Fobos-Grunt: historia de una sonda marciana

Si todo marcha según lo previsto, el próximo día 7 de noviembre a las 20:16 UTC despegará desde el cosmódromo de Baikonur la sonda rusa Fobos-Grunt (Фобос-Грунт) con destino a Marte. Aunque se trata de un proyecto mucho más modesto que otras sondas marcianas de la NASA, como por ejemplo el rover MSL Curiosity, esta misión resulta clave para el programa espacial ruso. Por un lado, porque es la primera sonda interplanetaria que lanza Rusia en quince años desde el fracaso de la Mars 96. Y por otra parte, porque la mayor parte de propuestas actuales de sondas rusas hacen uso de tecnologías desarrolladas para esta nave. No es exagerado decir que el futuro del programa planetario ruso depende del éxito de esta misión. Sea como sea, Fobos-Grunt (o Phobos-Grunt, «Fobos-muestra» en ruso) es una misión apasionante, porque si logra cumplir sus objetivos, en agosto de 2014 podremos ver la llegada a la Tierra de una cápsula con 200 gramos de muestras procedentes de la superficie de la mayor luna de Marte.

Sonda Fobos-Grunt (NPO Lavochkin).
Fobos, la mayor luna de Marte (NASA).
Fobos-Grunt servirá de base para otros proyectos de sondas rusas (NPO Lavochkin).

El proyecto Fobos-Grunt nació a mediados de los años 90, justo después del desastre que supuso la pérdida de la Mars 96. Por entonces, la empresa NPO Lávochkin -fabricante de todas las sondas interplanetarias soviéticas y rusas- y el IKI (Instituto de Investigaciones Espaciales de Rusia) se plantearon el reto de crear una nueva familia de naves de nueva tecnología. Fobos-Grunt sería la primera misión rusa que no estaría basada directamente en un diseño soviético, aunque obviamente emplearía elementos creados para las misiones Fobos 88 y Mars 96. El objetivo de la sonda sería Fobos, el mayor satélite de Marte. Pero a diferencia de misiones anteriores, Fobos-Grunt no se limitaría a estudiar esta luna, sino que se posaría en su superficie para recoger entre 400 y 500 gramos de muestras. Posteriormente, el regolito de Fobos se enviaría a la Tierra para ser analizado en detalle. Fobos-Grunt se convertiría así en la quinta misión que obtendría muestras de la superficie de otro mundo, después de las sondas Luna-16, Luna-20, Luna 24 y Hayabusa.

 
Aspecto inicial de la Fobos-Grunt (NPO Lavochkin/Novosti Kosmonavtiki).

En un principio, la nave debía haber despegado mediante un cohete Soyuz-2, lo que hubiese obligado a introducir una novedosa etapa de propulsión iónica para compensar la limitada capacidad de este lanzador. No obstante, ante la imposibilidad de reducir la masa del vehículo, en 2007 se reformó el proyecto y se decidió emplear un cohete Zenit, bastante más capaz que el Soyuz, aunque menos potente que el Protón. El uso del Zenit permitió prescindir de la compleja etapa iónica, aunque se redujo la cantidad de muestras a 200 gramos. Posteriormente, y como fruto de las conversaciones con China, en 2008 se introdujo en el proyecto la minisonda Yinghuo-1 (YH-1 o 萤火一号). La YH-1 viajaría a Marte dentro de una estructura situada entre la etapa propulsiva Fregat y la sonda propiamente dicha. Fobos-Grunt debía haber despegado en 2009, pero su lanzamiento fue retrasado dos años para dar más tiempo al desarrollo del software del sistema de control y la verificación de varias partes de la nave.

Evolución de la sonda Fobos-Grunt. Se aprecia la inclusión de la estructura con la sonda china YH-1 a partir de 2008 (NPO Lavochkin). 
 
Construcción de la Fobos-Grunt (NPO Lavochkin).  

Sonda Fobos-Grunt con la etapa Fregat-SB (abajo) y la sonda china Yinghuo-1 (en medio) (NPO Lavochkin).

Detalle de la estructura de unión entre la Fobos-Grunt y la Fregat en la que se aprecia la sonda china Yinghuo-1 (NPO Lavochkin).

Fobos-Grunt tendrá una masa al lanzamiento de 13500 kg, incluido el combustible y 50 kg de instrumentos científicos. Estará dividida en cuatro partes:

  • Etapa propulsiva (MDU, Маршевая Двигательная Установка): es la encargada de efectuar las maniobras cruciales para abandonar la órbita terrestre y alcanzar la órbita marciana. Su diseño está basado en la etapa superior Fregat-SB y tiene una masa en seco de 735 kg. Es capaz de transportar hasta 7150 kg de combustibles hipergólicos y empleará un motor principal de 19,78 kN de empuje.


