Cómo hacer aterrizar una sonda pesada en Marte (o la historia del sistema de descenso de Curiosity)

El rover Curiosity de la NASA es, con sus 900 kg de masa, la sonda más pesada que ha alcanzado la superficie de Marte. Un logro que ha sido posible gracias al ingenioso sistema de descenso Sky Crane (“grúa celeste”). ¿Pero cómo idearon los ingenieros de la NASA este curiosa técnica?¿Qué otras alternativas existen para hacer aterrizar en el planeta rojo sondas de gran tamaño?

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Prueba del sistema de aterrizaje pallet propuesto a principios de siglo para situar en la superficie de Marte rovers de gran tamaño (NASA).

Como los lectores de este blog saben perfectamente, aterrizar en Marte no es un asunto trivial. El planeta rojo tiene atmósfera, así que debemos usar un escudo térmico si no queremos que nuestra nave se queme en la entrada. Y, ya que estamos, podemos emplear paracaídas para frenar el descenso. Pero, y aquí empieza lo bueno, la atmósfera es demasiado tenue —la presión en la superficie no llega a ser el 1% de la terrestre— para permitir un aterrizaje usando exclusivamente paracaídas. Si solo confiamos en estos sistemas llegaremos a la superficie, sí, pero a unas dos veces la velocidad del sonido. Lógicamente, esto explica que todas las sondas hayan llevado cohetes para la parte final del descenso.

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Rovers de la NASA que han alcanzado Marte (NASA).

La combinación de escudo térmico, paracaídas y cohetes ha sido usada en casi todas las misiones marcianas, pero adaptándose a las particularidades de cada misión. Hasta el desarrollo de Curiosity las sondas marcianas de mayor tamaño habían sido las Viking en los años 70. Con una masa en la superficie marciana de 600 kg, las Viking usaron un escudo térmico de 3,5 metros de diámetro, un paracaídas de 16 metros de diámetro y cohetes para alcanzar una velocidad de aterrizaje inferior a los 9 km/h. Todas las sondas marcianas norteamericanas posteriores —Mars Pathfinder, MER (Spirit y Opportunity) y Phoenix— han sido más pequeñas.

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Escudos térmicos de las sondas marcianas de la NASA (NASA).
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Paracaídas de las sondas marcianas de la NASA (NASA).

Pese a todo, algunas de estas misiones presentaron innovaciones muy curiosas. Por ejemplo, la Pathfinder llamó la atención de todo el mundo por introducir un conjunto de airbags como complemento a los cohetes para amortiguar el descenso final (era la primera vez que se usaba un diseño de estas características en Marte, aunque no en el sistema solar: ya se habían usado airbags para los alunizajes de las sondas soviéticas Luna de la serie Ye-6M en los años 60). Además, estas sondas posteriores a las Viking desplegaron el paracaídas principal a velocidades supersónicas, lo que permitía reducir todavía más la velocidad de descenso (como hemos dicho, la atmósfera de Marte es muy poco densa, así que no es posible que una sonda alcance la velocidad terminal antes de llegar a la superficie).

Las Viking desplegaron el paracaídas a Mach 1,1, mientras que las misiones Pathfinder, MER y Phoenix lo hicieron a Mach 1,57, 1,7 y 1,6, respectivamente. Lógicamente, cuanto mayor sea la velocidad de apertura, más riesgo existe de que el paracaídas no aguante, algo que pudo comprobar de primera mano el equipo de los rovers MER cuando vio con horror cómo el paracaídas se rasgaba durante una prueba en tierra cuando quedaba muy poco para el lanzamiento (por suerte, Spirit y Opportunity aterrizaron perfectamente). Una solución pasa por introducir dos paracaídas, uno supersónico de menor tamaño y otro subsónico más grande, pero a cambio de aumentar la masa total de la sonda (a pesar de todo la sonda ExoMars 2020 usará esta técnica).

