Hoy en la Fábrica hemos recibido a Antonio Pérez Verde del blog Astrométrico para charlar de la llegada de la misión Perseverance a Marte.
Aquí os dejo el artículo redactado en el blog Astrométrico por parte de nuestro invitado.
¿Recuerdan? El 30 de julio de 2020 el rover Perseverance y el helicóptero Ingenuity de la misión Mars 2020 pusieron rumbo a Marte. Inicialmente estaba previsto que el lanzamiento tuviese lugar el día 20. Un retraso lo llevó al día 22. Y finalmente, a la tercera fue la vencida. La cuenta atrás llegó a cero y a las 13:50 (todas las horas en horario peninsular español) el Atlas V 541 puso la misión rumbo a Marte. Ahora es el turno del aterrizaje de Perseverance y de su compañero Ingenuity. Será a las 21:55 del 18 de febrero.
El cráter Jezero espera la llegada de sus nuevos inquilinos. Aunque antes de hablar de la maniobra de aterrizaje me gustaría hacerles un brevísimo resumen de los 471 millones de Km de viaje que realizará esta misión desde que salió de la Tierra hasta que tenga lugar la entrada atmosférica marciana. El resumen del tramo final será de lo que les hable aquí y lo encontrarán en el apartado «EDL: Entrada, Descenso y Aterrizaje de Perseverance en Marte».
Hitos del viaje de Perseverance
Los hitos del viaje de Perseverance se pueden dividir en dos partes: maniobras controladas de trayectoria (TCMs) y etapas del viaje:
Maniobras controladas de trayectoria (TCMs)
Existen un total de 7 maniobras controladas de trayectoria que se realizarán a lo largo del viaje, concentrándose cuatro de ellas en los últimos 10 días de vuelo:
14-ago-2020 (TCM-1). Se realiza un ajuste de la trayectoria tras el lanzamiento para reorientar la cápsula directamente hacia Marte.
30-Oct-2020 (TCM-2). Se realiza un nuevo ajuste de la trayectoria para corregir la orientación de la cápsula hacia Marte.
18-Dic-2020 (TCM-3). Reajustes para asegurar que la sonda llega a la atmósfera marciana en el momento y lugar adecuados.
10-Feb-2021 (TCM-4). Ajustes finos en la trayectoria.
16-Feb-2021 (TCM-5). Ajustes finos en la trayectoria.
17-Feb-2021 (TCM-5X). Copia de seguridad del estado de la misión.
18-Feb-2021 (TCM-6). Ocurre nueve horas antes del aterrizaje y es la última oportunidad para modificar parámetros sobre el momento y lugar de entrada atmosférica.
Etapas del viaje
Despegue: Tiene lugar el 30: NASA/JPL-Caltech (Ampliar). de julio a las 13:50.
Crucero: Esta fase comienza cuando han transcurrido 57m 42s del lanzamiento. En ese momento la etapa Centauro del Atlas V 541 le da el empujón definitivo. La órbita de transferencia marciana ya está asegurada.
Aproximación: El 4 de enero de 2021 se inicia esta fase. Faltan 45 días para el aterrizaje. En los últimos momentos de esta etapa es cuando los ingenieros envían los comandos a ejecutar en la EDL (Entry, Descent and Landing).
EDL: Se separa el módulo crucero y la cápsula ya depende de sí misma.
La maniobra EDL finaliza con el aterrizaje de Perseverance en Marte. Es una secuencia de maniobras independientes y me gustaría que apreciasen que se trata de un conjunto. Es una especie de baile donde cada maniobra debe desarrollarse sin errores para que la siguiente comience sin problemas.
La EDL sucede a lo largo de 17 minutos. De ellos, los últimos 6m 50s se les conoce popularmente como los «siete minutos de terror». En la siguiente imagen podrán encontrar un breve esquema del aterrizaje:
A continuación quiero darles una descripción de todos los procesos de la EDL y por último, un pequeño esquema de la maniobra. Así que agárrense…
Separación de la etapa crucero (T -1010 segundos)
La fase EDL comienza cuando faltan 16m 50s minutos para el aterrizaje. Se inicia cuando la cápsula que alberga a Perseverance y al helicóptero Ingenuity se separa de la etapa crucero. La velocidad en ese momento es de unos 17 000 Km/h y se encuentra a unos 1 600 Km de la superficie.
El proceso de aterrizaje se hará mediante una técnica denominada «Guided Entry», la cual proporcionará la precisión necesaria en la maniobra para que Perseverance aterrice dentro de la elipse prevista dentro del cráter Jezero.
Fin de la rotación (T -928 segundos)
Quedan 15m 28s minutos para el aterrizaje. Un sistema de propulsión instalado en la cápsula elimina la rotación que la ha acompañado desde la fase de crucero. Esta rotación tenía el objetivo de evitar el calentamiento solar de una sola zona de la cápsula. Gracias a ello, el calor del Sol se ha repartido de forma homogénea.
