La maniobra de Aerofrenado de la misión ExoMars/TGO de la ESA

HANG 10 SOBRE MARTE

TGO comienza la fase de ‘walk-in’ (introducción) para el aerofrenado

Hang 10  es una maniobra de surf. Significa  realizar una maniobra en una tabla larga y pesada en la que una persona que practica surf se mueve a la parte frontal de la tabla y montadas con diez dedos extendidos a lo largo de la nariz, después de posicionar la tabla de modo que la parte posterior de ella se cubre y se mantiene en su lugar por una ola. # hang10 #aeb #aerobraking.

A la izquierda: Escena del “All Girl Cayucos Pier Classic Surf Contest”, 20 de Marzo del 2010, Cayucos, CA. En la imagen la estrella y mentora  de jóvenes del Surf, Miranda Joseph, realizando el Hang 10. Crédito: : Mike Baird CC BY 2.0.

Después de meses de trabajo muy duro realizado por el equipo de control de la misión en ESOC, el equipo científico en ESAC, el equipo del proyecto ExoMars en ESTEC y la industria, el gran día finalmente llegó.

A las 11:56 GMT (12:56 CET) del 15 de Marzo , el orbitador ExoMars /Trace Gas Orbiter (TGO) ejecutó la primera de una serie de siete encendidos de sus propulsores que redujeron su órbita, por etapas, hasta que comenzase a ‘sentir’ la débil y escasa resistencia  ( ver nota más abajo ) debido a la atmósfera de Marte.

Los encendidos de los propulsores se llevaron a cabo entre el 15 de Marzo y el 6 de Abril. El primero fue el más grande, planificado para lograr un ‘delta-v’ (cambio de velocidad) de aproximadamente 3 m / seg.

El efecto de la primera maniobra fue llevar el perigeo– el punto de la órbita más cercano a Marte – a una  altitud de unos 150 km sobre la superficie del planeta; los restantes encendidos fueron de menor intensidad.

Encaminándose hacia el Aerofrenado desde arriba

“La primera maniobra se puede comparar a ‘probar el agua’,” dice Michael Khan del equipo de Análisis de la Misión en ESOC.

“Los pases atmosféricos resultantes, una por día, lo hicieron en la profundidad suficiente para permitir que la nave espacial experimentase alguna resistencia  verdadera del aire , por lo que el equipo de la misión puedo ver cómo  se comportaba  la nave en las condiciones reales de aerofrenado.”

“Sin embargo, a una altura mínima de 150 km, el calentamiento y las fuerzas no son lo suficientemente intensos como para poner la nave en riesgo de daño, incluso si la nave no se comporta según lo previsto.”

Luego de que los tres primeros días transcurrieron como se esperaba,  hubo otra maniobra para bajar la altura del periapsis a 140 km, el 18 de Marzo.

Ilustración de la órbita altamente elíptica al inicio del aerofrenado. El Periapsis está indicado por la flecha roja a la izquierda; el apoapsis es el punto donde está dibujada la nave espacial TGO a la derecha. El objetivo es lograr una órbita circular, a unos 400 km de altitud. Crédito: ESA.
Esto  subió la apuesta significativamente,  exponiendo a la nave espacial a cargas aerodinámicas notablemente superiores. Habiendo eso trasnscurrido bien, tres días después, el perigeo se bajó de nuevo otros 10 km. Después de eso, la reducción ocurrió en incrementos más pequeños.
La altitud del periapsis  prevista para el final de esta fase  el día 6 de Abril, es decir, cuando el aerofrenado estuviese en plena marcha, es de 113 km, pero esto puede cambiar de acuerdo a lo que experimente el  TGO durante cada pasaje por el periapsis.
 Comienza el Aerofrenado
Así, a partir del 6 de Abril, la nave comenzó la fase crítica, de un año de duración, de ‘aerofrenado’ propiamente, usando la débil resistencia aerodinámica de la parte más exterior de la atmósfera de Marte para frenar la nave, bajando así su órbita.
En la técnica de aerofrenado, la débil resistencia en el periapsis disminuye la velocidad de la nave de modo que la altura de su apoapsis – el punto a una  mitad de órbita más adelante, cuando hace su pasaje más alto sobre la superficie – se reduce constantemente.
Si todo va bien, a principios del 2018, la órbita se habrá transformado de su actual forma muy elíptica, de 33 000 km x 200 km con una revolución cada 24 horas, a una órbita circular de aproximadamente 400 km x 400 km con una revolución  aproximadamente cada dos horas.
Esta será la órbita de rutina para la fase principal de  ciencia de la misión, y está optimizada tanto para la recopilación de datos científicos como también para permitir que TGO  sirva como una plataforma  repetidora de radio, haciendo la transmisión de señales desde activos superficiales tales como vehículos de exploración hacia la Tierra.
“El Aerofrenado es una gran técnica para el ahorro de combustible, lo que significa que nuestra nave espacial pudo ser diseñada, construida y puesta en marcha sin necesidad de cargar a lo largo de todo el viaje, cientos de kilogramos de combustible extra [ ahorramos unos 600 kg – Ed. ] para llevar a cabo las importantes etapas de propulsión que de otro modo serían necesarias “, dijo Peter Schmitz, Director de Operaciones de la nave.

