Informe final del accidente de la sonda marciana Schiaparelli

Por Daniel Marín, el 27 mayo, 2017. Categoría(s): Astronáutica • ESA • ExoMars • Marte ✎ 63

El 19 de octubre de 2016 la sonda europea Schiaparelli se estrellaba contra la superficie de Marte dejando un bonito cráter en Meridiani Planum. Terminaba así el primer intento de la agencia espacial europea (ESA) para aterrizar suavemente en la superficie de Marte (la sonda Beagle 2 que llevaba Mars Express no fue un proyecto de la ESA). Tras una investigación preliminar en la que distintos subcontratistas se echaron la culpa unos a otros de forma un tanto bochornosa, se decidió que la causa fue un fallo en las unidad de medida inercial (IMU), de fabricación estadounidense. En concreto se dijo que la IMU (un giroscopio, hablando mal y pronto) había sufrido una saturación momentánea durante el despliegue del paracaídas, lo que provocó que el ordenador de a bordo pensase que la posición de la nave no era la prevista. Ahora, siete meses después ha aparecido el informe final de la ‘anomalía Schiaparelli’, como la denomina la ESA. ¿Y cuáles son las conclusiones?

ESA Exomars 2016
ESA ExoMars 2016 (ESA).

Pues, efectivamente, al final resulta que el culpable directo del incidente escacharreli fue la IMU, aunque, como siempre ocurre en estos casos, el asunto es un poco más complicado. Veamos la secuencia de los hechos. Schiaparelli despertó de la hibernación a las 13:29:48 UTC del 19 de octubre mientras se dirigía hacía el planeta rojo tras separarse del orbitador ExoMars 2016 TGO. Los acelerómetros detectaron la entrada en la atmósfera marciana a las 14:22:22 y pocos minutos después se comprobó que la sonda estaba girando de forma inesperada.

A las 14:45:23 se desplegó el paracaídas cuando la aceleración experimentada por la sonda llegó a cierto nivel preprogramado. En ese momento la cápsula estaba girando a una velocidad angular de 3 grados por segundo. El paracaídas, con un diámetro de 12 metros, se abrió a unos 11 kilómetros de altura y cuando Schiaparelli viajaba a 1700 km/h. El despliegue del paracaídas se produjo en menos de un segundo, pero generó varias oscilaciones en el vehículo con una frecuencia de 2,5 herzios. Unos 0,2 segundos después del inicio del despliegue la IMU detectó una velocidad angular de cabeceo superior a la prevista en las simulaciones. Como consecuencia la IMU se saturó y dejó de proporcionar datos útiles. El software de guiado y navegación (GNC) supuso durante este periodo de saturación que la velocidad angular de la sonda era la última detectada por la IMU, pero en realidad Schiaparelli estaba oscilando fuertemente y durante una fracción de segundo el software creyó que la nave estaba cabeza abajo (160º). Finalmente el paracaídas se infló y terminaron las oscilaciones bruscas.

Elementos del EDM Schiaparelli (ESA).
Elementos del EDM Schiaparelli (ESA).
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Los restos de Schiaparelli en la superficie de Marte vistos por la cámara HiRISE de la sonda MRO (ESA).

La sonda continuó su descenso y liberó el escudo térmico frontal 40 segundos después del despliegue del paracaídas. A las 14:46:19, quince segundos después de la separación del escudo térmico, se conectó el radar altímetro Doppler, elemento clave para determinar la altura y velocidad precisas de la nave. Sin embargo el sistema de navegación y guiado usó la estimación errónea de orientación de la sonda generada durante la saturación de la IMU para proyectar los datos del radar. Debido a esta discrepancia entre los datos reales del radar y la orientación —incorrecta— de la sonda calculada por el GNC el ordenador de la sonda pensó que estaba bajo la superficie (como lo oyen). Al mantenerse esta inconsistencia en los datos durante cinco segundos sin que el ordenador cuestionase en ningún momento los datos erróneos de la orientación de la sonda, el sistema GNC ordenó la separación del paracaídas y el escudo trasero a las 14:46:49. Justo dos segundos más tarde entraron en acción los nueve propulsores de hidracina que debían frenar el descenso final de la sonda hasta la superficie.

