Así será el descenso de Curiosity en Marte

Por Daniel Marín, el 3 agosto, 2012. Categoría(s): Astronáutica • Curiosity • Marte • MSL • NASA • sondasesp ✎ 50

Marte, 6 de agosto de 2012. Un meteoro cruza el cielo dejando atrás una brillante y larga estela. Pero no es un meteoro cualquiera. Se trata de una estrella fugaz artificial creada por la especie humana, en realidad la sonda espacial más grande y compleja jamás enviada a la superficie de Marte. Su nombre, MSL (Mars Science Laboratory), más conocida como Curiosity. Su objetivo, determinar las condiciones de habitabilidad presentes y pasadas del planeta rojo.

No es la primera sonda espacial que hemos  lanzado para explorar el planeta vecino. De hecho, es el artefacto espacial número cuarenta con destino hacia Marte. La mayoría de ellos no lo consiguieron. Porque poner un artefacto espacial sobre Marte es realmente difícil. El mayor éxito de la NASA durante estas últimas décadas ha sido hacer creer que situar una nave sobre el planeta rojo es algo sencillo, pero no lo es. Pero la fase de Descenso, Entrada y Aterrizaje (o EDL, Entry, Descent and Landing) es la más crítica de la misión. Por algo lo llaman los ‘siete minutos de terror’.

Curiosity está a punto de llegar a su destino, pero no va a ser fácil (NASA).

El MSL -Curiosity es solamente el nombre del rover- ha necesitado 254 días para recorrer 567 millones de kilómetros siguiendo una órbita de transferencia Hohmann desde la Tierra hasta el planeta rojo. Fue lanzada el 26 de noviembre de 2011 desde Cabo Cañaveral mediante un cohete Atlas V 541, un día más tarde de lo esperado. La ventana de lanzamiento se abría el 25 de noviembre, pero fue necesario cambiar una batería del sistema de autodestrucción del cohete. Este sistema consiste en pequeñas cargas explosivas situadas en varias zonas del lanzador destinadas a destruirlo en caso de que se salga de la trayectoria prevista. Por suerte no fue necesario que entrase en acción.

Pero Curiosity no se ha pasado estos ocho meses holgazaneando por el espacio girando dos veces por minuto. El 11 de enero y el 26 de marzo la etapa de crucero encendió sus motores para realizar un cambio de velocidad (Delta-V) de 5,5 m/s y 0,9 m/s respectivamente con el fin de situarse en una ruta hacia Marte. Y es que MSL partió de la Tierra en una trayectoria que la habría llevado a sobrevolar Marte a 5000 kilómetros de distancia. De esta manera, la NASA se aseguraba de que la etapa Centaur que impartió la velocidad de escape a MSL no chocase contra Marte. A diferencia de MSL, la Centaur no había sido descontaminada de microorganismos terrestres. La tercera maniobra de corrección de la trayectoria (TCM-3) tuvo lugar el 26 de junio y permitió reducir la elipse de aterrizaje de forma significativa (6,4 x 19,3 kilómetros) tras cuarenta segundos de funcionamiento de los motores. El 28 de julio MSL volvió a encender los impulsores durante seis segundos con una Delta-V de tan sólo 1,6 km/h, para así desplazar el punto de entrada en la atmósfera marciana de la sonda unos 21 kilómetros. Las maniobras TCM-5 y TCM-6 fueron canceladas al considerarse no necesarias. Los últimos 45 días antes de la llegada a Marte constituyen la Etapa de Aproximación, aunque es durante los cinco días antes del aterrizaje cuando algunos sistemas de la nave comienzan a activarse y calentarse. Además, los dos ordenadores de la sonda pasan a ejecutar el software de la etapa EDL. Para efectuar estas maniobras TCM, la etapa de crucero incluye ocho propulsores de hidrazina de 5 N de empuje cada uno. Durante esta fase, las comunicaciones con la nave se llevan a cabo a través de una antena de baja ganancia en la banda X (7-8 GHz) situada en las líneas del paracaídas, localizado en la parte superior de la cápsula de entrada, y otra de media ganancia situada en la etapa de crucero.

Trayectoria de Curiosity hacia Marte con las maniobras de corrección (NASA).