Tras esto, la cápsula eyecta dos cargas de balance de masa de 75 Kg cada una. De esta forma se adquiere la orientación precisa para entrar en la atmósfera con seguridad. Una inclinación errónea destrozaría la cápsula porque, a pesar de que la atmósfera de Marte es muy tenue, a esas velocidades la fricción puede destruir la cápsula y su interior.
Entrada atmosférica (T -410 segundos)
Quedan 6m 50s para completar el aterrizaje de Perseverance. La cápsula se encuentra a unos 131 Km de altura y su velocidad es de unos 19 200 Km/h. Aquí comienzan los ya famosos «Siete minutos de terror». La fricción atmosférica va reduciendo la velocidad de la cápsula. La desaceleración es considerable, pero esto tiene un precio…
El precio que hay que pagar es la temperatura que se alcanza en este proceso. Cuando transcurran 75 segundos tras la entrada atmosférica la temperatura es máxima, de unos 1 500º C. El aeroshell debe proteger el interior de la cápsula en todo momento.
El momento de mayor desaceleración no coincide con el momento de mayor temperatura. Tiene lugar cuando pasan 10 segundos desde que se alcanzaron esos 1 500º C. Además, en estos momentos unos retrocohetes de guiado mantienen la cápsula en la orientación adecuada para asegurar la trayectoria correcta.
Con la trayectoria asegurada y la cápsula en la dirección correcta, tiene lugar el SUFR (Straighten Up and Fly Right), donde se desprenden seis cargas de balance de masa. Ahí se obtiene una orientación adecuada para iniciar la siguiente maniobra. En ese momento quedan 3m 03s para el aterrizaje, la cápsula está a 13,74 Km de altura y la velocidad es 1 719 Km/h.
Apertura del paracaídas (T -166 segundos)
Han pasado cuatro minutos desde la entrada atmosférica. Faltan 2m 46s para el aterrizaje. La altura de la cápsula es de unos 11,70 Km. La fricción atmosférica ha reducido la velocidad desde los 19 200 Km/h hasta los 1 521 Km/h. En ese momento tiene lugar la apertura del paracaídas. Es uno de los puntos críticos de la maniobra EDL.
Además, cuando se despliegue el paracaídas tres cámaras grabarán el proceso y por primera vez podremos ver cómo se abre un paracaídas en Marte. El paracaídas es supersónico, mide 21,5 m de diámetro y se abre gracias a una nueva técnica denominada «Range Trigger».
Este nuevo sistema de apertura calculará la distancia de la nave espacial al lugar de aterrizaje y abrirá el paracaídas en el momento exacto para que Perseverance dé en el blanco. Este nuevo sistema hace que el área de aterrizaje sea 10 veces más pequeña que la del rover Curiosity en el cráter Gale en 2012 y 300 veces más pequeña que la del Sojourner en 1997.
Desprendimiento del aeroshell (T -146 segundos)
El paracaídas lleva 20 segundos reduciendo la velocidad de la cápsula. Ha pasado de los 1 521 Km/h a los 584 Km/h. La cápsula se encuentra a unos 9,74 Km de altura. La velocidad se ha reducido lo suficiente como para activar las cargas pirotécnicas que liberen el aeroshell. A partir de aquí, la parte baja del rover entra en contacto con la atmósfera marciana.
Han pasado 60 segundos desde el desprendimiento del aeroshell. Ahora es cuando se activan los instrumentos del TRN (Terrain-Relative Navigation), situados en la parte baja del rover. Ofrecerán datos de altura, posición e imágenes, algo fundamental para la siguiente fase de la maniobra EDL.
Cuando faltan 85 segundos para el aterrizaje, los instrumentos del TRN comienzan a tomar datos. En ese momento la altura de la cápsula es de 4,27 Km y la velocidad es de 322 Km/h.
El paracaídas sigue reduciendo la velocidad de la cápsula. Ahora se encuentra a 2 150 metros de altura sobre la superficie marciana y la velocidad de descenso es de unos 292 Km/h. Queda un minuto para el aterrizaje.
Caída libre (T -60 segundos)
Descendiendo a 294 Km/h y con la cápsula situada a 2 180 m de altura sobre la superficie marciana, una especie de grúa o skycrane donde va anclado Perseverance se separa de la cápsula. ¡El rover entra en caída libre!
Llega el otro momento crítico de la maniobra EDL. Al instante de separarse, un conjunto de 4 pares de retrocohetes entran en ignición para frenar la caída. Además, con los instrumentos que se activaron en la etapa anterior, los retrocohetes podrán dirigir la maniobra para seleccionar el mejor lugar de aterrizaje dentro de la zona prevista.