Pero, puesto que el ordenador pensaba que la sonda estaba bajo la superficie, los propulsores se apagaron solamente tres segundos después de encenderse, cuando Schiaparelli todavía estaba a 3,7 kilómetros de altura. En la débil gravedad marciana la sonda tardó 34 segundos en caer a plomo hasta la superficie y resultó destruida a las 14:47:28 UTC cuando impactó contra el suelo a 540 km/h. Fin de la historia.

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Fases en el descenso de Schiaparelli y los diversos sistemas involucrados. En naranja los algoritmos del sistema GNC que se usaban para ejecutar secuencias determinadas. En azul las funciones del GNC y en rojo las fases del descenso de Schiaparelli (ESA).
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Elementos de la sonda EDM Schiaparelli (ESA).

En su momento se discutió que el paracaídas italiano pudo ser el causante de las oscilaciones que dejaron fuera de juego a la IMU y que, por tanto, fue este elemento el culpable del accidente. Pues no. La investigación exonera al paracaídas de cualquier culpa y declara que las oscilaciones experimentadas no fueron causadas por ningún problema con este sistema. De hecho, las simulaciones efectuadas por el JPL de la NASA mostraron que en un elevado número de casos la velocidad angular durante la entrada atmosférica podía superar los valores de saturación de la IMU. Del mismo modo, los experimentos de paracaídas en túneles de viento demostraron que el anómalo comportamiento del paracaídas de Schiaparelli entra dentro del rango de lo esperado en la atmósfera de Marte.

Modelo del paracaídas de Schiaparelli en 2015 durante las pruebas en el Ames Research Center de la NASA (ESA).
Modelo del paracaídas de Schiaparelli en 2015 durante las pruebas en el Ames Research Center de la NASA (ESA).

Entonces, ¿qué causó las violentas oscilaciones del paracaídas que dieron lugar a la saturación de la IMU? No se sabe, pero la investigación indica que pudo ser debido a la presencia de fuertes vientos en la atmósfera marciana, a un inflado asimétrico o a un comportamiento imprevisto de las bridas del paracaídas. Por otro lado, Schiaparelli también experimentó una velocidad de giro excepcional entre la entrada atmosférica y el despliegue del paracaídas (hasta 18 grados por segundo). ¿Pudo ser esta la causa del desastre? La investigación nos dice categóricamente que no y que estas velocidades de giro inesperadas ya se habían visto previamente en otras misiones, como es el caso de Opportunity. Es posible que una distribución no uniforme del material del escudo de ablación fuera la causante de esta excesiva velocidad de giro.

Por lo tanto, concluye el informe, Schiaparelli se estrelló porque no se modeló adecuadamente el despliegue del paracaídas. De haberlo hecho las oscilaciones que causaron la saturación de la IMU y la posterior cadena de sucesos que culminaron en el impacto del vehículo a 540 km/h no habrían tenido lugar. En todo caso, la investigación destaca que si la IMU no hubiera permanecido bloqueada tanto tiempo o si el GNC hubiese tratado los datos de la IMU de otra manera el accidente tampoco se habría producido, pero hay que destacar que los contratistas se ciñeron a los parámetros —erróneos— suministrados por la ESA u otros contratistas. Por ejemplo, se suponía que el tiempo que la IMU podía estar bloqueada era de tan solo 15 milisegundos, cuando en realidad fue de más de 5 segundos. La investigación afirma que si el tiempo de bloqueo de la IMU hubiese sido el previsto Schiaparelli habría aterrizado sin problemas.

Y de esta forma concluye la investigación, echando casi toda la culpa a un componente de fabricación estadounidense, lo que permite en cierto modo que la ESA se lave las manos en el asunto. Otra cosa distinta es la interpretación de los hechos, que es más subjetiva. Evidentemente Schiaparelli no se estrelló porque la IMU norteamericana fuese mejor o peor, sino por un modelado incorrecto del despliegue de paracaídas y una falta de comunicación entre los gestores del proyecto y los contratistas.