EDL, los siete minutos de terror

El día del aterrizaje, el tiempo que tardarán las señales de la MSL en recorrer los 248 millones de kilómetros que existen actualmente entre Marte y la Tierra será de 13,8 minutos. Sin embargo, la fase EDL durará solamente unos siete minutos. Eso significa que cuando recibamos la confirmación de que MSL ha entrado en la atmósfera marciana, en realidad la maniobra de descenso ya habrá finalizado y Curiosity estará en el fondo del cráter Gale (esperemos que de una pieza).

EDL de MSL (NASA).

Durante esta fase, MSL debe frenar de 5,9 km/s a cero usando un escudo térmico, un paracaídas y motores cohete, todo ello dirigido de forma autónoma por el ordenador de la sonda y sin posibilidad de intervención humana. La nave pasará por seis configuraciones de vuelo distintas y se activarán un total de 76 dispositivos pirotécnicos para poder situar a Curiosity en el fondo del cráter Gale de forma segura. Con 900 kg, Curiosity será la nave más grande y masiva que se haya posado nunca en Marte, lo que ha obligado a introducir la novedosa manobra de descenso sky crane. Sin duda, la mayor innovación y la mayor fuente de preocupación durante el descenso.

Configuración de crucero interplanetario de MSL (NASA).



Partes de MSL (NASA).

Tras el accidente de la Mars Polar Lander, que en 1999 se estrelló en el polo sur de Marte sin dejar rastro, la NASA no quiere que una misión tan compleja y cara (2500 millones de dólares) se interne sola en lo desconocido. Por este motivo nada más y nada menos que tres sondas espaciales estarán escuchando las señales de MSL para retransmitirlas a la Tierra. Estas sondas son la Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), Mars Odyssey y la europea Mars Express. MSL enviará su telemetría en banda X hacia la Tierra usando la antena del paracaídas, pero se perderá esta señal cuando se encuentre bajo el horizonte vista desde nuestro planeta, lo que ocurrirá tras la apertura del paracaídas. Mars Odyssey retransmitirá la telemetría de la MSL directamente –‘bent pipe‘- emitida en UHF (400 MHz) a una velocidad de 8 kbps. Para ello, MSL dispone de tres antenas UHF: una situada en el paracaídas, otra en la etapa de descenso y una última en el rover.

La Mars Odyssey será además la encargada de enviar las imágenes y datos de los diez experimentos de Curiosity una vez el rover esté en la superficie. La MRO permite unas tasas de transmisión de datos más elevadas, pero no puede transmitir en tiempo real como la Mars Odyssey. La MRO grabará la telemetría de MSL y la transmitirá a la Tierra unas cuatro horas después del aterrizaje. La sonda Mars Express también grabará la telemetría UHF y podrá enviar sus datos 83 minutos después del aterrizaje. Por otro lado, la MRO intentará fotografiar a MSL mientras desciende a través de la atmósfera marciana con el paracaídas abierto, una hazaña que ya llevó a cabo durante el descenso de la sonda Phoenix.

Mars Odyssey retransmitirá los datos de MSL en la superficie (‘bent pipe’) (NASA).

La etapa EDL comienza oficialmente cuando MSL alcance la parte superior de la atmósfera marciana. ¿Y cuándo ocurre eso? Pues no hay un momento ni una altura precisos, pero para esta misión se ha decidido que la hora cero sea cuando la sonda llegue a los 131,1 kilómetros de altura de superficie. En ese momento, MSL deberá recorrer aún otros 630 kilómetros de distancia en horizontal hasta llegar al cráter Gale. Diez minutos antes del inicio de la EDL, MSL se desprenderá de su etapa de crucero de 539 kg, que se quemará en la atmósfera marciana. Ahora MSL está formada por la cápsula atmosférica, el aeroshell, constituida por el escudo térmico (heat shield) y el escudo trasero (backshell). Un minuto después de la separación de la etapa de crucero, ocho propulsores de hidrazina del backshell frenarán la rotación de la cápsula de dos vueltas por minutos -destinadas a estabilizar el vehículo- y lo orientarán de tal forma que el escudo térmico esté situado por delante -lo que es una muy buena idea-, formando un ángulo de unos 18º.

