesta
- T = 23,9345 h (23 h 56 min).
- Comprobación
- Igual a un día sidéreo (86 164 s), justo lo que exige «geoestacionaria».
- Importancia
- La ley de Kepler, hallada en 1619 con datos de planetas, aún fija dónde se aparcan los satélites de TV y meteorológicos.
Ver el código Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137 # km^3/s^2, km
a = 42164.17
T = 2 * math.pi * math.sqrt(a**3 / mu)
print(T / 3600) # hPráctica
Dos órbitas tienen el mismo a pero e = 0 y e = 0,7. ¿Cuál tiene mayor periodo?
Ver la solución
Ninguna: T depende solo de a.
Error frecuente
Usar 24 h para la órbita geoestacionaria. La Tierra gira una vez respecto a las estrellas en 23 h 56 min 4 s.
Referencias
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
- R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.
El problema de dos cuerpos y la ecuación de la órbita
- Grado (1.º–4.º)
Podrás
Reducir dos cuerpos a una ecuación relativa; integrarla con cálculo vectorial para obtener la cónica r(ν); identificar el vector excentricidad.
Antes de empezar
Cálculo vectorial (productos escalar/vectorial, triple producto), EDO de primer orden. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
Restando las dos ecuaciones de movimiento queda una sola EDO para la posición relativa. Dos integrales vectoriales, h y e, dan la forma completa de la órbita sin resolver en el tiempo.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
La Tierra y el satélite se atraen mutuamente. Podemos hacer como si la Tierra estuviera quieta y mirar solo el satélite: su camino siempre es un círculo, un óvalo o una curva que se escapa.
Paso a paso
- Ecuación del movimiento relativo.
- Producto vectorial con h constante y triple producto.
- Integrar una vez: e es un vector constante que apunta al periapsis.
- Producto escalar con r: la ecuación de la cónica.
Ejemplo resuelto
- Datos
- r = [7000, 1000, 500] km, v = [−1,0, 7,4, 1,0] km/s.
- Incógnita
- h, e y el tamaño a.
- Estrategia
- Usar las dos integrales vectoriales h = r × v y μe = v × h − μ r/r, y luego la energía.
- Pasos
- |h| = |r × v| = 53398,3 km²/s
- |e| = 0,019306
- ε = v²/2 − μ/r = -27,850 km²/s²
- a = −μ/(2ε) = 7156,15 km
- Respuesta
- Casi circular (e = 0,0193) con a = 7156,1 km.
- Comprobación
- Comprobar h²/μ = a(1 − e²): ambos lados coinciden salvo redondeo.
- Importancia
- Dos vectores conservados dan la forma completa de la órbita a partir de una sola medida de radar.
Ver el código Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
r = np.array([7000., 1000., 500.]); v = np.array([-1.0, 7.4, 1.0])
h = np.cross(r, v)
e = np.cross(v, h) / mu - r / np.linalg.norm(r)
eps = v @ v / 2 - mu / np.linalg.norm(r)
print(np.linalg.norm(h), np.linalg.norm(e), -mu / (2 * eps))Práctica
Demuestra que e < 1 da una órbita cerrada y e > 1 una abierta.
Ver la solución
El denominador 1 + e cosν es positivo para todo ν solo si e < 1; para e > 1 se anula en cosν = -1/e y r → ∞.
Error frecuente
Olvidar que μ = G(m₁+m₂). Para un satélite m₂ es despreciable, pero no para la pareja Tierra–Luna.
Referencias
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.
Energía y la ecuación vis-viva
- Ciclo técnico (college comunitario)
- Grado (1.º–4.º)
Podrás
Mostrar que la energía orbital específica se conserva y vale -μ/2a; usar vis-viva para hallar la velocidad en cualquier punto.
Antes de empezar
Energía cinética y potencial; producto escalar; la cónica r(ν). Las órbitas explicadas
Primero la intuición
Vis-viva («fuerza viva») es la ecuación más útil del diseño de misiones: relaciona velocidad, distancia y tamaño de la órbita.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Al subir una colina vas más lento; al bajar, más rápido. En una órbita pasa igual: cerca de la Tierra vas rápido, lejos vas lento, y la energía total no cambia.