Pero toda esta tecnología no era suficiente para Curiosity. Denominada originalmente como MSL (Mars Science Laboratory), la misión era demasiado ambiciosa y pesada para asegurar un descenso seguro usando las técnicas tradicionales. La NASA decidió usar el mismo diseño de escudo térmico que en anteriores misiones (un cono con un ángulo de 70º), pero el diámetro sería de 4,6 metros. Teniendo en cuenta que en la actualidad la cofia de mayor tamaño tiene 5 metros de diámetro, es simplemente imposible construir un escudo térmico rígido más grande que quepa en un cohete. El paracaídas sería mayor, de 20 metros, pero proporcionalmente era similar al de las Viking, aunque en esta ocasión se desplegaría a una velocidad de Mach 2.

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A la derecha, diseño original del rover que finalmente se transformaría en MSL. A la izquierda, los rovers Sojourner (Parhfinder) y MER (Curiosity) (NASA).

Ahora quedaba por diseñar la parte más importante: el sistema de descenso final. El primer impulso de los ingenieros fue crear un sistema similar al de las Viking. El rover iría en la parte superior de un aterrizador dotado de tres patas y estaría dotado de cohetes de frenado. Este sistema tradicional es perfectamente válido para cargas útiles más pequeñas y, sin ir más lejos, es la que empleará la misión rusoeuropea ExoMars 2020. Pero el gran tamaño del rover MSL hacía que esta técnica no fuese la más idónea. La elevada masa del rover situaba el centro de gravedad del conjunto muy arriba, una característica que podía ocasionar que la sonda volcase si aterrizaba en una pendiente. Además, las rampas por las que debía bajar el rover a la superficie serían bastante grandes y con una pendiente relativamente pronunciada para un vehículo de 900 kg (a pesar de que el peso en Marte sería una tercera parte que en la Tierra).

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Evolución del concepto de aterrizaje pallet (NASA).
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El sistema de aterrizaje pallet (NASA).

Como solución, los ingenieros decidieron diseñar una etapa de aterrizaje con un perfil muy bajo dotada de varias patas. De este modo el centro de gravedad estaría lo suficientemente bajo y el rover podría llegar fácilmente a la superficie. También incluía una sección deformable en la base para absorber parte de la fuerza del impacto. Este diseño, conocido como palé (pallet), gozó de bastante popularidad a principios de la primera década del siglo XXI y se planteó seriamente para su uso en la misión Mars Smart Lander, que sería cancelada. Al final el diseño palé fue rechazado para la misión MSL por su baja tolerancia al aterrizaje en pendientes y la dificultad a la hora de colocar un sistema de propulsión adecuado en una etapa tan pequeña.

¿Qué hacer entonces? Los ingenieros sopesaron la posibilidad de seguir por el camino abierto por la misión Pathfinder, es decir, usar airbags. Un conjunto de airbags todavía más complejo y grande que el usado por la Pathfinder podría amortiguar el aterrizaje de un rover de gran tamaño, siempre y cuando se usasen cohetes de mayor potencia y empuje regulable. Las mentes del JPL de la NASA concibieron entonces un sistema en el que los cohetes estarían situados sobre los airbags, como en el caso de la Pathfinder, pero sin necesidad de que permaneciesen unidos al paracaídas. De este modo el rover envuelto en airbags colgaría de la etapa de descenso mediante una cuerda hasta que aterrizase. La ventaja de este sistema es que no era necesario apagar los motores de la etapa de descenso y que tampoco habría que protegerla de los impactos de rocas levantadas por los gases de escape, además de ser compatible con casi todo tipo de pendientes. Como contrapartida, poner en posición horizontal un rover tan grande no sería nada fácil, con el agravante de que algún instrumento podría resultar dañado durante los repetidos botes del aterrizaje.

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Sistema de aterrizaje con airbags que cuelga de una etapa de descenso (NASA).

