En mecánica orbital, una órbita de transferencia de Hohmann mueve una nave espacial entre dos alturas orbitales mediante una trayectoria elíptica que toca a ambas órbitas circulares. Es el método más eficiente en cuanto a consumo de combustible para transferencias entre órbitas circulares coplanares y con quemaduras impulsivas, ya que la nave no intenta escapar completamente de la gravedad del cuerpo central, sino que realiza dos maniobras puntuales para cambiar energía y momento angular.

Cómo funciona

El procedimiento habitual consta de dos impulsos (quemaduras):

  • Primer impulso (Δv1): en la órbita inicial se incrementa la velocidad para cambiar de una órbita circular a una órbita elíptica de transferencia cuyo perigeo coincide con la órbita inicial (r1) y cuyo apogeo coincide con la órbita final (r2).
  • Segundo impulso (Δv2): al alcanzar el apogeo de la elipse se aplica una segunda quemadura para circularizar la trayectoria y quedar en la órbita final.

Cálculo del Δv

Si μ es la constante gravitatoria del cuerpo central y r1, r2 son los radios de las órbitas circulares inicial y final (r2 > r1), la semieje mayor de la órbita de transferencia es a = (r1 + r2)/2. Las velocidades relevantes son:

  • Velocidad circular en r1: v_c1 = sqrt(μ / r1)
  • Velocidad circular en r2: v_c2 = sqrt(μ / r2)
  • Velocidad en el perigeo de la elipse (en r1): v_p = sqrt( μ * (2/r1 - 1/a) )
  • Velocidad en el apogeo de la elipse (en r2): v_a = sqrt( μ * (2/r2 - 1/a) )

Las magnitudes de los impulsos son:

  • Δv1 = |v_p - v_c1| (aumentar velocidad en perigeo)
  • Δv2 = |v_c2 - v_a| (ajuste en apogeo para circularizar)

El Δv total mínimo de la transferencia de Hohmann es Δv = Δv1 + Δv2. Bajo las hipótesis mencionadas (órbitas circulares coplanares y quemaduras impulsivas), este Δv es mínimo entre todas las transferencias que solo usan dos impulsos.

Ventajas y limitaciones

  • Ventajas: máxima eficiencia en Δv para transferencias entre órbitas circulares coplanares; implementación simple y ampliamente utilizada (por ejemplo, LEO → GEO en conceptos básicos).
  • Limitaciones:
    • No es rápida: requiere tiempo de transferencia (la nave coastea a lo largo de la elipse), por lo que no es óptima cuando el tiempo es crítico.
    • Requiere alineación de fase adecuada para encuentros y lanzamientos interplanetarios; hay ventanas de lanzamiento.
    • No contempla cambios de plano eficientemente; combinar cambio de plano con transferencia puede requerir más Δv o maniobras adicionales.
    • Para sistemas de propulsión de empuje bajo y continuo (por ejemplo, motores iónicos) u órbitas no circulares/no coplanares, otras trayectorias de baja energía o maniobras continuas pueden ser más eficientes.

Aplicaciones prácticas

La órbita de transferencia de Hohmann se usa como referencia en planificación de misiones: desde cambios de altitud alrededor de la Tierra hasta aproximaciones simplificadas de transferencias interplanetarias entre órbitas casi circulares y coplanares (por ejemplo, posiciones medias de planetas). En la práctica se ajustan las soluciones para tener en cuenta excentricidades, inclinaciones y maniobras con múltiples impulsos o asistencia gravitatoria cuando conviene.

En resumen, la órbita de transferencia de Hohmann es una solución sencilla y de mínimo consumo de combustible para transferencias entre órbitas circulares coplanares con quemaduras impulsivas, aunque su uso efectivo exige considerar tiempos de transferencia, alineamientos y las limitaciones de la configuración de la misión.