Paso a paso
- Producto escalar de la ecuación de movimiento con la velocidad.
- Evaluar en el periapsis, donde v es perpendicular a r.
- Simplificar con h² = μa(1-e²).
- Vis-viva.
Ejemplo resuelto
- Datos
- Elipse de transferencia de r_p = 6678,137 km a r_a = 42 164,17 km.
- Incógnita
- Velocidades en el perigeo y el apogeo.
- Estrategia
- a = (r_p + r_a)/2, luego vis-viva en cada extremo.
- Pasos
- a = 24421,2 km
- v_p = √(μ(2/r_p − 1/a)) = 10,1515 km/s
- v_a = √(μ(2/r_a − 1/a)) = 1,6078 km/s
- Respuesta
- v_p = 10,151 km/s, v_a = 1,608 km/s.
- Comprobación
- Control del momento angular: r_p v_p = r_a v_a (unos 67 793 km²/s).
- Importancia
- Estas dos velocidades son la referencia de los encendidos de Hohmann.
Ver el código Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137 # km^3/s^2, km
rp, ra = RE + 300, 42164.17
a = (rp + ra) / 2
vv = lambda r: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a))
print(vv(rp), vv(ra), rp*vv(rp), ra*vv(ra))Práctica con corrección automática
- km/s
- v² = μ(2/r − 1/a).
Solución completa
v = √(398600,4418 × (2/8000 − 1/10000)) = 7,7324 km/s.
Práctica
¿Qué signo tiene ε en una trayectoria de escape (parabólica)?
Ver la solución
Cero (a → ∞). Las órbitas ligadas tienen ε < 0, las hipérbolas ε > 0.
Error frecuente
Mezclar unidades: con μ en km³/s², r y a deben ir en km y v sale en km/s.
Referencias
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
- R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.
Elementos orbitales a partir de un vector de estado
- Grado (1.º–4.º)
- Máster
Podrás
Convertir posición y velocidad (r, v) en los seis elementos clásicos a, e, i, Ω, ω, ν con álgebra lineal.
Antes de empezar
Problema de dos cuerpos, vectores, cuadrante de arccos. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
Seis números fijan una órbita: tamaño (a), forma (e), inclinación (i), nodo ascendente (Ω), argumento del periapsis (ω) y posición actual (ν).
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Seis números son como la dirección de una órbita: tamaño, cuánto se estira, cuánto se inclina, hacia dónde mira, dónde está su punto más cercano y dónde está ahora el satélite.
Paso a paso
- Tres vectores clave.
- Tamaño, inclinación, nodo (con cuadrante).
- Periapsis y posición actual.
Ejemplo resuelto
- Datos
- r = [7000, 1000, 500] km, v = [−1,0, 7,4, 1,0] km/s.
- Incógnita
- a, e, i, Ω, ω, ν.
- Estrategia
- Construir h, n, e; leer cada ángulo con su cuadrante (Vallado, algoritmo 9).
- Pasos
- i = arccos(h_z/h) = 8,585°
- Ω = 340,20° (n_y < 0)
- ω = 326,44° (e_z < 0)
- ν = 61,76° (r·v > 0)
- a = 7156,15 km, e = 0,019306
- Respuesta
- a = 7156,1 km, e = 0,0193, i = 8,59°, Ω = 340,2°, ω = 326,4°, ν = 61,8°.
- Comprobación
- Convertir los elementos de vuelta a r y v devuelve los datos (ida y vuelta).
- Importancia
- Los elementos son la forma en que se publican (p. ej., TLE) y comparan las órbitas.