MSL se dirige a Marte tras soltar la etapa de crucero (NASA).


Dimensiones del aeroshell y situación de los propulsores (NASA).

Etapa de crucero de MSL (NASA).



Detalles de la cápsula atmosférica: 1: Escudo térmico, 2: Escudo trasero, 3: lastres de tungsteno (tres unidades), 4: Sistema de control de actitud (4 motores) , 5: Escotilla de entrada (dos), 6: Escotilla para introducir el MMRTG en la rampa, 7: Puntos de unión del escudo térmico, 8: Compartimento del paracaídas, 9: Unión de los escudos, 10: Lastres de tungsteno (6 unidades), 11: cubierta de las antenas. (NASA). 


Trayectoria de entrada de MSL (NASA).

Con un diámetro de 4,5 metros, MSL es ahora la cápsula más grande jamás enviada a Marte. Algo necesario si tenemos en cuenta que Curiosity tiene el tamaño de un Mini Cooper. Por primera vez en la historia, no se limitará a realizar un descenso balístico, sino que maniobrará en la fina atmósfera marciana como las cápsulas Apolo y Soyuz para lograr así una pequeña elipse de aterrizaje que quepa dentro del cráter Gale. Para ello aprovechará la pequeña sustentación generada por un centro de masas desplazado con el fin de llevar a cabo maniobras hipersónicas en forma de ‘S’ denominadas bank reversals. Además, la cápsula podrá cambiar el ángulo de ataque -y con él la sustentación- para controlar la distancia horizontal recorrida. Las maniobras comenzarán cuando la aceleración medida alcance los 0,1 g. Para MSL, la proporción sustentación/resistencia puede alcanzar 0,24 a Mach 24. De este modo los ordenadores de abordo podrán compensar los errores de navegación debidos a las condiciones cambiantes del viento y la densidad de la atmósfera. Pero claro, primero es necesario situar el centro de masas fuera del eje de simetría de la nave, para lo cual antes de la entrada MSL suelta dos lastres de tungsteno de 75 kg cada uno situados en el backshell. Las sondas Viking también generaban sustentación (con una relación L/D de 0,18 a Mach 24), pero ésta no se usó para maniobrar la nave hacia la zona de aterrizaje.

Curiosity tiene el tamaño de un coche Mini Cooper. De hecho, un Mini cabe en el backshell de MSL (NASA).


Comparativa entre las cápsulas de otras misiones marcianas y MSL (NASA).

Comparación entre el perfil de entrada de MSL y el de la sonda Phoenix (balístico) (NASA).


Generación de sustentación mediante cambio del centro de gravedad (NASA).

Durante la entrada atmosférica la MSL usa el conjunto de instrumentos MEDLI (MSL EDL Instrument Suite) formado por varios sensores para medir la temperatura del escudo térmico y las propiedades de la atmósfera marciana. MEDLI incluye siete sensores MISP (MEDLI Integrated Sensor Plugs) y siete sensores MEADS (Mars Atmospheric Data System). MISP es una serie de termopares insertados en el escudo térmico a diferentes profundidades para medir temperaturas, mientras que los MEADS son sensores de presión localizados en la parte interior del escudo. Los sensores MEADS de los MEDLI sirven para medir la presión exterior y ayudan a activar la secuencia de separación de despliegue del paracaídas y la separación del escudo térmico. MEDLI se activa diez minutos antes de la entrada y graba los datos unas 8 veces por segundo.



Instrumentos MEDLI (NASA).

Disposición de los sensores MEDLI en el escudo térmico (NASA).

Un minuto y 25 segundos después del comienzo de la entrada tiene lugar el máximo calentamiento del escudo térmico, que alcanza los 2100º C. Para proteger la nave de estas temperaturas infernales, el escudo térmico de MSL está formado por 113 losetas de 3,2 centímetros de espesor hechas de PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) y capaces de soportar 197 W por centímetro cuadrado. PICA es un material ablativo desarrollado por la NASA y que ha sido empleado en varias misiones espaciales, como es el caso de la sonda Stardust o la nave Orión. Es la primera vez que la NASA utiliza un escudo térmico de ablación formado por losetas, motivo por el cual éstas han sido fabricadas en 27 formas distintas. Por su parte, el backshell usa el material de protección térmica SLA-561V.