Etapa de propulsión Flagman MDU basada en la Fregat-SB (NPO Lavochkin).
  • Módulo de vuelo o Flagman (PM, Перелетный Модуль): es la sección principal de la sonda con los paneles solares, la mayor parte de instrumentos científicos y el tren de aterrizaje. Tiene una masa en seco de 350 kg y podrá transportar hasta 1050 kg de combustible. El motor principal tiene un empuje de 1,53 kN. Para analizar y recoger muestras, la etapa de vuelo PM va dotada de un brazo robot (GZU) y un sistema de transporte de muestras hasta la cápsula (GPU).

El módulo PM (NPO Lavochkin/Roskosmos).
Tanques de combustible y sistema de propulsión del PM (NPO Lavochkin).


Tren de aterrizaje (NPO Lavochkin).
  • Etapa de regreso (VA, Возвращаемый Аппарат): con una masa de 139 kg al vacío más 135 kg de combustible, será la encargada de despegar desde la superficie de Fobos con la cápsula de muestras. El motor principal tiene un empuje de 124,6 N y está dotada de paneles solares con una superficie de 1,4 metros cuadrados.
Módulo VA (NPO Lavochkin/Roskosmos).
  • Cápsula (SA, Спускаемый Аппарат): tiene una masa de 7 kg y un volumen de 100 centímetros cúbicos. La cápsula incluye el experimento LIFE con microbios terrestres «desactivados» para estudiar los efectos de la radiación sobre la vida en el medio interplanetario.

Cápsula de la Fobos-Grunt (NPO Lavochkin).

Detalles del experimento LIFE de la Planetary Society que viajará en la cápsula de muestras y regresará a la Tierra (NPO Lavochkin).
 
 
Partes de la sonda (NPO Lavochkin/Roskosmos). 

Satélite chino Yinghuo-1 (IKI/Roskosmos).

Sistema de transporte de las muestras hasta la cápsula (NPO Lavochkin).
Brazo robot de la sonda (NPO Lavochkin).

Fobos-Grunt despegará desde la rampa PU-1 del Área 45 del cosmódromo de Baikonur mediante un Zenit-2FG y se situará en una órbita baja con una inclinación de 51,4º. Durante 2,5 horas (1,7 vueltas a nuestro planeta), la sonda seguirá una trayectoria pasiva. El primer encendido de la etapa MDU elevará el apogeo de la órbita hasta los 4520 km, mientras que el perigeo permanecerá en los 237 km. Tras la separación del depósito de combustible adicional de la etapa propulsiva, el vehículo completará una órbita entera antes de volver a encender el motor principal para alcanzar la velocidad de escape rumbo a Marte. Dependiendo de la fecha precisa del lanzamiento, el vuelo hasta el planeta rojo tendrá una duración de 302-310 días. Durante esta fase, la sonda realizará varias maniobras de corrección y se comunicará con la Tierra mediante las estaciones rusas de espacio profundo Ussuriysk y Medvezhi Ozyora. La primera corrección se efectuará entre los 5 y los 10 primeros días de vuelo y tendrá una Delta-V estimada de unos 85 m/s. La segunda corrección tendrá lugar 65 días después del lanzamiento, con una Delta-V de 10 m/s. La tercera y última corrección se llevará a cabo dos o cuatro semanas antes de llegar a Marte y tendrá una Delta-V de 35 m/s. Al alcanzar el planeta rojo, el error en la trayectoria no debe superar los 400 km en el periastro.

Configuración de lanzamiento y órbita inicial de Fobos-Grunt (NPO Lavochkin).
Trayectoria de vuelo hacia Marte (NPO Lavochkin).
Tras la inserción en órbita de Marte, la etapa propulsiva MDU y la sonda china Yinghuo-1 se separará de la sonda (NPO Lavochkin).

En verano de 2012 (entre el 25 de agosto y el 26 de septiembre), la sonda sobrevolará Marte a una distancia mínima de 400-1200 km con una inclinación de 20º-36º y una velocidad de 2,8 km/s. El motor de la etapa MDU se encenderá durante 2,2 minutos para situar la Fobos-Grunt en una órbita inicial altamente excéntrica con un periastro de 400-800 km, un apoastro de 79000 km y un periodo de tres días. La Delta-V de esta maniobra crucial alcanzará los 945 m/s. Tras realizar una o dos correcciones orbitales menores, la etapa MDU se separará de la nave 10-15 después de la inserción orbital. Poco después se desplegará la sonda china Yinghuo-1 de tal forma que su periastro no supere los 1000 km.

En diciembre de 2012, la sonda usará el motor de la etapa PM para elevar su periastro hasta los 9910 km y cambiar la inclinación de tal forma que coincida con el plano orbital de Fobos. Para ello, el motor de la Fobos-Grunt deberá funcionar durante 4,8 minutos. Durante este encendido, la Delta-V alcanzada será de 220 m/s. Posteriormente se procederá a situar la nave en una órbita circular de 9910 km -unos 535 km por encima de la órbita de Fobos- con un periodo de 8,3 horas gracias a un encendido de 12,3 minutos y una Delta-V de 705 m/s.

