'7 minutos de terror': un vistazo a la tecnología que Perseverance necesitará para sobrevivir al aterrizaje en Marte

Nov 19, 2023

Miembro de ARC DECRA, Centro de Hipersónicos, Escuela de Ingeniería Mecánica y Minería, Universidad de Queensland

Chris James no trabaja, consulta, posee acciones ni recibe fondos de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no ha revelado afiliaciones relevantes más allá de su cargo académico.

La Universidad de Queensland proporciona financiación como miembro de The Conversation AU.

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Este mes ha sido muy ocupado para la exploración de Marte. Varios países enviaron misiones al planeta rojo en junio del año pasado, aprovechando una ventana de lanzamiento. La mayoría ya ha llegado después de su viaje de ocho meses.

En los próximos días, la NASA realizará una entrada directa a la atmósfera marciana para aterrizar el rover Perseverance en el cráter Jezero de Marte.

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La perseverancia, del tamaño aproximado de un automóvil, es la carga útil más grande de Marte: pesa literalmente una tonelada (en la Tierra). Después de aterrizar, el rover buscará signos de vida antigua y recolectará muestras para finalmente regresar a la Tierra.

La misión utilizará un hardware similar al de la misión Mars Science Laboratory (MSL) de 2012, que aterrizó el rover Curiosity, pero tendrá ciertas actualizaciones, incluida una mayor precisión de aterrizaje del rover.

El viaje de Curiosity proporcionó una gran cantidad de información sobre qué tipo de entorno podría enfrentar Marte 2020 y qué tecnología necesitaría para sobrevivir.

Como Marte es un entorno hostil y remoto con una atmósfera unas 100 veces más delgada que la de la Tierra, hay poca atmósfera para que las naves espaciales entrantes la utilicen para reducir la velocidad aerodinámicamente.

Más bien, sobrevivir a la entrada a Marte requiere una combinación creativa de aerodinámica, paracaídas, retropropulsión (utilizando el empuje del motor para desacelerar para aterrizar) y, a menudo, una gran bolsa de aire.

Además, los modelos del clima marciano no se actualizan en tiempo real, por lo que no sabemos exactamente a qué entorno se enfrentará una sonda durante la entrada. Los eventos climáticos impredecibles, especialmente las tormentas de polvo, son una de las razones por las que la precisión del aterrizaje se ha visto afectada en misiones anteriores.

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Los ingenieros de la NASA llaman a la fase de entrada, descenso y aterrizaje (EDL) de las misiones de entrada a Marte los "siete minutos de terror". En solo siete minutos, hay innumerables formas en que la entrada puede fallar.

La nave espacial MSL de 2012 estaba equipada con un escudo térmico de 4,5 metros de diámetro que protegía al vehículo durante su descenso a través de la atmósfera de Marte.

Entró en la atmósfera marciana a unos 5.900 m por segundo. Esto es hipersónico, lo que significa que es más de cinco veces la velocidad del sonido.

Marte 2020 será similar. Dependerá en gran medida de su sistema de protección térmica, que incluye un escudo térmico frontal y un escudo térmico posterior, para evitar que el flujo caliente dañe el rover guardado en el interior.

A velocidades hipersónicas, la atmósfera de Marte no podrá apartarse del camino de la nave lo suficientemente rápido. Como resultado, se formará una fuerte onda de choque en el frente.

En este caso, el gas frente al vehículo se comprimirá rápidamente, lo que provocará un gran salto en la presión y la temperatura entre la onda de choque y el escudo térmico.

El flujo caliente posterior al choque calienta la superficie del escudo térmico durante la entrada, pero el escudo térmico protege la estructura interna de este calor.

Dado que las misiones MSL 2012 y Mars 2020 utilizan cargas útiles relativamente más grandes, estas naves espaciales corren un mayor riesgo de sobrecalentamiento durante la fase de entrada.

