Éxito de LOFTID, el mayor escudo térmico inflable que alcanza la órbita

Por Daniel Marín, el 11 noviembre, 2022. Categoría(s): Astronáutica • Lanzamientos • NASA ✎ 38

El 10 de noviembre de 2022 a las 09:49 UTC, la empresa ULA lanzó un cohete Atlas V 401 desde la rampa SLC-3E de la Base Aérea de Vandenberg (California) en la misión AV-098. La carga principal era el avanzado satélite meteorológico de nueva generación JPSS-2 (Joint Polar Satellite System 2), denominado NOAA-21 una vez en el espacio. Sin embargo, la atención mediática estuvo centrada en la carga secundaria, el escudo térmico inflable LOFTID de la NASA, que quedó situado en órbita y, tras dar una vuelta a la Tierra en sentido retrógrado, se separó de la etapa Centaur a las 11:04 UTC. El escudo reentró con éxito sobre el Pacífico a las 11:38 UTC y amerizó al este del archipiélago de Hawái 1 hora y 51 minutos tras el despegue. Este ha sido el séptimo lanzamiento de un Atlas V en 2022 y el primero de la versión ligera 401 (sin aceleradores de combustible sólido y con una cofia de 4 metros). También ha sido el último lanzamiento de un Atlas V desde Vandenberg, ya que el próximo lanzamiento de la empresa ULA desde este centro espacial será con un cohete Vulcan Centaur. La órbita inicial fue de 800 x 818 kilómetros y 98,7º de inclinación, aunque tras dos encendidos de la Centaur, la propia etapa y LOFTID quedó en una trayectoria suborbital de reentrada de 600 kilómetros de apogeo.

Lanzamiento del Atlas V 401 con LOFTID (ULA).

LOFTID (Low Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator) es un escudo térmico inflable desarrollado por el Centro Espacial Langley de la NASA y ULA con el objetivo de estudiar la viabilidad de este tipo de diseños. LOFTID, de 1224 kg de masa (1190 kg sin el contenedor), es la última iteración del programa HIAD (Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator) y, con un diámetro de 6 metros y una altura de 1,5 metros, se trata del escudo térmico inflable más grande jamás lanzado a la órbita y, en general, el escudo térmico de mayor tamaño que llega a la órbita, a excepción de los escudos térmicos de losetas de los transbordadores espaciales estadounidenses y el Burán soviético. La NASA tiene una amplia experiencia en el desarrollo de escudos térmicos inflables, pero esta es la primera vez que un escudo de este tipo llega a la órbita. Eso sí, el honor de ser el primero en órbita le corresponde al escudo inflable IRDT-1 ruso, con un diámetro de 2,3 metros y lanzado el 8 de febrero de 2000 mediante un cohete Soyuz-U/Fregat. Los IRDT (Inflatable Re-entry and Descent Technology Demonstrator) estaban basados en los escudos inflables de las malogradas sondas marcianas rusas Mars 96.

LOFTID se separa de la etapa Centaur (NASA).
LOFTID flota en el Pacífico tras su misión (ULA).
Diseño de LOFTID (NASA).
Recreación de LOFTID inflado unido a la etapa Centaur (NASA).

No obstante, el IRDT-1 usaba un curioso diseño en el que se inflaba una ‘segunda etapa’ hasta alcanzar los 3,8 metros de diámetro para actuar como paracaídas. En la prueba de 2000 esta segunda sección inflable no se desplegó y la carga útil alcanzó el suelo a gran velocidad, aunque el ensayo de reentrada sí se puede decir que fue un éxito. El siguiente escudo hinchable en llegar a la órbita fue el de la corporación china CASIC, lanzado en el vuelo inaugural del CZ-5B en mayo de 2020. De 3 metros de diámetro, el escudo se desplegó correctamente, pero parece que no sobrevivió a la reentrada (pero no está claro que fuese diseñado para hacerlo).

Captura de pantalla 2014-04-23 a la(s) 20.26.09
Fases del inflado de los escudos rusos IRDT (NPO Lávochkin).
Imagen por ordenador del escudo térmico inflable chino de 3 metros lanzado en 2020 (https://m.weibo.cn/p/2304133279752321).
Pequeña cápsula con escudo térmico inflable chino (CCTV).
Captura de pantalla 2014-04-23 a la(s) 20.26.47
Diseño del escudo inflable norteamericano IRVE (NPO Lávochkin).