Por esa misma época otros estudios propusieron situar la etapa propulsiva con patas encima del rover. Así se solucionaba el problema del elevado centro de masas y se facilitaba un acceso simple a la superficie. Sin embargo, en este caso la separación de la etapa planteaba serias dudas. La proximidad de los gases de escape con el suelo durante el aterrizaje también fue objeto de preocupación: las piedras levantadas por los gases podrían golpear el rover dañándolo seriamente. Pero, ¿y si a este sistema se le añadía la etapa propulsiva de la técnica de airbags? De ser así el rover colgaría directamente de la etapa y ya no sería necesario añadir un tren de aterrizaje —las propias ruedas actuarían como tal— ni airbags. El diseño, que pronto se conocería como Sky Crane por motivos obvios, gozaba de las ventajas de ambos mundos. El problema consistía ahora en desarrollar una técnica segura para descolgar el rover hasta la superficie y asegurar una separación limpia de la etapa de descenso.

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Sistemas de aterrizaje con patas. A la derecha, la etapa de descenso está situada sobre el rover (NASA).
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Concepto inicial de Sky Crane (NASA).
Etapa de descenso de Curiosity (NASA).
Etapa de descenso de Curiosity (NASA).
Diseño final de Curiosity con la etapa de descenso usando la técnica Sky Crane (NASA).
Diseño final de Curiosity con la etapa de descenso usando la técnica Sky Crane (NASA).

La técnica de Sky Crane parecía una locura, pero era la única forma de llevar a Curiosity hasta Marte. Como todos sabemos, el sistema funcionó a la perfección y, de hecho, será empleado casi sin modificaciones en la misión Mars 2020. Hasta Japón se está planteando llevar a cabo la misión MELOS con un sistema parecido (mucho más modesto, eso sí). Ahora bien, ¿y si queremos mandar una sonda de mayor tamaño (o a una zona de altitud más elevada)? En este caso ni siquiera el sistema Sky Crane sería suficiente. La única solución, como ya vimos en su momento, es usar retropropulsión supersónica, escudos térmicos de mayor tamaño (desplegables o inflables) o con forma de cuerpo sustentador. La empresa SpaceX planea lanzar en 2018 una nave Red Dragon al planeta rojo que usará, por primera vez, retropropulsión supersónica para llegar a la superficie. Poco a poco tenemos a nuestra disposición nuevas tecnologías para alcanzar Marte.

Curiosity en el cráter Gale (JPL/NASA).
Curiosity en el cráter Gale (JPL/NASA).

Secuencia de descenso de Curiosity filmada por la cámara MARDI:

Referencias:

  • http://spacecraft.ssl.umd.edu/design_lib/ICES01-2138.Mars_09_rover.pdf
  • https://solarsystem.nasa.gov/history/docs/706597main_ConwayErik.pdf
  • http://www.4frontiers.us/dev/assets/Braun_Paper_on_Mars_EDL.pdf
  • http://h2m.exploremars.org/wp-content/uploads/2013/06/Entry-Descent-Landing_Adam-Steltzner.pdf

28 Comentarios

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PabloPablo

Esta vez parece que la NASA pondra varias camaras para capturar todo el proceso de aterrizaje. Me pregunto porque no las pusieron desde el principio. Sera por el peso?

Juan PuebloJuan Pueblo

yo creo que para evitar complicarse con demasiadas cosas, iban a lo que iban,
lo mas importante era poder poner un Rover de casi 1 tonelada en la superficie, mas que montar un montón de cámaras de adicionaban peso y complejidad
para lo próxima misión de algún Rover me imagino incluirán mas cámaras y mejores incluyendo para el descenso

GinésGinés

Space X es la única empresa aeroespacial del mundo con experiencia en retropropulsión supersónica gracias a su tecnología de recuperación de primeras etapas del Falcon 9. Aún así no parece sencillo aterrizar una Dragon V2 (más de 6 toneladas de masa) con retropropulsión supersonica en el planeta rojo. Ojalá que incorporen cámaras para grabar toda la secuencia de frenado y amartizaje ¡sería espectacular!

FilezboyFilezboy

Musk confía en sus motores draco. Lo que me hace dudar, como a ti es dónde piensa meter todo el combustible necesario n la dragon.
Por supuesto que lo grabará, son expertos en lo mediático.