Pero MSL eludió este problema de manera efectiva, en gran parte gracias a un escudo térmico especialmente diseñado que fue el primero en utilizar el material de ablación de carbono impregnado fenólico (PICA) de la NASA.

Este material, que también utiliza la nave espacial Mars 2020, está hecho de fibra de carbono cortada incrustada en una resina sintética. Es muy ligero, puede absorber un calor inmenso y es un aislante eficaz.

Todas las entradas antes de la misión MSL de 2012 no habían sido guiadas, lo que significa que no estaban controladas en tiempo real por una computadora de vuelo.

En cambio, la nave espacial fue diseñada para golpear la "interfaz de entrada" de Marte (125 km sobre el suelo) de una manera particular, antes de aterrizar donde los llevaran los vientos marcianos. Con esto vino una importante incertidumbre de aterrizaje.

El área de incertidumbre de aterrizaje se llama elipse de aterrizaje. Las misiones Viking Mars de la NASA en la década de 1970 tenían una elipse de aterrizaje estimada de 280x100 km. Pero tanto MSL como Mars 2020 se crearon para superar los esfuerzos anteriores.

La misión MSL fue la primera entrada guiada a Marte. Se utilizó una versión mejorada de la computadora de guía Apollo para controlar el vehículo en tiempo real y garantizar un aterrizaje preciso.

Con esto, MSL redujo su elipse de aterrizaje estimada a 20x6,5 km y terminó aterrizando a solo 2 km de su objetivo. Con un poco de suerte, Mars 2020 logrará resultados similares.

Se utilizará un paracaídas para reducir la velocidad de la nave espacial Mars 2020 lo suficiente como para realizar las maniobras finales de aterrizaje.

Con un diámetro de 21,5 m, el paracaídas será el más grande jamás utilizado en Marte y deberá desplegarse más rápido que la velocidad del sonido.

Desplegar el paracaídas en el momento adecuado será fundamental para lograr un aterrizaje preciso.

Una nueva tecnología llamada "disparador de rango" controlará el tiempo de despliegue, en función de la posición relativa de la nave espacial con respecto al lugar de aterrizaje deseado.

Unos 20 segundos después de que se abra el paracaídas, el escudo térmico se separará de la nave espacial, exponiendo a Perseverance al entorno marciano. Sus cámaras y sensores pueden comenzar a recopilar información a medida que se acerca al suelo.

El sistema de navegación relacionado con el terreno especializado del rover lo ayudará a aterrizar de manera segura al desviarlo a una superficie de aterrizaje estable.

Perseverance comparará un mapa precargado del lugar de aterrizaje con imágenes recopiladas durante su rápido descenso. Entonces debería poder identificar puntos de referencia debajo y estimar su posición relativa al suelo con una precisión de unos 40 m.

La navegación relativa al terreno es muy superior a los métodos utilizados para entradas anteriores a Marte. Las naves espaciales más antiguas tenían que confiar en sus propias estimaciones internas de su ubicación durante la entrada y no había forma de recalibrar esta información de manera efectiva.

Solo podían adivinar dónde estaban con una precisión de aproximadamente 2-3 km a medida que se acercaban al suelo.

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El paracaídas que transporta la nave espacial Mars 2020 solo puede reducir su velocidad a unos 320 km por hora.

Para aterrizar de manera segura, la nave espacial desechará el paracaídas y la carcasa trasera y usará cohetes que miran hacia el suelo para descender lentamente durante los últimos 2.100 m. Esto se llama "retropropulsión".

Y para evitar el uso de bolsas de aire para aterrizar el rover (como se hizo en misiones anteriores a MSL), Mars 2020 utilizará la maniobra "skycrane"; un juego de cables bajará lentamente el Perseverance al suelo mientras se prepara para el funcionamiento autónomo.

Una vez que Perseverance detecta que sus ruedas están seguras en el suelo, cortará los cables que lo conectan con el vehículo de descenso (que saldrá volando y chocará en algún lugar en la distancia).

Y con eso, los siete minutos de terror habrán terminado.