Físico e Ingeniero Aeroespacial en NASA • Johnson Space Center
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Oportunidad de investigación usando el ‘peso muerto’ en las sondas a Marte

La NASA ha anunciado que busca ideas para hacer ciencia o evaluar tecnologías a partir de los ‘pesos muertos’ que transportan y de los que se desprenden algunas sondas aterrizadoras que viajan a Marte, pero ¿cuál es el propósito de llevar en la actualidad peso muerto a Marte y desprenderse de él durante el vuelo?

El pasado 20 de septiembre, la NASA anunció que buscaba ideas creativas y prácticas para hacer ciencia o evaluar tecnologías a partir del ‘peso muerto’ del que se desprenden algunas sondas aterrizadoras que viajan a Marte. Por ejemplo, el Laboratorio Científico para Marte (MSL, Mars Science Laboratory) se desprendió de 150 kg antes de entrar en la atmósfera marciana y de otros 150 kg antes de desplegar su paracaídas. La intención de la iniciativa es encontrar una utilidad a una carga que, hasta ahora, simplemente había sido desechada sin más; pero su planteamiento genera algunas preguntas interesantes: ¿por qué algunas sondas a Marte llevan peso muerto? y ¿por qué se desprenden de él durante el vuelo? El propósito de esta entrada es contestar a estas cuestiones, y para hacerlo me serviré del MSL como caso representativo.

La nave MSL estuvo compuesta de varios módulos y partes que se fueron separando a medida que se consumieron las distintas fases y etapas de la misión. Durante el vuelo interplanetario, el módulo de servicio y la cápsula de entrada, que albergaba al vehículo explorador Curiosity, estuvieron unidos girando a dos revoluciones por minuto para propiciar estabilidad giroscópica en la orientación del conjunto a lo largo de la travesía. Para que la nave no se desestabilice en esta condición, su centro de masa debe estar localizado en el eje de giro, que también es, por razones prácticas, el de simetría de la nave.

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La nave MSL durante su tránsito interplanetario hacia Marte.

Una vez llegada la nave a las proximidades de la atmósfera marciana, el módulo de servicio se separa de la cápsula para que ésta vuele la reentrada. A partir del momento de la separación, el centro de masa de la cápsula sigue estando localizado en su eje de simetría, pero de afrontar la entrada atmosférica en esta condición, la cápsula habría acometido lo que se denomina una entrada balística; esto es, una entrada durante la que no existe sustentación aerodinámica, sólo frenado aerodinámico.

Casi todas las cápsulas que han efectuado una entrada atmosférica en Marte lo han hecho de forma balística (con su centro de masa en el eje de simetría). Esta forma de vuelo aporta simplicidad y abaratamiento al diseño de una misión a Marte, pero a costa de perder precisión en el aterrizaje ya que una nave que efectúa una entrada balística no tiene capacidad de maniobra para corregir su trayectoria durante el vuelo en caso de que se den condiciones distintas de las nominales en las que se diseñaron la nave y la trayectoria, lo cual ocurre siempre. Si se pretende aumentar significativamente la precisión en un aterrizaje en Marte, el vuelo atmosférico debe ser guiado; esto es, la nave debe contar con la capacidad de maniobra y la lógica que le permita corregir en tiempo real los efectos derivados de la presencia de desviaciones en las condiciones del vuelo. En los escenarios más típicos, para que una entrada atmosférica sea guiada, la cápsula debe poder generar una fuerza de sustentación aerodinámica pues es la gestión de la orientación de esta fuerza mediante giros realizados por la nave lo que propicia el control sobre las distancias recorridas transversal y longitudinalmente que, en última instancia, resultará en llegar con mayor o menor precisión al punto de aterrizaje deseado.

La nave MSL fue la primera en realizar una entrada atmosférica guiada en otro mundo –en Marte en este caso– (algo sobre lo que hablaré de forma extensa en un artículo que se publicará en su día en la revista Investigación y Ciencia) y, para ello, hubo de configurarse para poder generar sustentación aerodinámica en la atmósfera. La creación de sustentación se consigue de forma muy simple moviendo el centro de masa de la cápsula fuera del eje de simetría. Este desplazamiento del centro de masa hace que en presencia del flujo aerodinámico que la nave experimentará dentro de la atmósfera se genere un momento aerodinámico que resulta en que ésta vuele de forma pasiva con un cierto ángulo de ataque (ángulo entre el vector velocidad y el eje de simetría) lo que, a su vez, conlleva la generación de una fuerza de sustentación aerodinámica. Y es aquí donde está la clave de esta iniciativa de la NASA ya que el desplazamiento del centro de masa de la nave para separarlo de su eje de simetría se consigue precisamente mediante la eyección de lastre.

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La nave MSL desprendiéndose de lastre para alterar la posición de su centro de masa.

Al desprenderse la nave de lastre por un lateral, el centro de masa se desplaza en el sentido contrario. En el caso de MSL, el lastre desprendido antes de acometer la reentrada fue de 150 kg, lo que resultó en un desplazamiento de unos 9 centímetros del centro de masa fuera de su eje de simetría. Este es, como se puede ver, un desplazamiento bastante pequeño pero fue lo necesario para crear un ángulo de ataque de unos 16 grados y, consecuentemente, generar la fuerza de sustentación de la magnitud requerida. Con la presencia de esta fuerza aerodinámica de sustentación, los pequeños motores cohete de la nave pueden hacer que ésta gire sobre sí misma para cambiar la orientación de la fuerza de sustentación y así dirigirse con más precisión, llevados por esta fuerza, al punto planeado de aterrizaje.

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Esquema sobresimplificado de fuerzas aerodinámicas en la cápsula de reentrada del MSL. En el caso (a) en el que el centro de masa está contenido en el eje de simetría (o caso balístico), solo se consigue frenado aerodinámico, mientras que cuando se separa el centro de masa del eje de simetría (b) se consigue sustentación por pasar la nave a volar con un cierto ángulo de ataque. En el caso (b), la nave puede girar sobre sí misma mediante pequeños motores cohete para cambiar la orientación de la fuerza de sustentación y así dirigirse con más precisión, llevado por esa fuerza, al punto planeado de aterrizaje.

Una vez que la fase de entrada atmosférica está prácticamente completada, pero antes de desplegar el paracaídas, la cápsula debe ejecutar una maniobra de enderezamiento por la que debe devolver el centro de masa al eje de simetría. Esto se consigue eyectando la misma cantidad de lastre que en el caso anterior (otros 150 kg) pero por el lateral contrario, con lo que el centro de masa pasa a reposicionarse en el lugar en el que estaba originalmente antes de iniciarse la reentrada. Con esta operación se persigue que el ángulo de ataque vuelva a ser nulo (o un valor muy pequeño), lo que es necesario para que se evite la generación de torques de excesiva magnitud que podrían alterar la estabilidad de la cápsula durante la posterior, y violenta, apertura del paracaídas.

Las futuras misiones aterrizadoras a Marte que vuelen reentradas guiadas habrán de eyectar lastre en los momentos descritos para gestionar la localización de sus centros de masa: para crear un ángulo de ataque y sustentación durante la entrada atmosférica y para, posteriormente, cesar la presencia de esa sustentación y anular el ángulo de ataque antes del despliegue del paracaídas. Por esto, sería muy interesante que estos lastres no fueran ‘pesos muertos’ únicamente sino que se pudiera obtener algún tipo de beneficio de ellos; y de ahí esta iniciativa de la NASA. Si os animáis, podéis participar en este “NASA’s Balance Mass Challenge

http://www.nasa.gov/solve/marsbalancechallenge/#.VDAsbvldU1I

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