Pero, ¿por qué son interesantes estos escudos? Pues porque permiten reducir el coeficiente balístico de cualquier nave espacial y esto facilita la reentrada cualquier mundo con atmósfera, pero especialmente en Marte y en la Tierra, aunque por motivos diferentes. En el caso de Marte, como sabemos, su atmósfera es demasiado tenue como para permitir un aterrizaje suave usando solamente paracaídas. Este problema se agrava con naves muy masivas, como podría ser una misión tripulada, ya que si queremos frenar un vehículo de grandes dimensiones debemos hacerlo a mayor altura del suelo y mientras viaja a mayor velocidad. Y ahí es donde entran en juego los escudos inflables. Además, estos escudos permiten acceder al hemisferio sur marciano, ya que las misiones actuales están limitadas a zonas septentrionales no demasiado elevadas (otra alternativa es usar retropropulsión supersónica, que es la que pretende usar SpaceX con su Starship en Marte). Como ejemplo, una nave de 20 toneladas podría aterrizar en Marte empleando un escudo térmico inflable de unos 18 metros de diámetro.

Misión de LOFTID (NASA).
Características de LOFTID (NASA).
LOFTID en configuración plegada (NASA).

La otra utilidad es utilizarlos en la Tierra para recuperar segmentos de cohetes (motores de primeras etapas o segundas etapas enteras, por ejemplo), ya que al ser inflables pueden ser almacenados en un volumen pequeño que no interfiera con las características aerodinámicas del vehículo al despegar. Un ejemplo en este sentido es la propuesta SMART (Sensible, Modular, Autonomous Return Technology) de ULA para reutilizar los motores de sus lanzadores mediante escudos hinchables. La NASA lanzó en 2009 y 2012 los escudos térmicos inflables IRVE 2 y 3 (Inflatable Re-entry Vehicle Experiment), respectivamente, en vuelos suborbitales, una experiencia fundamental a la hora de desarrollar LOFTID. Otro país que ha probado escudos térmicos en misiones suborbitales es Japón, que en 2012 ensayó uno de 1,2 metros de diámetro. El escudo LOFTID esta formado por siete segmentos toroidales que se presurizan mediante nitrógeno y que están cubiertos en su cara externa por un material ablativo flexible que le permite soportar hasta 1600 ºC. El contenedor de LOFTID tenía unas dimensiones de 2 metros de altura y 1,3 metros de diámetro).

Modelo a escala de LOFTID (NASA).
Propuesta de escudo térmico inflable para recuperar el módulo presurizado de una Cygnus (NASA).
Propuesta de nave tripulada marciana que hace uso de un escudo inflable (NASA).
Prueba de LOFTID en Tierra (NASA).

Para esta misión, LOFTID fue instalado en la parte superior de la etapa Centaur del cohete Atlas V, bajo el satélite JPSS-2. La etapa realizó un encendido para desorbitarse y en ese momento se activó LOFTID y se procedió al inflado de las secciones toroidales. Posteriormente, la etapa comenzó a girar para dotar de estabilidad al escudo y luego procedió a separarse. LOFTID iba equipado con un paracaídas para amerizar suavemente que se desplegó una vez la velocidad hubo bajado a Mach 0,7. Por si no sobrevivía al descenso, LOFTID llevaba una grabadora de datos que fue eyectada durante el descenso. Esta grabadora, equipada con GPS, sería recogida del agua. Finalmente, el escudo LOFTID fue rescatado del agua por el buque Kahana II. Tras el éxito de LOFTID, ahora solo falta ver un escudo inflable en una misión marciana.

Fases del lanzamiento de esta misión (ULA).
Configuración del Atlas V 401 (ULA).
LOFTID se separa de la etapa Centaur (ULA).
LOFTID en el barco de rescate (ULA).



38 Comentarios

  1. Excelente! ahora solamente resta una prueba en Marte… aunque no sé si alguna agencia decidirá arriesgar una sonda en un test de este tipo o se limitarán a probarlo como una carga secundaria para luego sí ir a jugar fuerte. ¿Hay alguna misión planeada de este tipo?

