Físico e Ingeniero Aeroespacial en NASA • Johnson Space Center
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¿Para qué sirve el ‘platillo volante’ de la NASA?

El Desacelerador Supersónico de Baja Densidad (LDSD) está concebido  para probar sistemas de frenado aerodinámico desde velocidades supersónicas (superiores a la del sonido) en la atmósfera de Marte.

El pasado 8 de junio la NASA voló el segundo de los vuelos planeados del Desacelerador Supersónico de Baja Densidad (LDSD – Low Density Supersonic Decelerator), que ha sido llamado, y ya es así comúnmente conocido, con el nombre de ‘platillo volante’.

El LDSD está concebido como demostrador tecnológico para probar sistemas de frenado aerodinámico desde velocidades supersónicas (superiores a la del sonido) para su uso específico en la atmósfera de Marte. Estos sistemas consisten en un nuevo paracaídas de grandes dimensiones, así como un nuevo concepto de frenado mediante el despliegue de desaceleradores aerodinámicos hinchables. Pero, ¿por qué estos elementos de diseño son interesantes de cara a la exploración de Marte?

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LDSD. Fuente: NASA/JPL.

La reentrada, el descenso y el aterrizaje en Marte suponen desafíos de ingeniería de enorme magnitud, los cuales se ven acrecentados a medida que se desee enviar vehículos de mayor masa a la superficie marciana. Con diferencia, la principal razón de estas dificultades es la baja densidad de la atmósfera de Marte.

Cuando una sonda llega a Marte para aterrizar, típicamente realiza su entrada en la atmósfera a velocidades de unos cuantos kilómetros por segundo. Por ejemplo, el Laboratorio Científico para Marte (MSL – Mars Science Laboratory), que transportó al vehículo explorador Curiosity, efectuó una entrada en la atmósfera marciana a 5,8 km/s (20.880 km/h). Esta velocidad debe reducirse hasta llegar prácticamente a 0 km/s en el momento de posarse sobre la superficie. Esta reducción de velocidad se podría hacer mediante el uso de motores cohete, pero el uso exclusivo de propulsión para realizar este frenado es poco recomendable ya que la cantidad de combustible que sería necesario transportar resultaría en una nave de una enorme masa, excesiva a efectos prácticos, lo que también complicaría su lanzamiento desde la Tierra y aumentaría significativamente todo su coste. Marte es un mundo con atmósfera (compuesta en su inmensa mayoría de dióxido de carbono), por lo que una aproximación más pragmática al problema consiste en utilizar la atmósfera marciana para frenar la nave, tal y como se hace con las naves que vuelven a la Tierra desde el espacio.

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Ilustración de la nave MSL durante su entrada atmosférica en Marte. Fuente: NASA/JPL.

Sin embargo, en contraste con nuestro planeta, la atmósfera marciana es unas cien veces menos densa que la terrestre. Por ejemplo, la densidad atmosférica a altitud cero en Marte es equivalente a la que se experimenta en la Tierra a unos 30 km de altitud. La baja densidad de la atmósfera de Marte hace que sea demasiado ligera como para provocar un gran frenado en las sondas que lo visitan (como nota curiosa, y este es otro problema, su densidad, a pesar de ser baja, es suficiente como para producir un efecto térmico significativo).

Como consecuencia de la baja densidad de la atmósfera marciana, dependiendo de las características de la nave, la velocidad con la que ésta aún viaja después de recorrer la atmósfera de Marte puede ser todavía supersónica. Esta es una característica que no presentan necesariamente las reentradas en la atmósfera terrestre, en la que las naves de reentrada se pueden llegar a frenar a velocidades subsónicas (por debajo de la velocidad del sonido).