Doble, doble trabajo para evitar problemas 

Pero el aerofrenado significa que, durante la mayor parte de un año, los equipos de control de la misión en ESOC en Darmstadt, Alemania, tendrán que trabajar muy intensamente, realizando el seguimiento y la evaluación del progreso de la nave espacial muy de cerca, y hacer pequeños ajustes a la órbita con el encendido de los propulsores, si es necesario .

Si la resistencia es demasiado suave, tenemos que ir más bajo; si la resistencia es demasiado alta, tenemos que ir más alto “, dice Peter.

Y allí no habrá mucho tiempo disponible para reaccionar en caso de que algo inesperado suceda.

“El Aerofreando será especialmente exigente para nuestros  expertos en dinámica de vuelo, que deberán realizar determinaciones periódicas y frecuentes de la órbita para que sepamos exactamente en dónde está la nave espacial , lo que es necesario para cosas como la planificación de los pasajes para la comunicación con las estaciones en la Tierra,” dice Peter.

La imprevisibilidad del efecto de aerofrenado durante cada órbita – y la incertidumbre resultante en la actitud y la orientación de la nave – también afectarán a los rastreadores de estrellas, que podrían quedar temporalmente cegados si quedan enfocados a cualquier parte del limbo de Marte, durante o después de un pase de aerofrenado.

“Es difícil establecer la demanda de la cantidad de planificación, la evaluación cuidadosa y los ciclos regulares de mando, de duración limitada que se requerirán durante el aerofrenado,” dice Peter.

Surfeando

Uno de los grandes factores al que el equipo tendrá que adaptarse es la imprevisibilidad de la atmósfera de Marte.

La atmósfera de Marte, que comprende principalmente dióxido de carbono, es muy delgada en comparación con la de la Tierra, y su densidad es muy cambiante.

Trace Gas Orbiter (TGO) – órbita típica de aerofrenado. La fase de frenado sucede en el pasaje por el periapsis, a la izquierda, en la zona de color verde. Crédito: ESA.

Cerca de la superficie, su temperatura y densidad se ven afectados por variables como el clima, las tormentas de polvo, la luz solar y efectos difíciles de predecir (en tiempo real), tales como el calentamiento solar de la superficie (que da origen a las corrientes de convección).

En las altitudes muy superiores, a unos 113 kilómetros donde TGO comenzará las órbitas de aerofrenado, la atmósfera es extremadamente delgada, con una densidad del orden de tan sólo 10 ^ -7 kg / m 3 , y la actividad de polvo y las tormentas solares pueden tener un gran efecto sobre la densidad.

El resultado neto es que la cantidad de desaceleración debida a la resistencia atmosférica durante cada paso de aerofrenado (el segmento de la órbita alrededor del periapsis) puede variar de manera impredecible, y los equipos tendrán que observar cuidadosamente para evaluar los resultados de frenado reales.

El calor y la presión

Además, la nave espacial está diseñada para manejar ciertos niveles máximos de calor y presión dinámica, y los equipos tendrán que observar cuidadosamente para ver que estos límites no se excedan.

Por ejemplo, la temperatura debida a la resistencia de rozamiento sobre los paneles solares especialmente diseñados no debe exceder de 145 C.

“Con los planes actuales, sólo esperamos  alrededor de 70 C en las matrices solares, y unos pocos grados más no darían ningún problema”, dice el Ingeniero Operaciones de la nave Chris White.

“Si la temperatura sube por encima de 145 C, o si cualquiera de muchas otras condiciones ‘disparadoras’ son encontradas, la nave espacial está programada para llevar a cabo de forma autónoma una ‘maniobra emergente,’ disparando su propulsor en el siguiente paso por el apoapsis para aumentar la altura del periapsis, a fin de reducir la temperatura y la presión debido a la resistencia “.

Figura a la derecha_: actitud del TGO en el aerofrenado , visto en elevación / perfil. La dirección del vuelo es de derecha a izquierda. Crédito: ESA.

Esta es también la razón por la que la nave espacial fue bajada de altura  paso a paso a través de los siete encendidos del propulsor mientras  tuvo lugar la fase ‘walk-in’ (caminando hacia el aerofrenado), de modo que el  aerofrenado sólo comienzó cuando la nave empezó a experimentar una cierta densidad atmosférica objetivo, y no más ni menos.

“Los modelos atmosféricos no son perfectos, así que tuvimos que ‘sentir’ nuestro camino de descenso hasta el inicio del aerofrenado adecuado,” dijo Chris.

Tenga en cuenta que  cada una de las instancias de aerofrenado tiene lugar al pasar por el periapsis, por lo cual TGO estará fuera de contacto con las estaciones de Tierra debido a la especial actitud de la nave espacial (con el motor señalando en la dirección del vuelo, y con el eje de la nave ligeramente inclinado hacia ‘arriba’ – véase el diagrama de la derecha ), lo que significa que la antena de alta ganancia está apuntando fuera y lejos de la Tierra.