Distribución de 133 losetas PICA del escudo del MSL (NASA).

Once segundos después de sufrir el máximo calentamiento, MSL pasará por la máxima aceleración durante el descenso. Dependiendo de la trayectoria final, la aceleración alcanzará unos 10-11 g (quizá hasta 13 g), aunque la sonda está diseñada para soportar 15 g sin problemas. Cuatro minutos y cinco segundos después del inicio de la entrada atmosférica, MSL desplegará su paracaídas, el mayor que haya visto el planeta rojo, mediante un mortero a 11 kilómetros de altura y mientras la sonda cae a unos 1450 km/h. Efectivamente, con un diámetro efectivo de 16 metros (19,7 metros sin contar el pandeo de la bóveda), el paracaídas de MSL supera al del Viking, con 11 metros de diámetro efectivo (16,5 metros reales). Antes del despliegue de este paracaídas, el centro de gravedad de MSL volverá al eje de la cápsula tras soltar otros seis lastres de tungsteno de 25 kg cada uno, lo que también permite reducir el ángulo de ataque de 20º a 0º. La apertura del paracaídas se produce cuando los sensores situados en la cápsula detectan que la presión atmosférica sobre el escudo ha disminuido hasta los 570 pascales, lo que corresponde con una velocidad de Mach 2,05 (como comparación, el paracaídas de los MER se abrió a Mach 2,18 y a 763 Pa de presión). El tiempo de apertura del paracaídas puede variar entre diez o veinte segundos dependiendo de las condiciones atmosféricas, pero si se despliega antes de tiempo, se romperá. Si lo hace después, la nave se estrellará. Este enorme paracaídas posee un diseño DGB (Disk-Gap Band) muy parecido al empleado en el resto de sondas marcianas de la NASA y es capaz de aguantar una fuerza de 289 kN.

Paracaídas de MSL (NASA).

Paracaídas de anteriores misiones a Marte: Viking, Mars Pathfinder y MER (NASA).



Detalle de la fase de descenso (NASA).

Eyección de los seis lastres de tungsteno (NASA).

Desde el inicio de la entrada atmosférica al aterrizaje pueden pasar unos siete minutos, o mejor dicho, 416 segundos para ser exactos. Pero en función del tiempo que la sonda pase colgando del paracaídas (un periodo de 55 a 170 segundos) la duración total de la etapa EDL puede variar entre los 380 y los 460 segundos en un escenario nominal.

Cuatro minutos y 34 segundos después de la entrada se separa el escudo térmico, a 7 kilómetros de altura y unos 857 km/h, a Mach 0,8 o inferior. Ahora es cuando las cosas se ponen interesantes de verdad. Ocho segundos después se activará el radar del vehículo, situado en la etapa de descenso. Hasta ese momento MSL se ha guiado ‘a ciegas’ con respecto al suelo usando su sistema de navegación inercial IMU (Inertial Measurement Unit), pero necesita los datos reales de altura y velocidad proporcionados por el radar para llevar a cabo un descenso con éxito. Si el radar no funciona, la misión está condenada, ya que los errores de navegación inercial pueden alcanzar los 50 metros en vertical. El radar Doppler, denominado Radar Terminal Descent Sensor, incluye seis antenas, cada una con haces independientes. Tres haces están inclinados 20º con respecto a la vertical, mientras que otros dos están inclinados 50º. Un último haz apunta directamente al suelo. Todos las antenas emplean pulsos en banda Ka (35,75 GHz). Es la primera vez que un radar con este diseño se utiliza en Marte, otra de las novedades de la sonda. Tres segundos después de activarse el radar, la cámara del instrumento MARDI (Mars Descent Imager), situada en la parte inferior del rover, comenzará a grabar un vídeo a todo color del descenso a base de cuatro imágenes por segundo. Cada imagen tendrá 1200 x 1600 píxels y será almacenada en la memoria de 8 GB del instrumento. Durante los primeros días después del aterrizaje se transmitirán algunas imágenes de MARDI, pero no podremos disfrutar del vídeo completo hasta varias semanas -o incluso meses- después. No es la primera vez que una nave usa un sistema similar. De hecho, la sonda Phoenix iba equipada con el mismo instrumento MARDI, pero se decidió no activarlo por problemas técnicos.