Ver el código Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
r = np.array([7000., 1000., 500.]); v = np.array([-1.0, 7.4, 1.0])
h = np.cross(r, v); n = np.cross([0, 0, 1], h)
e = np.cross(v, h) / mu - r / np.linalg.norm(r)
i = np.degrees(np.arccos(h[2] / np.linalg.norm(h)))
W = np.degrees(np.arccos(n[0] / np.linalg.norm(n))); W = 360 - W if n[1] < 0 else W
print(i, W)Práctica
¿Por qué Ω y ω no están definidos en una órbita circular ecuatorial?
Ver la solución
n = 0 (sin línea de nodos) y e = 0 (sin periapsis); se usa la longitud verdadera.
Error frecuente
Omitir el cuadrante: arccos solo devuelve 0–180°.
Referencias
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
Ecuación de Kepler y Newton–Raphson
- Grado (1.º–4.º)
- Máster
Podrás
Relacionar tiempo y posición con las anomalías media, excéntrica y verdadera; resolver la ecuación trascendente con Newton–Raphson.
Antes de empezar
Derivadas, serie de Taylor de primer orden, radianes. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
No hay forma cerrada x(t) para una elipse. La ecuación de Kepler se resuelve numéricamente; Newton–Raphson converge cuadráticamente desde E₀ = M (o M + e si e es grande).
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Algunos acertijos no se resuelven de una vez: adivinas, miras cuánto fallas y corriges. Cada intento se acerca mucho más, como al juego de frío o caliente.
Paso a paso
- La anomalía media crece uniformemente.
- Ecuación de Kepler.
- Newton–Raphson: f/f′.
- Pasar a la anomalía verdadera.
Ejemplo resuelto
- Datos
- e = 0,37255, M = 3,6029 rad (mismos datos que Curtis, ejemplo 3.2; cálculo propio).
- Incógnita
- La anomalía excéntrica E con precisión 10⁻¹⁰ rad.
- Estrategia
- Newton–Raphson sobre f(E) = E − e sin E − M con f′(E) = 1 − e cos E, desde E₀ = M (e ≤ 0,8); parar cuando |ΔE| < 10⁻¹⁰.
- Pasos
Tabla de iteraciones n E_n (rad) |ΔE| 1 3,4785537387 1.24e-01 2 3,4794220100 8.68e-04 3 3,4794220443 3.44e-08 4 3,4794220443 0.00e+00 - Respuesta
- E = 3,479422 rad tras 4 iteraciones.
- Comprobación
- Sustituir: E − e sin E devuelve M = 3,6029 rad. Como M > π el cuerpo ya pasó el apoapsis, y E < M como se espera si sin E < 0. Curtis da E = 3,479 rad.
- Importancia
- El error se eleva aproximadamente al cuadrado en cada paso (convergencia cuadrática): por eso el software de vuelo resuelve la ecuación de Kepler miles de veces por segundo.
Pruébalo: resolvedor de Kepler, paso a paso
| n | E_n (rad) | |ΔE| |
|---|
Ver el código Python
import math
def kepler_E(M, e, tol=1e-10):
E = math.pi if e > 0.8 else M
while True:
dE = (E - e*math.sin(E) - M) / (1 - e*math.cos(E))
E -= dE
print(E, abs(dE))
if abs(dE) < tol:
return E
kepler_E(3.6029, 0.37255)Práctica con corrección automática
- rad
- Empieza en E₀ = M = 1.
- E₁ = 1 − (1 − 0,2 sin 1 − 1)/(1 − 0,2 cos 1).
Solución completa
Newton–Raphson converge en pocos pasos a E = 1,185324 rad.
Práctica
¿Por qué M y E deben estar en radianes en la iteración?
Ver la solución
Porque E y e sin E deben compartir unidades; e sin E es adimensional (radianes).
Error frecuente
Mezclar grados y radianes en M = E - e sin E.
Referencias
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.
Propagación numérica con RK4
- Grado (1.º–4.º)
- Máster
Podrás
Escribir la órbita como un sistema de EDO de primer orden; integrarla con Runge–Kutta de cuarto orden; comprobar la precisión con la conservación de la energía.