Desde esta órbita de observación, la sonda efectuará el seguimiento de Fobos y realizará las correcciones orbitales necesarias para preparar el encuentro con el satélite entre enero y febrero de 2013. De este modo, la distancia mínima entre la sonda y Fobos será de 50-130 km. El acercamiento final se llevará a cabo mediante dos encendidos de 45 y 20 m/s en un periodo de dos días, aunque se cree que serán necesarias algunas correcciones adicionales con una Delta-V de 1-2 m/s. Finalmente, la sonda quedará situada en una órbita de 300-350 km sobre Fobos.

Maniobras para situarse cerca de la órbita de Fobos (NPO Lavochkin).

El aterrizaje en Fobos está planeado para febrero de 2013, aunque el descenso hacia la superficie será una maniobra muy complicada. Debido a las irregularidades del campo gravitatorio de Fobos y a la lejanía de la Tierra, la sonda deberá efectuar esta fase de forma completamente autónoma usando los datos proporcionados por un radar Doppler y un altímetro láser. Durante el descenso, el ángulo entre la nave, Fobos y el Sol deberá ser de 20º-70º, mientras que la velocidad de aterrizaje será de 1,5-2 m/s. Tras analizar la superficie de la luna, la sonda comenzará a recoger los 200 gramos de muestras para guardarlas en la pequeña cápsula de la etapa superior.

Sitios de aterrizaje propuestos para Fobos-Grunt (Roskosmos).

Aterrizaje desde la QSO: se realizarán dos encendidos antes de comenzar el descenso vertical (IKI/Roskosmos).

La ventana de lanzamiento para el retorno de muestras a la Tierra se mantendrá desde el 3 al 23 de septiembre de 2013. El viaje de retorno tendrá una duración de 11-11,5 meses, estimándose que la llegada a la Tierra de la cápsula con muestras tendrá lugar entre el 15 y el 18 de agosto de 2014. Para ello, la etapa superior deberá realizar una serie de maniobras muy similares a las efectuadas en la etapa inicial de la misión, pero al revés. En total, la etapa superior con las muestras tendrá que llevar a cabo 15 encendidos de su motor para poder dirigirse a la Tierra. La primera maniobra, el despegue desde Fobos, está previsto que tenga lugar entre abril y agosto de 2013. Primero, la etapa superior se separará del PM y ascenderá con una velocidad de 1 m/s para no dañar al resto de la sonda. 50-60 segundos más tarde, encenderá de nuevo su motor durante 16 segundos para alejarse de Fobos a 10 m/s. Unos mil segundos después, la etapa superior se encontrará a 10 km de Fobos y procederá a orientarse con el Sol, momento en el que encenderá su motor durante 32 segundos para aumentar la velocidad a 20 m/s, situándose así en la primera órbita intermedia para regresar a casa.

Maniobras para retorno a la Tierra (NPO Lavochkin).

Si todo va bien, la cápsula reentrará en la atmósfera terrestre a 12,1 km/s y con un ángulo de ataque de 33º-45º. Para reducir la masa de la nave, la cápsula no va equipada con ningún sistema de paracaídas, por lo que se estrellará contra el suelo en Sary-Shagan, Kazajistán (46º 15′ N, 72º 10′ E), con una velocidad terminal de descenso cercana a los 70 m/s. La zona de caída tendrá forma elíptica con un semieje mayor de unos 30 km como máximo.

Sin duda, y debido a su complejidad, la fase de retorno es la más delicada de toda la misión y las probabilidades de que algo vaya mal son bastante elevadas. De todas formas, la agencia espacial rusa y el IKI consideran que la misión podrá considerarse un éxito total si logra posarse en Fobos. 

Ciertamente, Fobos-Grunt es una misión realmente arriesgada, pero está claro que desvelar los secretos que guarda la mayor luna de Marte es un desafío que merece la pena. Buena suerte, viajero. 

Apéndice: los instrumentos científicos de Fobos-Grunt.









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28 Comentarios

  1. Más que Phobos-Grunt habría que llamarla Misión Imposible, ¡¡¡buff!!!

    A ver si hay suerte…

    ¿Para cuándo la Mars-Grunt? La delta-v seguro que es bastante mayor, pero no creo que sea tan compleja como ésta.

  2. Sin duda es una misión científica de primera magnitud. Estoy deseando conocer los resultados.

    Parece increible que, con una gravedad de aproximadamente 1/1000 con relación a la terrestre, exista tal grado de complejidad. Con una gravedad tan debil, lo dificil debe ser acertar y no salirte. (Igualar al maximo las velocidades).Por lo cerca que orbita marte, pensaba que tendría siempre orientada la misma cara al planeta.