¿Cómo es posible que nadie comprobase que el tiempo de bloqueo de la IMU era en realidad muy superior a esos 15 milisegundos usados como referencia?¿Cómo es posible que nadie se preguntase qué pasaría si la IMU se saturaba justo durante el despliegue del paracaídas, precisamente la fase de la misión en la que la sonda era más susceptible a sufrir oscilaciones bruscas?¿Cómo es posible que el sistema GNC fuese programado para aceptar unos datos de la IMU claramente erróneos a pesar de que el radar Doppler indicaba otra cosa completamente distinta (resulta físicamente imposible que la sonda esté bajo tierra y al mismo tiempo reciba ecos de radar de la superficie, pero el sistema GNC no fue programado para darse cuenta de esta contradicción)?¿Cómo es posible que se pusiese como velocidad angular límite del sistema unos 150 grados por segundo si había otras simulaciones que demostraban que esta velocidad angular podía superarse fácilmente?

Resumiendo, Schiaparelli no se estrelló por culpa de una IMU deficiente, sino por culpa de un presupuesto insuficiente. La cadena de errores de Schiaparelli recuerda a los fallos que se saldaron con la pérdida de la sonda británica Beagle 2 o de la Mars Polar Lander de la NASA. En ambos casos las naves fueron víctimas de un programa de pruebas muy limitado como resultado de disponer de muy poco dinero para desarrollar el proyecto con las mínimas condiciones de seguridad.

Módulo de descenso de ExoMars 2020, fabricado en colaboración con Rusia (ESA).
Módulo de descenso de ExoMars 2020, fabricado en colaboración con Rusia (ESA).

Por supuesto, el informe deja claro, por si acaso alguien tuviera alguna duda, que la misión Schiaparelli fue casi un completo éxito a pesar de su litofrenado involuntario y que nada de esto va a ocurrir con el módulo de descenso de la misión ExoMars 2020, desarrollada conjuntamente con Rusia (recordemos que esta misión debe depositar en la superficie un rover para buscar biomarcadores en el subsuelo marciano). El radar Doppler, el sistema GNC y los modelos atmosféricos y dinámicos de ExoMars 2020 estarán basados en los de Schiaparelli, pero la IMU será diferente, al igual que los paracaídas (aunque el fabricante es el mismo). Confiemos en que hayan aprendido la lección.

Referencias:

  • http://www.esa.int/esl/ESA_in_your_country/Spain/Finalizada_la_investigacion_sobre_el_aterrizaje_de_Schiaparelli
  • http://exploration.esa.int/mars/59176-exomars-2016-schiaparelli-anomaly-inquiry/


63 Comentarios

  1. Si, quitemosle el presupuesto a la ESA porque ha fallado media mision y demoselo al ITER, que ha construido… A no, espera. Que no han construido nada aun… y ni si quiera ha demostrado que pueda funcionar… Pero solo para eso necesita aun mas dinero
    Bueno, demoselo a la I+D en reactores de fusion que es una tecnologia demostradamente segura (JA, JA, JA…) y tan economica que no es rentable sin subvenciones o precios garantizados
    Y cancelemos el programa de observacion de la tierra. Que eso de que demuestre el cambio climatico es un rollo… Hagamos con Trump con la NASA, no vaya a fastidiar el negocio de los amigos del petroleo
    ¿Alguno habeis trabajado con software embarcado? ¿Sabeis la cantidad de pruebas y la cobertura de codigo que tiene? Cuesta mas validarlo que escribirlo. Que no es perfecto, por supuesto. Y ha fallado. No cubria un fallo que en teoria no se podia dar. Pero no digais que esta gente es una aficionada.

    1. Gracias Txemari y flavio por parar la ola de cuñadismo extremo que ha invadido los comentarios! “Cerrar la ESA” por un fallo? “Los miles de millones mal gastados en monitorizar la Tierra“? Perdón, tenemos al cuñado de Trump por aquí? Cualquiera diría que la ESA hace que Europa se empobrezca día a día… En valor absoluto puede parecer mucho dinero, pero en relación al PIB europeo son 4 perras! Ya nos olvidamos de la complejísima navegación de Rosetta con unas órbitas terriblemente complejas para decir que los Europeos no tienen ni puta idea, y que yo con mi bloc de notas de güindous te monto un software de GNC mejor?