Separación del escudo térmico (NASA).

La etapa de descenso y las antenas radar del TDS (NASA).

Detalle de las antenas TDS del radar (NASA).

La sonda frena su velocidad poco a poco gracias al paracaídas, pero la tenue atmósfera marciana no permite un descenso en la superficie solamente con este sistema. Hay que usar cohetes, y MSL lo hará de una forma totalmente diferente al resto de misiones anteriores. Ha llegado el momento clave. Cuando la nave viaje a una velocidad de 432 km/h y esté a una altura de 1,6 kilómetros, el backshell con el paracaídas se separará y Curiosity junto con la etapa de descenso -denominadas ahora como Powered Descent Vehicle (PDV)- caerán libremente durante 0,8 segundos. Entonces dará comienzo la fase de descenso propulsiva gracias a ocho motores de hidrazina situados en la etapa de descenso. Los motores se denominan MLE (Mars Lander Engines) y son los primeros usados en Marte que tienen un empuje regulable. Cada uno puede generar un máximo de 3300 N de empuje y un mínimo de 400 N, alimentados por 387 kg de hidrazina (para ser precisos es monometilhidrazina, MMH) almacenados en tres tanques distintos. La presurización se logra mediante tres tanques de helio. El diseño de los MLE se basa en los cohetes empleados durante las misiones Vking. De hecho, los MLE son casi similares a los MR-80 de los Viking, salvo por una nueva válvula y el hecho de que los MR-80 tenían 18 toberas en vez de una. Los MLE se calientan durante 0,2 segundos al inicio de la fase propulsiva con un empuje de 20% antes de alcanzar el máximo de potencia, aunque se activan diez segundos antes de la separación del backshell.

Estructura de la etapa de descenso (NASA).

Fase final de descenso (NASA).

Imagen del PDV, el rover más la etapa de descenso (NASA).

Motor MLE (NASA).

El motor MLE comparado con el MR-80 de las Viking (NASA).


Detalle de la etapa de descenso unida a Curiosity: 1: Radar Doppler TDS,  2: Motores Principales MLE (8 unidades), 3: Sistema de control de actitud (8 unidades) , 4: Antena UHF, 5: rover (NASA).


Una vez libre, la sonda realiza una brusca maniobra hacia un lado para desviarse 300 metros de la trayectoria del backshell con el paracaídas y evitar una posible colisión. Poco después, los ocho motores MLE se encargan de eliminar la velocidad horizontal y alcanzan una velocidad vertical de 115 km/h. A partir de ese momento la nave frena la velocidad de descenso hasta alcanzar los 2,7 km/h, velocidad que el ordenador de la nave mantendrá hasta el contacto con el suelo. El descenso totalmente vertical permite que el radar funcione en condiciones óptimas. Pero a medida que la sonda quema las reservas de hidrazina, su peso disminuye, por lo que los motores se ven obligados a funcionar progresivamente con un empuje menor para evitar que el vehículo ascienda en vez de dirigirse hacia el suelo. Puesto que el rendimiento de los motores a bajo empuje es francamente malo, llegados a cierta altura cuatro de los ocho MLE se apagan. Los cuatro MLE que siguen funcionando tienen las toberas orientadas hacia el exterior con un ángulo más acusado que el resto para evitar que los gases de escape dañen el rover.

Con MSL descendiendo a una velocidad vertical constante, a 19 metros de altura dará comienzo la maniobra sky crane, la madre de todos los dolores de cabeza de los ingenieros de la misión. Esta fase crítica durará solamente 12 segundos, pero no es exagerado decir que es aquí donde la misión se juega el todo por el todo. El rover será entonces descolgado de la etapa de descenso mediante tres cables de nylon de 7,5 metros de longitud. El mecanismo encargado de desplegar el cable es el BUD  (Bridle Umbilical and Descent Rate Limiter) y funciona gracias a dos baterías redundantes situadas en esta etapa. Otro cable adicional con conexiones de datos une el rover con la etapa de descenso.  No olvidemos que los dos ordenadores de la sonda están en el rover Curiosity, no en esta etapa (aunque posee un pequeño ordenador no independiente denominado Descent Controller). La maniobra sky crane permite situar un rover de 900 kg en lugares que estén situados hasta un kilómetro de altura sobre el radio medio marciano, incluyendo las áreas del planeta de mayor antigüedad. Como comparación, las anteriores misiones solamente podían aterrizar en zonas con alturas comprendidas entre los -3 y los -1,4 kilómetros.