  2. Excelente avance, deja la puerta abierta para seguir el desarrollo y sus utilidades… Que en mi cabezota espaciotrastornada ya se pueden vislumbrar hábitats enormes cruzando la atmósfera de Marte

  3. Con las misiones tripuladas hay un inconveniente extra que provoca este escudo. Si el ángulo con el que ese escudo entra en una atmósfera planetaria es muy perpendicular: mayor frenado aerodinámico, pero mayores aceleraciones «g» que la tripulación soportaría.

    Por otro lado, eso de «usar retropropulsión supersónica», en las Starships hay que matizarlo:
    — En Marte, unos 40 segundos antes de amartizar, estando a una altura de algo más de 2 km y a una velocidad de 2.3 Mach, esa retropropulsión serviría a la etapa final del amartizaje hasta que la nave quedase sin velocidad.
    — En la Tierra, unos 16 segundos antes de aterrizar, estando a una altura de 900 m y a una velocidad de 0.3 Mach, esa retropropulsión (que ahora ya no es supersónica) serviría a la etapa final del aterrizaje hasta que la nave quedase sin velocidad.
    Todo esto según las simulaciones publicadas por SpaceX de hace 4 ó 5 años. No sé si últimamente, han publicado nuevas simulaciones con los distintos cambios en las configuraciones de las nuevas SN#-Starships de las naves que aterrizarán en la Tierra.

    1. No sé si lo sabes, pero todas las misiones tripuladas cuando vuelven usan un escudo. Por lo menos desde Gagarin. Creo que lo de los ángulos y las G soportadas lo tienen bastante estudiado.

      1. Lo logrado por los ingenieros hasta ahora en todas las misiones tripuladas: que cuando éstas vuelven usan un escudo (que nunca ha sido como éste); no impide que tú seas un pedazo de subnormal. En lugar de estarte calladito, reafirmas tus votos subnormaloides y esto te sirve para encabezar mi concurso al mayor subnormal del 2022 comentando en mis hilos de este blog. Los premios del concurso los entregaré el 28 de Diciembre. Atento.

  4. Una de estas tecnologías obvias que te preguntas porqué no se usan en más misiones.
    El concepto con la Cygnus es maravilloso, recuperar la segunda etapa del F9 o la Centaur, los motores del Vulcan…

        1. “..una nave de 20 toneladas podría aterrizar en Marte
          empleando un escudo térmico inflable de unos 18 metros de diámetro..”

          ya que los motores son de Blue origin y el escudo de (ULA)-
          ¿en que ¿super?-)cohete se enviarían esas cargas mas pesadas a Marte?
          imaginaria uno que en el New Glenn (¿o sera en el SLS)

        2. ..una nave de 20 toneladas podría aterrizar en Marte
          empleando un escudo térmico inflable de unos 18 metros de diámetro..”

          ya que los motores son de Blue Origin y el escudo de (ULA)-NASA
          ¿en que ¿super?-)cohete se enviarían esas cargas mas pesadas a Marte?
          imaginaria uno que en el New Glenn (¿o sera en el SLS)

      1. Podría permitir una Cygnus tripulada a lomos de un FH con un volumen de autocaravana en lugar de SUV. Y relaja el estrés térmico de la reentrada multiplicando casi por tres la superficie expuesta.
        Las cápsulas tripuladas actuales son muy muy pequeñas, más bote salvavidas que nave espacial de exploración.

      2. Buena pregunta Pochi.

        Honestamente pensaba que sería mucho más ligero que un escudo térmico convencional pero he mirado datos y no termino de verlo claro.

        LOFTID tiene 6 metros de diámetro y pesa 1220 kg
        El escudo de la Mars 2020 tenía 6 metros de diámetro y pesaba 440 kg

        Hay que tener en cuenta que las dos atmósferas son diferentes, que uno es un prototipo, que además del escudo hay otras estructuras de soporte… Pero vamos, el inflable no gana por goleada en cuanto a peso, eso está claro.

        Donde sí que gana por goleada el inflable es en el tamaño. Es sencillamente imposible lanzar al espacio un escudo convencional de más de 6 metros de diámetro (no cabe en la cofia), lo cual te limita. En cambio, uno inflable ocupa mucho menos al lanzar y, por lo tanto, abre nuevas posibilidades.