      1. Tal vez Rosetta también estaba mal programada pero tuvo la suerte de no activar un bug !!!.
        Insisto, y en tecnología aeroespacial es más importante aún, hay que invertir más en Testing !!!

        Saludos cordiales.

        Gustavo

    2. No te pases con el ITER… sí han construido ya unas cuantas cosas, incluyendo partes fundamentales del confinamiento magnético o la refrigeración. Ya hay varios pisos alzados (a medias, obviamente) del edificio del tokamak, incluyendo partes del escudo biológico, y algún que otro edificio auxiliar terminado.
      Juzgar la rentabilidad de una tecnología que no disponemos (está en investigación) es una barbaridad. Primero habrá que ver qué ofrece (ventajas e inconvenientes) y luego ya decidiremos si nos conviene o no usarla, y en qué medida. Y sí, ahora requiere subvenciones e inversión pública… como casi toda investigación puntera. La investigación no es rentable a corto plazo, y sin control y apoyo público no habría avances científicos de consideración.
      Por otra parte, hace tiempo que la fusión nuclear ha demostrado que puede funcionar (Q > 1). Otra cosa es si nos conviene o no, eso no lo sabemos. Y no lo sabremos jamás si no lo investigamos. Pero con esa forma de obtención de energía, y con cualquier otra. Con el problema energético que tenemos asociada a la escasez de recursos y la contaminación, no creo que sea buen momento para retirar investigaciones en nuevas formas de obtener energía.

    3. En un curso del año pasado, cuando tocó hablar de Ingeniería del Software, nos contaron el caso real del cohete Ariane 5 y su increíble falla de Software por rehusar código y no haber sido testeado.
      Creo que esto se aplica a este caso. El problema radica en los pobres testeos que se realizan, y también en la pobre programación que se realizó.
      Es absolutamente inaceptable en proyectos de esta envergadura que el software no valide los datos antes de procesarlos. Es una regla básica de cualquier (buen) programador.
      Creo que, lamentablemente, manda el dinero y no la pasión por hacer bien las cosas. Así les va….
      Y no quiero ser pedante, pero viendo esto, parezco un genio de malos que son para programar.

      Saludos cordiales.

      Gustavo

  2. “Primer intento de aterrizar suavemente…” ¡ defina “suavemente”!
    Era una prueba de aterrizaje y lo han probado como si la sonda fuera de Bilbao…

    Lo de litofrenado no programado es un hallazgo.

    Bromas aparte, el orbitador ha ido bien, ¿no? En la ESA hacen un trabajo de calidad, con fallos sí, como todos. De eso se aprende: mejor que haya fallado en la misión de prueba. El principal problema que tienen es de comunicación, de saber vender lo que hacen al público. En eso la NASA va muy por delante.

    Dicen que el programa espacial europeo cuesta un euro al mes por persona. Por mí, que lo tripliquen.

    1. posarse si es aterrizar suavemente
      no se si estrellarse valga como aterrizar, pero es impactarse violentamente contra algo

      salvo el modulo Huygens, y a pesar de tener fallos en el diseño de comunicación, los demás módulos de aterrizaje de la ESA no les ha ido bien, Philae hasta Schiaparelli.
      tampoco la ESA ha colocado un solo Rover en algún lugar fuera de la órbita terrestre, lso chinos si
      y parece que la programación no es el fuerte de la ESA, menos las pruebas de testeo y de calidad

  3. Enfrentar el ITER con la ESA es totalmente absurdo, ambos son imprescindibles. ¿Por qué no nos preguntamos lo mismo con otras áreas y no sólo con la investigación ? Podría caer en la demagogia de algunos de los cuñados presentes y decir que por qué se invierte en defensa o en fútbol o en … pongan lo que quieran a continuación, pero sería ridiculo. No voy a decir que es más o menos importante, cada uno tendremos nuestra opinión, pero todos los que tengan dos dedos de frente convendrán que la investigación debe estar entre las prioridades de cualquier sociedad desarrollada
    Que ha fallado la sonda? No es la primera ni será la última y en todas las agencias ocurren estas pifias, convendría recordar la sonda de la NASA que no llegó a Marte por un error entre millas y metros.

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