Juan PuebloJuan Pueblo

aterrizar un ‘lander’ y/o ‘rover’ en otro planeta, satélite o asteroide es mucho mas complejo, empezando por la administración de la energía/peso (combustible)

Germán

Curioso: el 1er rover pesaba 25kg, el 2do 175kg, y el 3ro (el Curiosity) 900kg. Si siguiéramos esta secuencia de pesos se supone que el próximo rover debería pesar aprox. 5400kg, lo que se aproxima mucho al peso que Space X puede soportar haciendo retropropulsión supersónica…

Elon, Elon, no das puntada sin hilo hehe.

MarianMarian

Muy buenas, Daniel.

Una cosita, me parece que se ha distraído una coma en la siguiente frase: “Las Viking desplegaron el paracaídas a Mach 1,1, mientras que las misiones Pathfinder, MER y Phoenix lo hicieron a Mach 1,57, 17 y 1,6, respectivamente.”…

¿Mach 17?…

Salu2.

PD.: Como siempre, un post imperial (aunque suene repetitivo).

readheadreadhead

No se menciona que el método lo inventaron los rusos. Y, siempre me he preguntado, ¿los cohetes de frenado no pueden dañar los instrumentos del rover? si está a pocos metros por debajo.

Pedro

Si no recuerdo mal, una piedra impactó contra un instrumento meteorológico español y lo averió. No es exactamente lo que preguntas pero bueno, es cierto que si el rover hubiera estado encima de los motores eso no hubiera pasado 😉

AgüimenseAgüimense

Siempre he pensado, que los rover grandes que se manden a Marte, deberían llevar una misión conjunta con el resto, y consistente en instalar, en los sitios que se considere interesante, una pequeña cámara. Si llevara 4 ó 5 cada rover tendríamos imágenes de Marte durante mucho tiempo. Por ejemplo, un par de cámaras cerca de las escorrentías de salmuera que han descubierto los orbitadores. ¿Se imaginan poder ver y grabar, ésa actividad de cerca?. Saludos.

ZanstelZanstel

Estaba pensando que Mercurio, pese a ser más pequeño que Marte, pero más denso y sin atmósfera, debe ser uno de los lugares más complicados de aterrizar del Sistema Solar.

Retrocohetes hasta la superficie. Una cantidad nada desdeñable de combustible.

Juan PuebloJuan Pueblo

Es mas complicado enviar una sonda a Venus que a Marte, a pesar de que Venus esta mas cerca, eso es por lo del pozo gravitatorio ejercido por el Sol que hace que la sonda en vez de perder velocidad, aumente. Peor si a es a Mercurio, mas calor, mas radiación ademas.

filezboyfilezboy

Frenar en venus es sencillo, su atmósfera es tan densa que apenas hace falta “motor”. El problema son los vientos, las descargas eléctricas, la presión atmosférica ( casi cien atmósferas) y los casi 500 grados de temperatura, que lo conviern en el planeta más cálido, y en un infierno. Pero ahí están los rusos, que posaron las sonda venera.

El problema de mercurio, a demás y de la alta velocidad de entrada, es que no tiene atmósfera, por lo que la única forma de frenar es con motor, y mucho.

CavalieryCavaliery

El video final es real o simulado? Porque si es real es una bestialidad!!!!!!

Stewie GriffinStewie Griffin

Todo lo que va a Marte (superficie) tiene que ser esterilizado. Es cosa cara. Muy cara.

Meter media docena de cámaras (hoy) es barato, y no tiene ninguna complicación. Simplemente es peso muerto que obviamente se puede aprovechar mejor en otras cosas, y ancho de banda que va a chupar con imágenes que como valor científico son chorradas. Pero vamos, a priori entra dentro del margen del dinero que puedo tirar por el váter, porque son RRPP. Como RRPP la cosa sí puede aportar un valor de retorno bastante tangible.

Pero si tengo que esterilizarlas, va a ser que no.

En noviembre hay elecciones. Si todo va sin novedades (y me temo que va a habar por un tubo), todas las probabilidades son para Trump. Puede cancelar esto, mientras da una subvención a la industria (americana) de laca para el pelo (el suyo), decidir que el Ayatollah Il-Wun-Masq y sus fatwas vayan a buscar dinero a la “iniciativa privada” que la administración no teta (lo que implica cerrar el chiringo en el acto, y el ayatollah salir corriendo porque con el tema de las concursales en EEUU son de una bordería que nadie se puede imaginar, con fianzas y todo). Todo va a depender de muchas cosas, pero a partir de este momento no se puede dar nada por seguro ya.