Antes de empezar
EDO, series de Taylor, programación básica. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
Al añadir perturbaciones (J2, arrastre, terceros cuerpos) no hay solución exacta y se integra. RK4 tiene error local O(Δt⁵) y global O(Δt⁴).
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Un ordenador mueve el satélite en pasitos, como un libro animado: cada página es una fracción de segundo después. Los pasos más listos (RK4) miran adelante antes de moverse.
Paso a paso
- La EDO de segundo orden pasa a un sistema de primer orden de 6 estados.
- Cuatro evaluaciones de pendiente.
- Promedio ponderado (tipo Simpson).
Ejemplo resuelto
- Datos
- Estado inicial del ejemplo de Lambert: r₁ = [7000, 0, 0] km y su v₁; 3600 s; 20 000 pasos RK4.
- Incógnita
- Posición final y su distancia al objetivo r₂ = [0, 8000, 0] km.
- Estrategia
- Integrar ẏ = f(y) con RK4, Δt = 0,18 s.
- Pasos
- v₁ = (4,6069, 5,8532, 0) km/s
- Δt = 3600 / 20000 = 0.18 s
- |r(3600) − r₂| = 1,7×10⁻¹⁰ km
- Respuesta
- La órbita llega al objetivo con error de 1,7×10⁻¹⁰ km.
- Comprobación
- Dos métodos independientes (Lambert, RK4) coinciden: ambos funcionan.
- Importancia
- El mismo integrador, añadiendo J2 y arrastre a f(y), predice las órbitas reales.
Ver el código Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
def f(y): r = y[:3]; return np.r_[y[3:], -mu * r / np.linalg.norm(r)**3]
def rk4(y, dt):
k1 = f(y); k2 = f(y + dt/2*k1); k3 = f(y + dt/2*k2); k4 = f(y + dt*k3)
return y + dt/6*(k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4)Práctica
¿Por qué factor se reduce el error global de RK4 al dividir Δt entre dos?
Ver la solución
Unos 2⁴ = 16.
Error frecuente
Fiarse de una integración larga sin comprobar una cantidad conservada (energía, h). RK4 no es simpléctico y deriva lentamente.
Referencias
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- MIT OpenCourseWare, 16.346 Astrodynamics (CC BY-NC-SA 4.0).
Transferencia de Hohmann
- Ciclo técnico (college comunitario)
- Grado (1.º–4.º)
Podrás
Diseñar una transferencia de dos encendidos entre órbitas circulares coplanarias; calcular cada Δv y el tiempo.
Antes de empezar
Vis-viva, tercera ley de Kepler. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
Encender hacia delante en la órbita interior para entrar en una elipse tangente a la exterior, esperar media órbita y volver a encender para circularizar.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Para pasar a un carril más alto en una pista redonda, aceleras una vez para abrirte y otra vez al llegar al nuevo carril para quedarte.
Paso a paso
- La elipse de transferencia toca ambos círculos.
- Encendido en el perigeo (vis-viva menos circular).
- Encendido en el apogeo.
- Medio periodo de la órbita de transferencia.
Ejemplo resuelto
- Datos
- μ = 398 600,4418 km³/s², inicio: circular 300 km (r₁ = 6678,1 km), objetivo: GEO (r₂ = 42164,2 km), mismo plano.
- Incógnita
- Δv₁, Δv₂, Δv total y tiempo de transferencia.
- Estrategia
- Velocidades circulares con v = √(μ/r); en la elipse con vis-viva; restar; medio periodo.
- Pasos
- a_t = (r₁ + r₂)/2 = 24421,2 km
- v_c1 = 7,7258 km/s, v_p = 10,1515 km/s → Δv₁ = 2,4257 km/s
- v_a = 1,6078 km/s, v_c2 = 3,0747 km/s → Δv₂ = 1,4668 km/s
- t = π√(a_t³/μ) = 18990 s
- Respuesta
- Δv total = 3,893 km/s; tiempo 5,28 h.
- Comprobación
- Coincide con los ≈ 3,9 km/s de los libros. El periodo de la elipse (5,28 h × 2) está entre los de LEO y GEO, como debe.
