Físico e Ingeniero Aeroespacial en NASA • Johnson Space Center
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Apollo XII, 45 años del primer alunizaje de precisión

El 19 de noviembre se cumplió el 45 aniversario del alunizaje del Apollo XII, la primera misión que realizó un aterrizaje de precisión en otro mundo. ¿Qué cambió del Apollo XI al XII para conseguir este logro?

A pesar de que el alunizaje del Apollo XI fue todo un éxito, lo cierto es que el módulo lunar Eagle aterrizó en la Luna con un error de más de 6 km. Este desempeño no era aceptable si se pretendía que las misiones posteriores aterrizaran próximas a objetivos específicos de interés científico.  Entre otras cosas, en el Apollo XII se incorporaron dos métodos nuevos para aumentar la precisión en el alunizaje con respecto a la misión anterior del Apollo XI. Pero antes de entrar en ellos, creo que primero es necesario explicar a nivel general cómo era un descenso del módulo lunar en las misiones Apollo XI y XII (el diseño del descenso en las misiones siguientes fue un poco diferente).

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Tripulación del Apollo XII. De izquierda a derecha: Charles ‘Pete’ Conrad, comandante; Richard ‘Dick’ Gordon, piloto del módulo de mando; Alan L. Bean, piloto del módulo lunar. Crédito: NASA.

En el punto de partida tenemos al módulo lunar (LM, Lunar Module, y pronunciado ‘lem’), tripulado por el comandante y el piloto del módulo lunar, desatracado y separado del módulo de mando y servicio, tripulado a su vez por el piloto del módulo de mando. Ambos módulos se encuentran en la misma órbita alrededor de la Luna, llamada órbita de aparcamiento, a unos 110 km de altura sobre la superficie. En el descenso a la superficie lunar, el LM ejecuta en en esta órbita inicial de aparcamiento una inserción en la órbita de descenso (DOI, Descent Orbit Insertion). Lo hace gracias a un corto encendido retrógrado con su motor de descenso, que dura apenas unos 30 segundos. Con esta maniobra, el LM pasa a insertarse en una órbita elíptica, llamada órbita de descenso, y va así perdiendo altitud hasta llegar al perilunio de esa órbita, localizado media revolución orbital después. En ese punto, situado aproximadamente a unos 460 km del lugar de alunizaje y a unos 15 km de altitud sobre el terreno, se produce el inicio del descenso propulsado (PDI, Powered Descent Initiation). En este punto se inicia de nuevo la ignición del motor de descenso, que ya no se apagará hasta que el módulo lunar se pose en la superficie, alrededor de 12 minutos y medio después.

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Esquema genérico del descenso del módulo lunar hacia la superficie de la Luna. 50.000 pies equivalen a unos 15 km, 60 millas náuticas equivalen a unos 110 km, y 250 millas náuticas equivalen a unos 460 km. Los esquemas no están a escala. Fuente: Apollo 11 Mission Report, MSC-00171. Noviembre de 1969, NASA/Manned Spacecraft Center, Houston, TX; y Apollo Lunar Landing Mission Symposium, NASA TM X-58006. Junio 25-27 de 1966, NASA/Manned Spacecraft Center, Houston, TX.

La fase de descenso propulsado (PD, Powered Descent) que se iniciaba en el PDI constaba de tres subfases. La primera, llamada de frenado (braking phase), tenía por objetivo reducir la velocidad del LM de la manera más óptima desde el punto de vista del consumo de combustible, a la vez que se perdía altitud. Cuando la distancia al objetivo era de unos 8 km, y a una altura de unos 2 km, en un punto denominado high gate, la computadora de vuelo efectuaba la transición a la fase de aproximación (approach phase), también llamada de ‘visibilidad’, en la que el LM comenzaba una maniobra de cabeceo para pasar de una orientación en la que la tripulación volaba mirando hacia arriba (hacia el ‘cielo’ lunar) a otra en la que la tripulación mirara hacia la superficie lunar frente a ellos. Realizar este cabeceo durante el descenso no era lo más óptimo en términos de consumo de combustible pero era necesario para que la tripulación pudiera empezar a observar el terreno y a evaluar el futuro punto de alunizaje. Llegados a unos 700 m de distancia al objetivo y a unos 120 m de altura, punto denominado low gate, se entraba en la fase llamada propiamente dealunizaje (landing phase), donde el comandante podía asumir el control manual de la nave para acabarla posando sobre la superficie en el lugar que juzgara más adecuado.