Descenso y aterrizaje de Perseverance (T -16 segundos)
Los retrocohetes del skycrane estabilizan el descenso. Cuando los sensores del rover detectan que la distancia a la superficie es de 27 metros, unos cables descolgarán el rover haciéndolo descender hasta la superficie. Quedan 16 segundos para aterrizar y la velocidad es de 28 Km/h. Cuando el rover empieza a descolgarse los ejes de las ruedas del rover se desplazan a su posición de trabajo. Perseverance ya está listo para tocar el suelo marciano.
El rover desciende hasta que sus ruedas tocan el suelo de Marte. Lo hace a 2,75 Km/h. Es ahí cuando unas cargas pirotécnicas cortan los cables de descenso del skycrane. Al no tener carga volará en vacío hasta estrellarse en algún lugar de las proximidades.
Y… ¡Touch Down! Perseverance ha aterrizado y está listo para iniciar un proceso de chequeo y envío de señales a la Tierra.
La maniobra automática del aterrizaje de Perseverance
Como ven, el proceso del aterrizaje de Perseverance es complejo: separación de la etapa crucero, reorientación, entrada atmosférica, paracaídas, eyección del aeroshell, caída libre del skycrane y descenso. Sería muy «sencillo» que los ingenieros de misión pulsasen un botoncito cada vez que debiera comenzar una nueva fase del aterrizaje. Pero no.
El día del aterrizaje, Marte estará a 204,30 millones de Km de la Tierra. Esto quiere decir que las comunicaciones, a pesar de que viajan a la velocidad de la luz, tardan en llegar a la Tierra 11m 21s. Imaginen: Perseverance manda su estado, llega a la Tierra y respondemos. En total 22m 42s más el tiempo de respuesta. Y la EDL dura 17 minutos.
Con esto quiero decirles que todos los procesos de la EDL, desde la separación de la fase crucero hasta la explosión de las cargas pirotécnicas que cortan los cables y dan el aterrizaje de Perseverance por finalizado, son procesos automáticos. Estos procesos son enviados por los ingenieros de misión como muy tarde en la TCM-6 y se quedan programados para su ejecución.
Parámetros atmosféricos para optimizar el aterrizaje de Perseverance
Estos procesos se envían teniendo en cuenta los parámetros atmosféricos de Marte para no dejar nada al azar. Todos estos datos deben ser enviados pocas horas antes de que finalice la fase de aproximación y así asegurar que todos los datos son correctos.
Será un proceso automatizado donde los ingenieros nada podrán hacer. Tan solo escuchar la voz de control de misión que irá repitiendo los datos que van llegando de la maniobra comenzando con la separación a las 21:38 aproximadamente.
La EDL vista por la NASA
Imaginen que están en Control de Misión dentro de las instalaciones de JPL. Cuando llegue el «beep» que indique que el aterrizaje de Perseverance se ha completado con éxito, una mezcla gritos, alegría y lágrimas llenará la sala. Eso ocurrirá a las 21:55 aproximadamente. ¿Qué hará la NASA entre las 21:38 que comienza la EDL y las 21:55?
Orbitadores
El orbitador MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) de la NASA podrá seguir la maniobra EDL de Perseverance. Recibirá la telemetría en cadenas de 5 segundos cada 16 segundos. Las antenas de la DSN (Deep Space Network) de la NASA en Goldston (Estados Unidos) y Robledo de Chavela (España) estarán escuchando. Además, el MRO se pondrá en contacto con Perseverance 10 y 15 minutos después del aterrizaje para enviar datos sobre su estado tras el aterrizaje.
El orbitador MAVEN (Mars Atmosphere and Vollatile EvolutioN) también sobrevolará a Perseverance durante el aterrizaje y también recibirá los datos de telemetría. Sin embargo, MAVEN no está preparada para enviar los datos al instante, por lo que los guardará y los retransmitirá a la tierra 10 horas después del aterrizaje de Perseverance.
El rover Perseverance enviará tonos en banda X durante la EDL. Ello permitirá conocer los pasos por los que está pasando la maniobra. También enviará una señal portadora similar a un tono telefónico en UHF (Ultra High Frequency) que servirá como señal de vida, ya que se enviara en todo momento y permite saber si el rover está en perfecto estado. Estas señales son enviadas directamente a la Tierra. En el caso de los tonos en banda X, serán recibidos por la DNS y la señal UHF por el Green Bank Observatory en Alemania.
Además, Perseverance incorpora 19 cámaras, el aeroshell, 3; y otra en la etapa de descenso. Además, una serie de micrófonos también proporcionarán datos durante el aterrizaje de Perseverance. Podremos ver y escuchar cómo fue el descenso. Y esto es algo que nunca se ha hecho.
http://astrometrico.es/2021/01/29/el-aterrizaje-de-perseverance-en-marte-paso-a-paso/
Imagen del podcast : Representación artística de Perseverance en Marte || Créditos: NASA/JPL-Caltech
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