Para mí, el que va a estar seguro es el chino. Los demás, ya veremos.

filezboyfilezboy

El ancho de banda no se reduce por enviar un video,. El BW es un dato característico del enlace de comunicación entre el rover y el satélite que hace de relay, o entre el rover y la DSN si es comm directa. Quizás te refieras a la disponibilidad de enlace, pero eso sólo se resuelve poniendo mas satélites.

Enviar un vídeo de unos cientos de megas o instalar un par de cámaras no va a arruinar ninguna misión científica. Respecto la esterilización no es para tanto ni va a disparar el coste del proyecto. Difundir un vídeo del aterrizaje puede tener muchos réditos no científicos entre la población que no has valorado, crear iilusión e interes por la ciencia y la exploración.

Stewie GriffinStewie Griffin

Hombre, sí se reduce, pero si lo que me quieres decir es que es bastante irrelevante, desde luego que sí. No se van a atorar las comunicaciones por eso, ni de coña (aparte que si fuese el caso, se metería en memoria y se mandaría en otro momento).

A lo que me refiero es a otro tipo de problema. Está fuera de discusión que cuando se manda algo de estas características todo lo que puedan ser problemas técnicos ya se han medido, pesado y previsto. Que salga mal, pues bueno, como todo, puede salir, se puede hacer todo bien y aún salir mal. Eso es así.

El problema es que esto, al menos la NASA, tiene que pasar la aprobación de dos cosas que se llaman “Cámaras de Representates” (Congreso y Senado). La mayoría de los que están ahí, por no decir todos, son analfabetos funcionales en ciencia y tecnología (y en sanidad, sociología, economía, historia, cultura, música, etc.etc.etc.). Por supuesto que tienen asesores, y procuran no meter demasiado la pata no porque eso les importe, sino porque perderían el debate con sus oponentes (eso sí lo saben hacer bien).

Por tanto, todo tiene que tener una justificación. Es fácil justificar un instrumental científico aunque literalmente no sirviera para nada. Pero es más problemático justificar otras cosas. No vas a encontrar a ningún exobiólogo ni a ningún geólogo planetario que te defienda la inclusión de una webcam en un módulo de descenso. Y aunque como ya dije los gastos son bastante ridículos para el montante total, puede salir el paleto de Minnessota diciendo que sin las cámaras ellos pagan una subvención para la industria local de caracoles. Y entonces entramos en un terreno resbaladizo, porque al final los presupuestos son siempre vestir un santo desvistiendo a otro.

A fin de cuentas, los que se dedican a la cría de caracoles le pueden llegar (o no) a votar. Es más complicado que lleve votos por meter la webcam. O quizá sí, pero eso es más difícil de determinar.

Al menos por ahora.

Y evidentemente, diseñar una cámara que resista un viaje semejante y funcione en esas condiciones no deja de reportar beneficios a la industria, si se quieren aprovechar claro está. Aunque tampoco haría falta mandarla a Marte, dicho sea de paso.

filezboyfilezboy

Te vas por las ramas, estamos hablando de grabar un aterrizaje, sin mas, dejate de la cámara de congreso. Si no hay misión porque sale el trump pues nada , no habrá vídeo.
Ancho de banda, hay una explicación muy buena en la wiki, no muy técnica pero te ayudará a entender el concepto.

Stewie GriffinStewie Griffin

¿Tú no has ido nunca a una [reunión de una] comunidad de vecinos, verdad?

La única diferencia es que en la susodicha al menos se navajean por *su* dinero.

suarsuar

hay que estar flipados para creerse esto … de la luna no se puede salir sin una infraestructura de cohete .. la tecnologia de un módulo que levante el vuelo verticalmente NO EXISTE HOY DIA …

FERNANDO GENERALEFERNANDO GENERALE

Es sorprendente como los ingenieros de la NASA experimentan toda las opciones para sus misiones esperemos ver una red dragón en marte antes que termine la decada

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