- Importancia
- Lanzar desde 28,5° de latitud añade un cambio de plano; combinado con el encendido de apogeo el total es 4,26 km/s, el presupuesto clásico de la transferencia geoestacionaria.
Pruébalo: calculadora de Hohmann
Ver el código Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137 # km^3/s^2, km
r1, r2 = RE + 300, 42164.17
at = (r1 + r2) / 2
vv = lambda r, a: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a))
dv1 = vv(r1, at) - math.sqrt(mu/r1)
dv2 = math.sqrt(mu/r2) - vv(r2, at)
tof = math.pi * math.sqrt(at**3 / mu)
print(dv1, dv2, dv1 + dv2, tof/3600) # km/s, km/s, km/s, hPráctica con corrección automática
- km/s
- a_t = (r₁ + r₂)/2 con r = R⊕ + h.
- Subidas pequeñas cuestan poco: espera unos cientos de m/s.
Solución completa
Δv₁ = 0,1608, Δv₂ = 0,1575; total 0,3183 km/s.
Práctica
¿Por qué las misiones GEO reales necesitan más?
Ver la solución
Los sitios de lanzamiento no están en el ecuador: también hace falta un cambio de plano (ver Cambios de plano).
Error frecuente
Sumar las velocidades circulares en lugar de las diferencias: Δv es el cambio de velocidad en cada encendido.
Referencias
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
- R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.
- NASA, Basics of Space Flight.
Transferencia bielíptica
- Grado (1.º–4.º)
- Máster
Podrás
Calcular una transferencia bielíptica de tres encendidos y saber cuándo supera a Hohmann.
Antes de empezar
Transferencia de Hohmann, vis-viva. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
Subir muy lejos hasta r_b, donde las velocidades son mínimas, y bajar al objetivo. Para r₂/r₁ mayor que unos 11,94 algún r_b supera a Hohmann; por encima de unos 15,58 cualquier r_b > r₂ lo hace, a costa de un vuelo mucho más largo.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
A veces el camino largo sale más barato: subir muy alto donde moverse es fácil, ajustar allí y luego bajar.
Paso a paso
- Dos elipses de transferencia.
- Encendidos en r₁, r_b y r₂, cada uno con vis-viva.
Ejemplo resuelto
- Datos
- r₁ = 6678,137 km, r₂ = 20 r₁, intermedio r_b = 40 r₁.
- Incógnita
- Δv total bielíptica frente a Hohmann.
- Estrategia
- Tres encendidos vis-viva en r₁, r_b, r₂; comparar con Hohmann.
- Pasos
- a₁ = (r₁ + r_b)/2, a₂ = (r₂ + r_b)/2
- Δv_bi = 4,0609 km/s
- Δv_H = 4,1312 km/s
- Respuesta
- Bielíptica 4,061 km/s supera a Hohmann 4,131 km/s.
- Comprobación
- r₂/r₁ = 20 supera el umbral de 15,58: cualquier r_b > r₂ debe ganar, coherente.
- Importancia
- El ahorro (unos 70 m/s aquí) cuesta un vuelo mucho más largo: diseñar misiones es un compromiso.
Ver el código Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137 # km^3/s^2, km
vv = lambda r, a: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a)); vc = lambda r: math.sqrt(mu / r)
r1 = RE + 300; r2, rb = 20*r1, 40*r1
a1, a2 = (r1+rb)/2, (r2+rb)/2
dv = (vv(r1,a1)-vc(r1)) + (vv(rb,a2)-vv(rb,a1)) + (vv(r2,a2)-vc(r2))
print(abs(dv))Práctica
De LEO a GEO (r₂/r₁ ≈ 6,3), ¿conviene una bielíptica?
Ver la solución
No: por debajo de una razón de unos 11,94 Hohmann siempre es más barata.
Error frecuente
Ignorar el tiempo de vuelo: el ahorro bielíptico puede costar días o semanas.
