CHEOPS es una misión astronómica dedicada al estudio de exoplanetas, que aloja un telescopio para apuntar con alta precisión a la estrella objetivo que se encuentra en una órbita baja de la Tierra (LEO) a 700 km de altura. Este tipo de órbitas LEO, al estar muy cerca de la Tierra, se ven bastante afectadas por el hecho de que la Tierra no es una esfera perfecta. El efecto más importante es que el plano orbital de estos satélites rota alrededor del polo de la Tierra con una velocidad que depende, principalmente, de la altura y la inclinación de la órbita.

Para CHEOPS, la altura y la inclinación se han elegido de tal forma que la órbita sea heliosíncrona; las órbitas heliosíncronas son aquellas cuyo plano orbital gira alrededor del polo terrestre a la misma velocidad a la que el Sol gira (aparentemente) alrededor de La Tierra, de manera que el ángulo entre el Sol y el plano orbital es constante a lo largo del tiempo. Esto tiene muchas ventajas a la hora de diseñar una misión, por ejemplo, es muy fácil que los paneles solares miren hacia el Sol sin necesidad de un mecanismo para orientarlos, porque el Sol siempre se encuentra en la misma dirección.

Dado que el ángulo entre el Sol y un punto de la Tierra es la "hora" (antes de que entraran en juego los relojes), estas órbitas cruzan el Ecuador a la misma hora local. En realidad, pasan por encima de cada latitud a una hora local fija, pero se suele usar el Ecuador como referencia. Una forma muy clara de expresar cuánto se ha desplazado la órbita real con respecto a la órbita deseada a lo largo del tiempo es medir el error en la hora local a la que la órbita cruza el Ecuador. En CHEOPS hay que mantener este tiempo, conocido como tiempo local del nodo ascendente (LTAN), con una precisión de +/- 20 minutos para asegurar el buen funcionamiento del telescopio frente a los efectos térmicos, de potencia y de luz parásita.

Figura 1. Tiempo local en el nodo ascendente (LTAN)

Durante la LEOP de CHEOPS (Launch and Early Orbit Phase), realizada justo después del lanzamiento de CHEOPS en diciembre de 2019, se situó el satélite en una órbita cuya evolución debida a las perturbaciones orbitales permanecería en el intervalo de LTAN definido durante los 3 años y medio de misión nominal. A diferencia de las misiones de observación de la Tierra que requieren un estricto mantenimiento orbital, en el caso de CHEOPS, sus capacidades propulsivas solo se usarían para realizar maniobras en caso de evasión de colisión y durante el deorbiting, ya que el requisito del LTAN estaba garantizado para la misión nominal, que finalizaba en diciembre de 2023. Cabe destacar que los requisitos más estrictos de la misión CHEOPS se dan en el control de actitud para asegurar que el telescopio apunta siempre en la dirección opuesta al Sol, con un margen de 60 grados a cada lado, necesario para cumplir con el objetivo científico.

En marzo de 2023, el Comité de Programas Científicos de la ESA aprobó una primera extensión de la misión hasta diciembre de 2026, con una  aprobación preliminar de una segunda extensión hasta diciembre de 2029. Puesto que la evolución orbital de CHEOPS desde la LEOP había ido modificando el LTAN, a finales de 2023 se rebasaría el límite definido. En consecuencia, se identificó la necesidad de realizar la primera campaña de CHEOPS de maniobras de mantenimiento orbital para corregir el efecto acumulado de las perturbaciones orbitales sufridas durante el periodo nominal de la misión.

La campaña de maniobras abarcó cuatro meses y medio, de los cuales el primer mes y medio se dedicó al diseño de las maniobras, a la creación de los procedimientos operacionales, al entrenamiento de los operadores, y a la planificación de las maniobras, coordinándolas con la operación rutinaria para minimizar la interrupción de la operación científica y con los posibles avisos de colisión frente a otros objetos. El diseño de las maniobras no solo tuvo en cuenta los requisitos de combustible, potencia y térmicos, sino que también se trató de minimizar el impacto sobre las operaciones científicas y de maximizar la duración de la misión.

Como la evolución del LTAN depende principalmente de la altura y de la inclinación, la estrategia inicial consistía en modificar la tendencia de este parámetro mediante maniobras fuera del plano orbital, o lo que es lo mismo, perpendiculares a este, para modificar su inclinación. No obstante, se realizó un estudio adicional que demostró que una disminución en la altura de la órbita reduciría la cantidad de radiación incidente en el telescopio, sin afectar a otros aspectos de la misión como potencia, control térmico o evolución de la órbita. De modo que se decidió modificar la tendencia del LTAN mediante una combinación de maniobras fuera de plano y dentro de plano, corrigiendo inclinación y altura, tras comprobar que el consumo de combustible necesario no se veía afectado.

La primera maniobra tuvo lugar el 21 de septiembre de 2023. Era la primera vez que se realizaban maniobras fuera de plano y, además, eran de una magnitud bastante mayor que las maniobras tangenciales necesarias para evitar colisiones que se había efectuado anteriormente en la misión. Por ello, se decidió que las primeras maniobras fueran más pequeñas con el objetivo de calibrarlas para tratar de ajustar las siguientes al comportamiento real de los propulsores y reducir errores de apuntamiento y módulo. Se realizaron en total siete maniobras fuera de plano en el nodo descendente, con un ΔV total de 10.5 m/s, que permitieron alcanzar la inclinación objetivo. A continuación, comenzaron las maniobras tangenciales para disminuir la altura de la órbita. Se realizaron cuatro maniobras con un ΔV total de 4.5 m/s, dos en el perigeo y dos en el apogeo para mantener la excentricidad de la órbita. Finalmente, para ajustar la órbita final a la órbita deseada y corregir los errores acumulados tras las maniobras realizadas durante toda la campaña, el 20 de diciembre se realizaron dos maniobras tangenciales pequeñas con un ΔV total de 40 cm/s.

La inclinación se redujo alrededor de 0.08 grados y la altura 10 kilómetros, utilizando una masa de combustible de 1.75 kg, quedando 26 kg de combustible disponibles, suficiente para afrontar los años de misión que están por venir.

Figura 2. Evolución del semieje-mayor y la inclinación

Actualmente ya se empieza a observar que la tendencia del LTAN sigue el comportamiento deseado. No obstante, esta evolución en los próximos años dependerá en gran medida de la actividad del Sol. Actualmente, nos encontramos en un punto de máxima actividad en el ciclo solar, lo que aumenta la resistencia atmosférica en órbitas bajas, provocando una disminución de la altura orbital y, consecuentemente, un cambio en el LTAN. Por lo tanto, la necesidad de realizar maniobras de corrección futuras durante la extensión de la misión dependerá en gran medida de nuestro Sol.

Aunque si hay algo que sabemos a ciencia cierta, es que estos meses de esfuerzo, madrugones, y mucho aprendizaje han merecido la pena.

María Fuentes

Ingeniera de Operaciones de CHEOPS