        Saludos

        1. Buenos datos, Pedro.
          Entiendo que hay una errata en tu comentario y que el escudo de Percy era de 4.5 metros de diámetros y 440 kg. Diera la impresión de que, para un escudo de 6 metros (por ejemplo, una sonda marciana lanzada por el New Glenn) es más ligero el escudo tradicional que este inflable. (¿también más barato? ¿más práctico? ¿más fácil de esterilizar, si es que se esterilizan esos componentes de las sondas de aterrizaje? todo eso está por ver también).
          Evidentemente, cuando necesitamos un escudo enorme, el inflable gana, como dices.

        2. haber:
          ¿el escudo inflable tiene 6 metros de diámetro al momento del lanzamiento,
          o va sin inflar, y ocupa menos espacio en la cofia del cohete y se infla después?
          ¿como es la cuestión?

          1. Igual que un paracaídas. Al momento del despegue va plegado, ocupando espacio mínimo. Se infla después, cuando se lo necesita. ¡El momento ideal para descubrir que un micrometeorito te arruinó el día! 😀

          2. Pues la seguridad al hincharlo es la clave. En misiones tripuladas, no puede fallar a no ser que haya margen para espera y rescate.

          3. Recuerda los airbags que se usaron en las primeras misiones con rover a Marte. No iban inflados desde el principio, se rellenaban en el momento del amartizaje.

  5. Bueno, pues ha sido un gran avance, es indudable.
    Sin embargo, tengo la impresión de que esto lo van a meter en el cajón de las ideas pendientes de sacarle provecho.
    Me pregunto cuándo empieza a merecer la pena, en función del diámetro, frente a los tradicionales escudos rígidos. Sobre todo pensando en Marte.
    Si sólo tiene sentido cuando el diámetro del escudo térmico está limitado por el tamaño de la cofia, no lo veremos mucho. ¿es más ligero, económico y fácil de construir un escudo inflable de este tipo frente a lo que se ha hecho tradicionalmente hasta ahora?

  6. Que el escudo sea inflable/desplegable parece la solución más lógica, tanto como subir con el paracaidas plegado. Si no se ha hecho antes sería por dificultades en su desarrollo.

    Pienso que las grandes estructuras que lleguen a la órbita y más allá, no sólo como estos escudos que son de vida efímera, sino también las duraderas como laboratorios y naves interplanetarias, no hay más remedio que fabricarlas en el espacio, ya sea inflándolas, por fabricación aditiva o como sea. Lo que no se puede hacer son cohetes cada vez más grandes.

  7. ¿Implementará ULA el sistema SMART para recuperar los motores del Vulcan? Sería interesante que lo hicieran, para ver en funcionamiento un sistema de reutilización distinto al de SpX.

    Algunas dudas:
    – ¿Qué tamaño debería tener el escudo hinchable para recuperar los dos motores BE-4 con un peso de más de 5 toneladas?

    – Hay que colocar el contenedor entre los motores y los depósitos de combustible (el contenedor de LOFTID mide 2 metros de altura y 1,3 metros de diámetro).

    Gracias al contrato de Amazon, ULA tiene suficientes lanzamientos en cartera como para justificar la inversión en reutilización de los motores.

  8. Increíble logro ojalá que pronto se use en alguna misión en Marte o Venus tambien creo que esto de los escudos térmicos junto con las velas solares son el sueño húmedo de todo espacio trastornado pueda ser que salga adelante la propuesta de sonda de retorno de nuestras de mercurio de la jaxa y esa y use ambas tecnologías 🤔

      1. !!! siete segmentos toroidales al agua patos !!! No sé que opinaran los animalistas de esto, pero confió en que ademas de recuperables sean reutilizables y que no presenten daños. (¿algún microtrauma corregible con nueva venda de amianto y a correr?)

    1. Pues que quieres que te diga. Utilizar una etapa reutilizada con un buen sistema de escape en caso de que falle el lanzamiento, como que lo puedo asumir. Pero que usen un escudo reciclado, cuando cuesta una fracción del lanzamiento, no me haría mucha gracia.

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