Referencias
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
Cambios de plano
- Grado (1.º–4.º)
Podrás
Deducir el Δv de cambio de plano con la ley de cosenos; mostrar por qué combinarlo con el encendido de apogeo ahorra combustible.
Antes de empezar
Vectores, ley de cosenos, Hohmann. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
Girar el vector velocidad cuesta en proporción a la velocidad: los cambios de plano son más baratos donde la órbita es más lenta.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Girar con una bici rápida es difícil; con una lenta, fácil. Las naves inclinan su órbita donde van más lento.
Paso a paso
- Ley de cosenos sobre los dos vectores velocidad.
- Cambio de plano puro a velocidad constante.
Ejemplo resuelto
- Datos
- Inserción GEO desde una órbita de transferencia a 28,5°: v_a = 1,6078 km/s, v_GEO = 3,0747 km/s.
- Incógnita
- Δv combinado frente a separado.
- Estrategia
- Ley de cosenos sobre los dos vectores velocidad.
- Pasos
- Δv_comb = √(v_a² + v_GEO² − 2 v_a v_GEO cos 28.5°) = 1,8302 km/s
- Δv_sep = (v_GEO − v_a) + 2 v_GEO sin 14.25° = 2,9805 km/s
- Respuesta
- Combinado: 1,830 km/s; separado: 2,980 km/s.
- Comprobación
- El encendido combinado es menor que la suma, como exige la desigualdad triangular.
- Importancia
- Ahorrar unos 1,15 km/s explica por qué los lanzamientos a GEO siempre combinan el giro con el encendido de apogeo.
Ver el código Python
import math
va, vg, di = 1.6078, 3.0747, math.radians(28.5)
comb = math.sqrt(va**2 + vg**2 - 2*va*vg*math.cos(di))
sep = (vg - va) + 2*vg*math.sin(di/2)
print(comb, sep)Práctica con corrección automática
- km/s
- Δv = 2v sin(Δi/2).
Solución completa
Δv = 2 × 7,5 × sin 5° = 1,3073 km/s.
Práctica
¿Dónde es más barato un cambio de plano en una elipse?
Ver la solución
En el apoapsis (velocidad mínima), y en un nodo.
Error frecuente
Olvidar que el cambio de plano se hace donde se cortan los dos planos (un nodo).
Referencias
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
La ecuación del cohete
- Adolescentes
- Ciclo técnico (college comunitario)
- Grado (1.º–4.º)
Podrás
Deducir la ecuación de Tsiolkovski por conservación del momento y separación de variables; convertir un presupuesto de Δv en masa de propelente.
Antes de empezar
Momento, integral de 1/m (logaritmo). Las órbitas explicadas
Primero la intuición
El Δv es la moneda del vuelo espacial. Como el cohete lleva su propelente, la masa crece exponencialmente con el Δv.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Un cohete expulsa materia muy rápido hacia atrás y eso lo empuja hacia delante, como un globo que sueltas. Pero debe llevar toda esa materia, así que ir más rápido pide mucho más combustible.
Paso a paso
- Balance de momento en un encendido corto (sin gravedad ni arrastre).
- Separar variables e integrar.
- Tsiolkovski; g₀ = 9,80665 m/s².
Ejemplo resuelto
- Datos
- Δv = 3,8926 km/s (Hohmann LEO→GEO), I_sp = 450 s, g₀ = 9,80665 m/s².
- Incógnita
- Razón de masas y fracción de propelente.
- Estrategia
- v_e = I_sp g₀, luego m₀/m_f = exp(Δv/v_e).
- Pasos
- v_e = 450 · 9.80665 m/s = 4.413 km/s
- m₀/m_f = exp(3,8926 / 4.413) = 2,4159
- 1 − 1/2,4159 = 58,6 %
- Respuesta
- m₀/m_f = 2,416; el 58,6 % de la masa inicial es propelente.
- Comprobación
- Δv es menor que v_e, así que la razón debe estar por debajo de e ≈ 2,72: lo está.
- Importancia
- Más de la mitad de la etapa es combustible solo para ir de LEO a GEO: por eso las etapas superiores usan motores de alto I_sp.
