El Desacelerador Supersónico, Falcon 9, y Marte

Los recientes éxitos de los vuelos llevados a cabo por el Desacelerador Supersónico de Baja Densidad y por el cohete lanzador Falcon 9, suponen, a pesar de tratarse de programas inconexos, importantes avances de cara a la exploración de Marte.

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El pasado 28 de junio la NASA voló con éxito el primero de los tres vuelos planeados del Desacelerador Supersónico de Baja Densidad (LDSD – Low Density Supersonic Decelerator), y el 18 de abril y el 14 de julio, en dos lanzamientos del cohete Falcon 9, desarrollado por la empresa privada SpaceX, se acometió la recuperación de la primera etapa del lanzador mediante su aterrizaje suave en el océano. El primero de estos programas, 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. En el segundo programa, con objeto de recuperar la primera etapa del lanzador Falcon 9 y facilitar su amerizaje suave, ésta hubo de realizar una maniobra de gran interés para el futuro de la exploración de Marte: la retropropulsión supersónica.

¿Por qué estos elementos de diseño son interesantes de cara a la exploración de Marte? Para contestar a esta pregunta, creo que antes hay que hablar, aunque sea brevemente, acerca de Marte y de las reentradas en este planeta.

A pesar de no ser un hecho muy conocido, lo cierto es que 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 cada vez más masivos a la superficie marciana. Con diferencia, la principal razón de estas dificultades, y la única que voy a tratar aquí, 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 en torno a los 6 km/s. Por ejemplo, el Laboratorio Científico para Marte (MSL – Mars Science Laboratory), que transportó el vehículo explorador Curiosity, efectuó una entrada en la atmósfera marciana a 5,8 km/s. Esta velocidad debe disiparse hasta llegar prácticamente a 0 km/s en el momento de posarse sobre la superficie. Desafortunadamente, 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 excesivamente masiva, 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 constantemente con muchas naves que vuelven a la Tierra desde el espacio; 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 visitan el planeta (pero, como nota curiosa, y este es otro problema, es lo bastante densa como para producir un efecto térmico significativo).

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

Como consecuencia de la baja densidad de la atmósfera marciana, y dependiendo de las características de la nave, la velocidad con la que ésta aún viaja después de la reentrada puede ser todavía supersónica, por lo que la nave precisará de otros medios de frenado posteriores, como el despliegue de un paracaídas que pueda reducir aún más su velocidad y, en cualquier caso, precisará de una breve etapa propulsada al final del descenso para lograr un aterrizaje suave sobre la superficie. Por otra parte, puesto que, además, la densidad atmosférica es mayor cuanto más próximo se esté de la superficie, los vehículos que entran en la atmósfera marciana se desaceleran a altitudes mucho más bajas que aquellas a las que lo harían en la Tierra, con lo que el tiempo operativo disponible para el despliegue y actuación de los sistemas de frenado adicionales es bastante corto, lo que supone también otra fuente de complejidad y preocupación en su diseño.

Ilustración del descenso del MSL en Marte. A pesar de que la fase de reentrada (anterior al despliegue del paracaídas) aparenta durar poco, durante esta fase se disipa el 99% de la energía con la que la nave entra en la atmósfera. El 1% de la energía restante se disipa por medio del paracaídas y de la breve fase retropropulsada final. Fuente: NASA/JPL.

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 aerodinámicos 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 densisdad’), también representa una ventaja en términos de peso.

El primer vuelo del LDSD, llevado a cabo el pasado 28 de junio, ha consistido precisamente en probar esta tecnología. El LDSD desplegó un desacelerador aerodinámico hinchable supersónico (SIAD – Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator) de 6 m de diámetro, y lo hizo a casi 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, el LDSD desplegó también un paracaídas de 30,5 m de diámetro (el paracaídas de mayores dimensiones planeado para su uso en Marte) en condiciones también supersónicas: a 2,5 veces la velocidad del sonido.

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

Futuros vuelos dentro de este programa pondrán a prueba el despliegue de un SIAD de mayor diámetro (de 8 m) 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.

Comparación del LDSD en distintas configuraciones. De izquierda a derecha: con el SIAD sin desplegar, con el SIAD de 6 m desplegado, y con el SIAD de 8 m desplegado. El SIAD de 6 m fue el que se probó en el vuelo del pasado 28 de junio. Fuente: NASA/JPL.

A pesar de todo esto, si quisiéramos enviar a Marte vehículos aún más masivos, el uso de desaceleradores hinchables y de paracaídas supersónicos podría no ser suficiente debido a que las dimensiones de éstos tampoco pueden aumentar de forma ilimitada sin entrar en una gran complejidad de diseño y en una degradación de su desempeño en términos de varias de sus características, como su estabilidad aerodinámica, o la controlabilidad del conjunto, etc. De hecho, para vehículos con masas muy grandes, el uso de estos desaceleradores podría no ser suficiente para reducir la velocidad a valores subsónicos (por debajo de la velocidad del sonido). Este sería el caso no solo de misiones automáticas muy masivas sino también el de posibles futuras misiones tripuladas a Marte, las cuales contemplan el aterrizaje en Marte de una nave de varias decenas de toneladas en las proximidades de una instalación enviada con anterioridad. Esto está muy lejos de la misión más ambiciosa lanzada a Marte hasta la fecha: el MSL, el cual aterrizó al vehículo explorador Curiosity, de unos 900 kg.

Así pues, el frenado mediante la retropropulsión en el régimen supersónico será con bastante seguridad una necesidad en misiones tripuladas a Marte y también en misiones robóticas de gran masa. Sin embargo, la retropropulsión en un régimen de vuelo supersónico entraña problemas derivados de la interacción del flujo emitido por los retrocohetes y el flujo atmosférico supersónico. Esta interacción puede suponer dificultades de estabilidad y de control que deben ser bien comprendidas antes de que la retropropulsión supersónica pueda utilizarse en Marte. A día de hoy es escasa la experiencia en el encendido de grandes motores cohete contra un flujo atmosférico supersónico de gran presión dinámica; sin embargo, con dos de los últimos lanzamientos del cohete Falcon 9 de SpaceX, se ha podido dar un paso muy importante de cara a entender estos sistemas.

Ilustración de la maniobra de retropropulsión supersónica llevada a cabo por la primera etapa del cohete lanzador Falcon 9. Fuente: www.NASASpaceflight.com.

Uno de los objetivos de la empresa SpaceX es el de reducir el coste de sus lanzamientos. Para ello, la empresa decidió, entre otras cosas, intentar recuperar la primera etapa de su lanzador Falcon 9 para que pudiera ser reutilizada en lanzamientos posteriores. Para llevar a cabo esa recuperación, la primera etapa debe ser capaz de realizar varios tipos de maniobras y operaciones después de haber sido utilizada para el lanzamiento. Una de estas maniobras consiste en reducir su velocidad en las altas capas de la atmósfera para no incinerarse por la fricción con ella durante su descenso. Y aquí es cuando viene el aspecto interesante de la historia ya que para llevar a cabo este frenado, la primera etapa debe ejecutar precisamente una retropropulsión supersónica. A día de hoy, esta maniobra ha sido ejecutada por la primera etapa del cohete Falcon 9 en dos ocasiones y, además, de forma exitosa o, al menos, con un alto grado de éxito, lo que ha despertado el interés en los datos de estos vuelos por parte de los que trabajamos, entre otras cosas, en el diseño de misiones robóticas y tripuladas a Marte.

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