Es el deseo de la comunidad científica el poder enviar a Marte vehículos más masivos para que posean mayores prestaciones y tengan la capacidad de llevar a cabo un mayor número de tareas in situ y más sofisticadas. Sin embargo, en principio, cuanto más masivo sea el vehículo que queramos enviar a Marte, de mayor tamaño habrá de ser la superficie que éste enfrente al flujo aerodinámico durante la reentrada con el objeto de propiciar un mayor frenado atmosférico; pero existe un problema con la capacidad de utilizar superficies cada vez de mayores dimensiones: a partir de un punto de diseño, el peso de esas superficies también llegaría a ser excesivo y, además, las dimensiones requeridas llegarían a exceder lo que cualquier cohete podría albergar y lanzar al espacio desde la Tierra. Una manera de sortear esta limitación es mediante el uso de desaceleradores hinchables. Por una parte, estos desaceleradores estarían plegados durante el lanzamiento y serían desplegados para su uso en algún momento durante la reentrada en Marte y, por otra parte, el hecho de que sean hinchables (razón por la que reciben el calificativo ‘de baja densidad’), también representa una ventaja en términos de peso. Adicionalmente, también los paracaídas de frenado que porten las naves cada vez más masivas que se envíen a Marte deberán ser a su vez de mayores dimensiones que los utilizados hasta ahora.

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Ilustración del LDSD adquiriendo las condiciones de vuelo necesarias para el despliegue del SIAD de 6 metros. Fuente: NASA/JPL.

Los vuelos del LDSD, llevados a cabo el 28 de junio de 2014 y el 8 de junio de este año, han consistido precisamente en probar estas tecnologías. En ambas ocasiones, el LDSD desplegó un desacelerador aerodinámico hinchable supersónico (SIADSupersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator) de 6 m de diámetro (llamado SIAD-R); lo hizo a alrededor de 4 veces la velocidad del sonido y a unos 55 km de altitud, reproduciendo así las condiciones atmosféricas típicas que encontraría una nave en Marte en el momento de desplegar este sistema. Posteriormente, una vez el SIAD hubo frenado al LDSD hasta unas 2,5 veces la velocidad del sonido, se desplegó un paracaídas de 30,5 m de diámetro, el paracaídas de mayores dimensiones que haya sido desplegado nunca.

Si bien en ambas ocasiones el despliegue del SIAD se produjo de forma satisfactoria, los paracaídas se desplegaron pero no llegaron a inflarse. La física del inflado de paracaídas de tan grandes dimensiones y en el régimen de vuelo requerido, es compleja, pero este es el propósito de probar estos demostradores tecnológicos: progresar en el entendimiento y caracterización de nuevas tecnologías. En esta ocasión, a pesar de los cambios introducidos en su diseño a partir del primer vuelo, el paracaídas se rasgó durante su inflado.

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LDSD antes y después del despliegue del SIAD. Fuente: NASA/JPL.

Futuros vuelos dentro de este programa pondrán a prueba el despliegue de un SIAD de mayor diámetro (de 8 m, llamado SIAD-E) y volarán estos elementos en distintos regímenes de vuelo. Gracias a estas tecnologías y a su uso combinado, la masa de los vehículos que podrían aterrizar en Marte podría ascender a 2 o 3 toneladas, frente a la capacidad actual de 1,5 toneladas. Pero la ventaja en el uso de estos nuevos desaceleradores no solo reside en el aumento de la masa a aterrizar, sino que supondrán también un aumento en los niveles de altitud en los que se podrá aterrizar.

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Comparación del LDSD en distintas configuraciones. Arriba con el paracaídas inflado. Abajo, de izda. a dcha.: con el SIAD de 6 m desplegado, y con el SIAD de 8 m desplegado. El SIAD de 6 m es el que se ha probado hasta ahora. Fuente: NASA/JPL.

La densidad atmosférica es mayor cuanto más próximo se esté de la superficie, por lo que los vehículos que entran en Marte se desaceleran a altitudes mucho más bajas que aquellas a las que lo harían en la Tierra, lo que significa que el tiempo operativo disponible para el despliegue y actuación de los sistemas de frenado adicionales sea bastante corto antes de llegar a la superficie. Todo esto explica que hasta ahora se hayan seleccionado lugares de aterrizaje de baja altitud donde la densidad atmosférica es mayor. La introducción de estos nuevos sistemas de frenado también hará posible que se pueda acceder a regiones del planeta de mayor altitud que nunca han podido ser explorados hasta la fecha.

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