Ver el código Python
import math
dv, isp, g0 = 3.8926, 450, 9.80665e-3 # km/s, s, km/s^2
mr = math.exp(dv / (isp * g0))
print(mr, 1 - 1/mr)Práctica con corrección automática
-
- v_e = I_sp g₀ = 2,942 km/s.
Solución completa
m₀/m_f = exp(2/2,942) = 1,974.
Práctica
¿Qué le pasa a la razón de masas al duplicar Δv con I_sp fijo?
Ver la solución
Se eleva al cuadrado, no se duplica: e^(2x) = (e^x)².
Error frecuente
Usar g en altitud como g₀. En I_sp, g₀ es una constante fija, 9,80665 m/s².
Referencias
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
- NASA, Basics of Space Flight.
Perturbaciones J2 y órbitas heliosíncronas
- Máster
Podrás
Modelar el abultamiento ecuatorial con el término J2 del potencial; deducir la deriva secular del nodo promediando; diseñar una órbita heliosíncrona.
Antes de empezar
Gradiente de un potencial, polinomios de Legendre, ecuaciones planetarias de Lagrange (enunciado). Las órbitas explicadas
Primero la intuición
La masa extra en el ecuador tira de la órbita y hace precesar su plano. Promediando sobre una órbita, los efectos de periodo corto se cancelan y queda una deriva constante de Ω y ω.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
La Tierra es un poco gordita por el medio. Ese abultamiento tira de los satélites y gira despacio sus órbitas, y los ingenieros lo usan para mantener algunos satélites al paso del Sol.
Paso a paso
- Potencial con el término zonal J2 (φ = latitud).
- Velocidad secular del nodo tras promediar (ecuaciones de Lagrange).
- Heliosíncrona: el nodo sigue al Sol una vez al año.
Ejemplo resuelto
- Datos
- Órbita circular a 700 km; J2 = 1,08263×10⁻³; velocidad nodal objetivo 360°/365,2422 d.
- Incógnita
- La inclinación heliosíncrona i.
- Estrategia
- Igualar la velocidad secular del nodo al objetivo y despejar cos i.
- Pasos
- a = 7078.137 km, n = √(μ/a³)
- cos i = −Ω̇_SSO / (1.5 n J2 (R⊕/a)²)
- i = 98,188°
- Respuesta
- i = 98,19°.
- Comprobación
- Las misiones heliosíncronas publicadas cerca de 700 km vuelan a unos 98,2°: coincide.
- Importancia
- Una pequeña perturbación natural, usada a propósito, da gratis iluminación constante a los satélites de imágenes.
Ver el código Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137 # km^3/s^2, km
J2 = 1.08262668e-3
a = RE + 700; n = math.sqrt(mu / a**3)
target = 2*math.pi / (365.2422*86400)
print(math.degrees(math.acos(-target / (1.5*n*J2*(RE/a)**2))))Práctica con corrección automática
- °
- Iguala Ω̇ = 360°/365,2422 d y despeja cos i de la fórmula J2.
Solución completa
cos i es negativo e i = 98,60°, algo más que a 700 km.
Práctica
¿Por qué las órbitas heliosíncronas son ligeramente retrógradas (i > 90°)?
Ver la solución
El nodo debe avanzar hacia el este (velocidad positiva); la fórmula tiene -cos i, luego cos i < 0.
Error frecuente
Usar el día solar: el nodo debe girar 360° por año trópico, unos 0,9856°/día.
Referencias
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- N. K. Pavlis et al., "The development and evaluation of the Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008)", J. Geophys. Res. 117, B04406 (2012). doi:10.1029/2011JB008916
- R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.
El problema de Lambert
- Máster
- Doctorado / investigación
Podrás
Dadas dos posiciones y un tiempo de vuelo, hallar la órbita que las une con variables universales y búsqueda de raíces; verificar por propagación numérica; conocer la literatura de investigación.