Estas tres fases eran guiadas; esto es, se volaban de acuerdo a una lógica de guiado que residía en la computadora y que enviaba comandos al sistema de control (apuntamiento del motor de descenso y nivel de propulsión en cada instante) para conseguir que se aterrizara en el lugar deseado. Cada fase estaba gobernada por un programa de guiado diferente que respondía a los objetivos y requisitos para cada una de ellas, y que era designado con una ‘P’ seguida de un número. Así, el programa de guiado para la fase de frenado era el P63 mientras que el de la fase de aproximación era el P64. Para la fase de alunizaje, había tres opciones: P65, P66 y P67. El programa P65 era un programa de descenso automático mientras que P66 y P67 eran programas que permitían el control manual de la nave a distintos niveles por parte del comandante, siendo el P67 un programa para ser usado si el P66 era inoperativo. Todos los comandantes de todas las misiones que aterrizaron en la Luna utilizaron el P66. De esta forma, en la última fase de alunizaje la nave era guiada por el comandante (en lugar de por la computadora) aunque, al estar ya tan cerca de la superficie, la capacidad de corrección estaba limitada a encontrar un lugar adecuado sobre el terreno (con la inclinación adecuada, libre de grandes rocas y relativamente próximo a un área local de interés) para posar la nave. Las dos primeras fases (de frenado y de aproximación) no se podían volar de forma manual ya que el margen de error posible para llevarlas a cabo con éxito era extremadamente pequeño. De hecho, ningún comandante logró nunca pilotar manualmente con éxito esas dos fases cuando se probó esta posibilidad en los simuladores en tierra.

En el vuelo del Apollo XI, se dio un error de navegación en la posición al inicio del descenso propulsado (PDI) de unas 3 millas náuticas (algo más de 5,5 km), que permaneció prácticamente inalterado hasta el alunizaje. Este error fue debido al efecto acumulado de pequeñas perturbaciones en la trayectoria producidas por diversos factores que no fueron tenidos en cuenta en la capacidad de predicción de la navegación en el momento del PDI y que tenían su mayor efecto en la predicción de la posición. Muchos os preguntaréis por qué los distintos programas de guiado de la nave (en concreto el P63 y el P64) no compensaron este error de navegación. La razón de esto es que ningún sistema de guiado puede compensar errores que tienen su origen en la navegación que les es suministrada. La navegación de a bordo, el sistema que le dice a la nave dónde se encuentra, y en qué sentido y a qué velocidad viaja, también realiza esta función con un cierto error que no puede ser compensado por el guiado ya que éste no tiene otra fuente de información relativa a su posición y velocidad. Esto quiere decir que el guiado no tiene otra alternativa más que interpretar esa información como real y utilizarla para generar sus comandos, de ahí que, entre otros factores, la precisión que se consiga en un aterrizaje sea también función del error con el que se conozca la posición y velocidad.

En el Apollo XII se introdujeron muchos cambios en el plan de vuelo para minimizar las perturbaciones en la trayectoria que se pudieran traducir en errores en el lugar de aterrizaje. No voy a hablar de todos estos cambios porque llevaría mucho tiempo sino que hablaré solo acerca de dos modificaciones relativas al guiado que fueron realmente la clave para poder alunizar con precisión.

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Módulo lunar Intrepid fotografiado por Richard ‘Dick’ Gordon desde el módulo de mando Yankee Clipper. Crédito: NASA.

La primera de estas modificaciones tiene que ver con el llamado ‘PGNCS monitoring’, o monitorización del Sistema Primario de Guiado, Navegación y Control. En Apollo había dos sistemas de guiado, navegación y control, el PGNCS como sistema primario (pronunciado ‘pings’) y el AGS (Abort Guidance System) como sistema de contingencia de menores prestaciones. Para saber si uno de estos sistemas (el primario principalmente) se estaba degradando en su estimación de la velocidad y de la posición del vehículo y así saber si se debía cambiar o no al otro sistema, sus datos eran comparados con aquellos que eran resultado del seguimiento (tracking) de la nave desde la Tierra mediante el análisis de señales Doppler a través de la Red de Vuelos Espaciales Tripulados (MSFN, Manned Space Flight Network). Esta tarea era en lo que consistía la monitorización del PGNCS. En el Apollo XI, el MSFN pudo detectar el error en la navegación en el momento del PDI referido anteriormente, pero el Apollo XI no tenía la posibilidad de introducir esta información en sus sistemas de a bordo para conseguir precisión en el alunizaje, algo que sí tuvo el Apollo XII.