La maniobra sky crane, el momento crítico (NASA).

Mecanismo BUD para desplegar los cables (NASA).

Prueba en tierra del despliegue de los cables (NASA).

A pocos metros de altura el tren de aterrizaje de Curiosity con seis ruedas de 50 centímetros de diámetro se despliega gracias a varios mecanismos pirotécnicos. Poco después, Curiosity se posa en el suelo del cráter Gale a 2,7 km/h y en ese mismo momento una guillotina pirotécnica corta los cables de sujeción con la etapa de descenso, la cual se eleva y se estrella a 150 metros del rover como mínimo, aunque probablemente caiga a más de 300 metros. Huelga decir que muchas cosas pueden ir mal durante estos críticos segundos.

Con Curiosity sobre el suelo marciano, darán comienzo las operaciones del primer día en Marte, o Sol 0 (curiosamente, las anteriores misiones comenzaron por Sol 1). Lo primero que hará el rover será quitar las cubiertas que protegen las ocho cámaras Hazcams (en realidad, dos pares redundantes) mediante mecanismos pirotécnicos. Cuatro de las Hazcams están situadas en la parte frontal del vientre del rover, mientras que otras cuatro están en la parte posterior. Las Hazcams permitirán visionar obstáculos que se encuentren delante y detrás del rover. Si todo va bien, la primera imagen que llegue a la Tierra de Curiosity será de una de las Hazcams frontales, en blanco y negro. Esta imagen alcanzará la Tierra a través de la Mars Odyssey minutos después del aterrizaje o en el siguiente pase del orbitador sobre el cráter Gale. Cada uno de los pasos de los orbitadores permiten unas ventanas de comunicaciones de unos diez minutos. Curiosity puede enviar datos a la Mars Odyssey a una velocidad de 0,23 megabits por segundo, o 2 megabits por segundo al MRO. Gracias a estas naves, la NASA espera recibir unos 31 MB de datos al día, a los que hay que añadir los datos enviados directamente a la Tierra por la antena de alta ganancia a menor velocidad (unos pocos kbits por segundo).

Curiosity y sus diez instrumentos (NASA).

Durante Sol 1, Curiosity comprobará el funcionamiento de la antena de alta ganancia -fabricada en España-, medirá las condiciones meteorológicas con el instrumento español REMS y realizará la primera imagen a color de la misión usando la cámara del instrumento MAHLI, situada en el extremo del brazo robot de 2,1 metros. Durante Sol 2 se levantará el mástil con las dos cámaras Mastcam -con dos objetivos de 34 mm y 100 mm respectivamente-, el instrumento ChemCam y las cuatro cámaras Navcam. Estas últimas permitirán planificar las operaciones de conducción y serán usadas para medir la orientación exacta de Curiosity en el cráter Gale a partir de la posición del Sol en el cielo, lo que a su vez servirá para orientar de forma precisa la antena de alta ganancia hacia la Tierra. Una semana después, Curiosity moverá sus ruedas por primera vez y el mayor rover de la historia comenzará una aventura de varios años de duración. Sus diez instrumentos con una masa total de 75 kg prometen desvelar un mundo nuevo y fascinante. La aventura está a punto de comenzar.

Lugar de aterrizaje de Curiosity en el cráter Gale: 4,49° S and 137,42° E (NASA).

 Vídeo de la etapa EDL de MSL, ‘Siete Minutos de Terror’:



50 Comentarios

  1. Tan solo quiero sumarme a los demas locos por este fascinante mundo para felicitarte por esta y por tantas entradas con las que consigues hacernos babear de gusto.
    Aupa curiosity.

  2. Exelente informacion, despejo muchas consultas. Se la jugaron con el sistema de aterrizaje………resulto todo biennnnn…!!!! Ahora a descubrir vida marciana….!!!!

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Por Daniel Marín, publicado el 3 agosto, 2012
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