  3. Mis mejores deseos para una de las sondas mas arriesgada de todos los tiempos – Hayabusa se quedara corta y ojala corra con mejor suerte (le doy un 3/10 de que regrese con muestras – un 6/10 de que se pose en marte – y un 1/10 de que la sonda china funcione)

  4. Hola

    Fobos-Grunt representa el intento de volver por la puerta grande para la Agencia Espacial Rusa. Se juega su credibilidad en este capítulo de la exploración espacial y lo intentan con un hito importante, conseguir traer a la Tierra material recogido en la Luna de Marte Fobos.

    Sí lo consiguen serán portada de los medios de todo el planeta y la repercusión que esto supone es, probablemente, una de las metas de éste tipo de misiones.

    Hasta luego

  5. Este tipo de misiones jugadas demuestra que hay gente que se anima a cosas que pueden salir tanto bien como mal. NASA (sigo enojado por sus programas suspendidos) podría haberlo hecho, en todos estos años pero tal vez estaban desarrollando el stellar-photoshop 2, el programa con el que hacen las infografias de sus nuevas naves y cohetes. disculpen la ironía pero me gusta la gente que manda globos a otros mundos, sondas resistentes a Venus, que trae muestras de la Luna y que luego de que la superpotencia que eran se derrumba lo intentan con todo y no con un simple orbitador.

  6. En una cosa coincidimos todos, esto es demasiado complicado. Entre la Curiosity y la Fobos Grunt (dos misiones muy arriesgadas) parece que tendremos muchas noticias y descubrimientos muy interesantes de Marte y sus lunas en los próximos años(si todo sale bien).
    Una cosa que nadie nota, es que China llegara a Marte por primera vez, es algo de elogiar.
    Si tienen éxito y mucho mas dinero seguramente intentaran en algún momento traer muestras de Marte (tienen la capacidad).

  7. Здравствуйте, Даниэль!
    Вы пишите, что Fobos-Grunt по-русски – это Fobos-muestra.Если я правильно понял, то «muestra» переводится как «образец». Но по-русски он называется Фобос-Грунт, а «грунт» и «образец» – слова имеющие разное значение.
    Грунт – это порода или почва (рыхлая).
    P.S. Фобос-Грунт запустят на РН Зенит-2SLБ, а не на Зенит-2ФГ (такой модификации нет!).
    P.P.S. А в целом статья хорошая.

    С уважением,
    Олег

  8. Esperemos que hayan refinado sus técnicas.. los desastres de la Mars-96, Fobos-1 y 2 y los Marte (7 con escasa o nula eficacia )deberian ser cosas de un pasado diriamos.. «gañán » en la exploración de Marte por esta gente…

  9. Que pasa no veo las imágenes de la web desde hace dos días ??? mi navegador predeterminado es el Mozilla ultima versión pero no he tocado en la configuración del programa.

    Me gustaría saber si es debido a un cambio en origen ??

    saludos jorge m.g.

  10. Una misión muy arriesgada demasiado para mi gusto tan solo con decir que ya lo considerarian un exito total el aterrizaje en Fobos lo dice todo. Soy muy pesimista con los programas Rusos, Rusia tiene muy mala fama en Marte y las galletas que se han llevado alli han sido historicas, sinceramente les deseo mucha suerte pero las probabilidades de exito són escasas, vamos que confio muy poco en ellos.

  11. Олег: Здравствуйте!

    Я знаю, но разрешите представиться Зенит-2ФГ 😉 >

    http://www.federalspace.ru/main.php?id=2&nid=18054

    Вы правы muestra – это образец. Тем не менее, хотя muestra не явлается точный перевод «грунта» по испански, дело в том, что я предпочитаю это слово.

    Jorge: pues no sé, puede ser cosas de Blogger. ¿Has probado a borrar las cookies del navegador?

    Saludos.

  12. Una mision muy interesante y muy compleja, como dices aqui se juega el futuro de las sondas interplanetarias rusas, esperemos que le salga bien, aunque como todos pienso que tambien es muy posible que en alguna de sus etapas termine fallando. Lo mas probable es que si salga de la tierra e incluso llegue a la orbita marciana, pero ya que se pose en phobos va a ser muy dificil, mas aun en el escape de phobos las posibilidades de exito se reducen, y todavia mas se reducen drasticamente con eso de que la entrada a la atmosfera terrestre va aser sin paracaidas :S , asi que como dices por lo menos deberiamos considerar un exito el que por lo menos llegue a posarse en phobos, pero vamos, no hay que perder la esperanza 😀

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 16 octubre, 2011
Categoría(s): ✓ Astronáutica • Marte • Phobos-Grunt • Rusia • sondasesp