En el Apollo XII se pudo observar que el módulo lunar Intrepid tuvo un error de posición de casi 1,3 km en el momento de la adquisición de la señal (AOS, Acquisition Of Signal), el momento en el que el LM se hizo visible a la Tierra al salir por detrás de la Luna dentro de su órbita de descenso, y que permaneció prácticamente igual hasta el PDI. Un inciso aquí para hacer notar que los cambios que se introdujeron en el plan de vuelo ya surtieron sus efectos ya que el error en la posición pasó de 5,5 km en el PDI en el Apollo XI a 1,3 km en el Apollo XII. Ahora, además, la tripulación del Apollo XII podía introducir ese error en la computadora de guiado para que se tuviera en cuenta. Esta introducción la hacía el piloto del módulo lunar (Alan Bean en este caso) a través del interfaz con la computadora, el llamado DSKY (Display and Keyboard Assembly). Sin embargo, curiosamente, para no interferir en los sistemas PGNCS y AGS, lo que se introducía en la computadora no era la posición actualizada, o corregida, sino que se le decía a la computadora que el lugar de aterrizaje se había cambiado en la misma medida del error en la posición. De esta forma, se puede decir que el sistema era engañado para que siguiera creyendo que su posición era correcta pero que era el lugar de aterrizaje lo que había cambiado. Así pues, en el Apollo XII, Alan Bean introdujo en el DSKY una corrección en la posición del lugar de aterrizaje en la medida de 4.200 pies (casi 1,3 km), que era el error en la posición que tenía Intrepid.

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Detalle del DSKY (Display and Keyboard Assembly), el interfaz de la tripulación con la computadora de guiado en un módulo lunar. Este interfaz era operado por el piloto del módulo lunar, situado a la derecha.

La segunda modificación clave tuvo que ver con cambios en los objetivos de guiado (guidance targeting) para las fases de aproximación y de alunizaje. Estos cambios consistieron en el establecimiento de nuevas condiciones de velocidad y posición en las que debían comenzar las referidas fases (los puntos denominados high gate y low gate). Diversos estudios y análisis en tierra anteriores al vuelo demostraron que se podían hacer correcciones más eficaces a la trayectoria dentro de la fase de aproximación cuando las condiciones en esos puntos eran un tanto diferentes de aquellas que fueron establecidas para el Apollo XI. Estos cambios en los objetivos de guiado para estas fases y, por lo tanto, para los programas P63 y P64, supusieron que la elipse de aterrizaje del Intrepid se redujera. La elipse de aterrizaje es el área sobre el terreno en el que es posible que acabe aterrizando la nave con un cierto nivel de probabilidad cuando se tienen en cuenta diferentes dispersiones posibles. La reducción de esta elipse implica el aumento de la probabilidad de aterrizar más cerca del objetivo. En concreto, con estas modificaciones se consiguió que el módulo lunar en el Apollo XII tuviera una probabilidad de casi un 99% de aterrizar a menos de un kilómetro del lugar deseado.

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Elipses de aterrizaje que engloban aproximadamente el 99% de probabilidad de aterrizar dentro de ellas para las misiones Apollo XI y XII. Las aspas indican el lugar donde aterrizaron los módulos lunares Eagle (Apollo XI) e Intrepid (Apollo XII) en relación al lugar de aterrizaje deseado, centrado en el punto (0,0) en esta gráfica. Aunque los lugares deseados de aterrizaje para estas dos misiones fueron distintos (en el Mar de la Tranquilidad y en el Océano de las Tormentas), se presentan aquí en el mismo punto (0,0) para que se puedan comparar las distancias. Fuente: Apollo Experience Report, NASA TN D-6846. Junio de 1972, por Floyd V. Bennett, NASA/Manned Spacecraft Center, Houston, TX.

Cuentan que Christopher C. Kraft, el entonces Director de Operaciones de Vuelo de la NASA, le decía siempre a Pete Conrad que en las ruedas de prensa antes del vuelo no hiciera hincapié en el hecho de que el gran objetivo del Apollo XII era hacer un aterrizaje de precisión y alunizar al lado del Surveyor III. Temía que si esto no se conseguía, la prensa, sin apreciar la inmensa complejidad de los vuelos Apollo y sin apreciar el resto de objetivos a cumplir en esta misión, se echaría encima de la NASA con críticas feroces y sensacionalistas. Afortunadamente, las críticas no fueron posibles ya que el Apollo XII consiguió con creces el objetivo del alunizaje de precisión. El módulo lunar Intrepid aterrizó a tan solo 164 metros del Surveyor III, en Océano de las Tormentas, un 19 de noviembre de hace 45 años.

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Pete Conrad junto al Surveyor III, con el módulo lunar Intrepid de fondo. Crédito: NASA.

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