Antes de empezar
Variables universales, funciones de Stumpff, búsqueda de raíces (bisección, Newton, Halley), RK4. Las órbitas explicadas
Primero la intuición
El problema de Lambert es el núcleo del encuentro orbital, el apuntamiento y los diagramas interplanetarios «porkchop». Es un problema de contorno en dos puntos; el teorema de Lambert dice que el tiempo de vuelo depende solo de a, r₁ + r₂ y la cuerda c.
🧒 Explícamelo como si tuviera 10 años
Quieres lanzar una pelota de aquí a allá y que llegue en exactamente una hora. El problema de Lambert encuentra el lanzamiento exacto.
Paso a paso
- Constante geométrica A y auxiliar y(z) (Stumpff C, S).
- Ecuación del tiempo de vuelo: resolver z buscando la raíz.
- Los coeficientes de Lagrange dan las velocidades.
Ejemplo resuelto
- Datos
- r₁ = [7000, 0, 0] km, r₂ = [0, 8000, 0] km, Δt = 3600 s, progrado.
- Incógnita
- v₁ y v₂.
- Estrategia
- Ecuación del tiempo de vuelo en variables universales; z por bisección; f, g, ġ de Lagrange dan las velocidades (Curtis, algoritmo 5.2).
- Pasos
- Δν = 90°, A = √(r₁r₂)
- v₁ = (4,6069, 5,8532, 0) km/s
- v₂ = (-5,1216, -3,8753, 0) km/s
- RK4 check: 1,7×10⁻¹⁰ km
- Respuesta
- v₁ = (4,607; 5,853; 0) km/s; v₂ = (-5,122; -3,875; 0) km/s.
- Comprobación
- La energía y el momento angular coinciden en ambos extremos, y RK4 desde (r₁, v₁) alcanza r₂.
- Importancia
- Repetido en una malla de fechas de salida y llegada, da los diagramas «porkchop» usados para planificar misiones a Marte.
Ver el código Python
# universal-variable Lambert (Curtis Alg. 5.2): see scripts/learn_calc.py lambert()
from learn_calc import lambert, propagate
v1, v2 = lambert([7000, 0, 0], [0, 8000, 0], 3600)
print(v1, v2)Práctica
Investigación: ¿qué cambia Izzo (2015) frente a las variables universales?
Ver la solución
Una sola variable adimensional x con buena estimación inicial e iteraciones de Householder (tercer orden), que resuelve casos de varias revoluciones de forma robusta en muy pocas iteraciones.
Error frecuente
Elegir el sentido equivocado: Δν y 360° - Δν dan dos órbitas distintas.
Referencias
- D. Izzo, "Revisiting Lambert’s problem", Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 121, 1–15 (2015). doi:10.1007/s10569-014-9587-y
- R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
Comprueba lo que entendiste
Profundiza
Después: los itinerarios de ingeniería aeronáutica y física (próximamente), los algoritmos de Vallado y el solucionador de Lambert de Izzo para investigación.
Para docentes
Uso sugerido: una sesión de 50 minutos por cada dos secciones. Ruta de grado: circular → Kepler → vis-viva → Hohmann → ecuación del cohete, con el Orbit Lab como demostración del ejemplo de Hohmann. Ruta de máster: elementos → ecuación de Kepler → RK4 → J2 → Lambert (los fragmentos Python como prácticas). Cada respuesta numérica la calcula el script de construcción, así que la práctica sirve de solucionario. Alineado con los temas de MIT OCW 16.346.
Referencias
- D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
- H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
- R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.
- R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.
- D. Izzo, "Revisiting Lambert’s problem", Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 121, 1–15 (2015). doi:10.1007/s10569-014-9587-y
- N. K. Pavlis et al., "The development and evaluation of the Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008)", J. Geophys. Res. 117, B04406 (2012). doi:10.1029/2011JB008916
- NASA, Basics of Space Flight.
- MIT OpenCourseWare, 16.346 Astrodynamics (CC BY-NC-SA 4.0).
- NASA JPL Solar System Dynamics, planetary physical parameters.