TGO es un hueso duro de roer

Los ingenieros han pasado meses planeando  el Aerofrenado, que utilizará la resistencia atmosférica para bajar la nave espacial a su última órbita circular de 400 x 400 kilometros, órbita científica de rutina. Cuando se trata del calor y la presión de frenado aéreo, aquí están algunas de las limitaciones físicas de la nave espacial – que se están aplicando con un margen de seguridad del 150%! :

flujo de calor pico: 1,120 W / m 2 (pero TGO puede soportar 2.5x  sin degradación)
• carga de calor por pasada: 100 kJ / m 2 (pero TGO puede soportar 2.5x  sin degradación)
• presión dinámica de pico: 0,175 N / m 2 – pero las simulaciones dicen que vamos a golpear uno de los límites térmicos primero.


Interrupción en el aerofrenado

La fase de aerofrenado tendrá que ser interrumpida durante unos dos meses debido a la conjunción solar cuando Marte está detrás del Sol visto desde la Tierra -el ‘ruido’ de radio desde el Sol va a interferir con la señal de radio-frecuencia entre TGO y la Tierra [la temporada de conjunción  también se conoce como ‘ la temporada de baja tasa de bits ‘ – Ed. ].

Un elemento clave en esta pausa es que el periapsis de la  TGO será levantado deliberadamente (por una maniobra) para que se mantenga encima de la atmósfera durante estos dos meses – por lo que la nave espacial estará segura, incluso si no se controla tan firmemente como requieren cada uno de los pases atmosféricos .

“Desde finales de Agosto, el aerofrenado se iniciará de nuevo repitiendo el descenso gradual en la atmósfera, como lo estamos haciendo ahora”, dice el director de vuelo Michel Denis.

 


 Aerofrenado del TGO. Evolución de altitud del apoapsis . La meseta plana indica la pausa en el aerofrenado debida a la temporada de conjunción.. Crédito: ESA. Ver a Marte en el cielo durante el 2017.

Durante esas semanas, incluso con no demasiadas cosas sucediendo con la propia nave espacial, el equipo de control de la misión estará muy ocupado con los exámenes, evaluación de resultados, el banco de prueba, la validación del software y la preparación para la siguiente fase final del aerofrenado y mucho más. 

“Durante esta intensa actividad, el equipo también aprovechará el periodo para tomar alguna licencia, dice Peter Schmitz.

Una vez que la Tierra y Marte continúen en sus órbitas hasta  que Marte se haya separado más de ~ 10 °  del Sol, visto desde la Tierra, se reiniciará la comunicación normal   y el aerofrenado puede recomenzar.

Aerofrenado del TGO.  Evolución de la altitud del periapsis (altitud con respecto a la superficie de Marte; R = 3,397 kilometros).La meseta plana elevada indica la pausa en el aerofrenado debido a la temporada de conjunción. Crédito: ESA.

El final del principio

Si todo va bien, a principios del 2018, el  TGO estará bastante cerca de una órbita de 120 x 400 kilometros , y, en principio, se necesita sólo un corto impulso o dos para pasar a la órbita circular de 400 x 400 kilómetros.

Pero terminar la fase de  aerofrenado, no será tan sencillo para el equipo de operaciones.

Un factor importante será que, entonces, el período orbital será reducido a sólo dos horas aproximadamente. Este es un factor porque la nave tiene que girar usando sus ruedas de reacción en una actitud específica en cada pasaje de aerofrenado, a continuación, volver a girar de nuevo para poner la nave en una actitud señalando hacia la Tierra para llevar a cabo la comunicación para el paso subsiguiente.

“Nuestras ruedas de reacción, siendo  fiables, son algo pequeñas, y TGO es algo masivo, por lo que el giro es lento, y podemos encontrar que no hay suficiente margen de tiempo para llevar a cabo las maniobras de giro requeridas durante cada órbita, cuando cada órbita sólo dura dos horas” dice Peter.

“Una solución puede estar en el hecho de que la antena de alta ganancia es orientable, por lo que estamos buscando opciones que  aprovechen  ésto. La estrategia de operaciones precisas para esta fase, todavía se está elaborando, pero estaremos listos “.

Técnicas interplanetarias desafiantes.

Si bien esta es la primera vez que hemos utilizado el aerofrenado para alcanzar una órbita operacional alrededor de otro planeta, ésta no es la primera experiencia de los equipos de la ESA con esta técnica.

Hace unos años, en el 2014, la nave Venus Express llevó a cabo una larga campaña de aerofrenado  al final de su misión, mediante la técnica de bajar de manera constante en la atmósfera de Venus para recopilar valiosos datos científicos desde altitudes hasta ahora inexploradas.

La NASA también ha utilizado el aerofrenado en Marte – para llevar al Orbitador de Reconocimiento de Marte (MRO) y a otras naves espaciales a órbitas bajas respecto de la superficie de Marte.


notas:

  1. De hecho, la nave espacial sintió la tenue resistencia, con su periapsis todavía firmemente fuera de la atmósfera real a 200 km de altura. Los equipos de la ESA pueden ‘ver’ los efectos de frenado en los datos Doppler de la nave espacial – detectados mediante el análisis de las señales de comunicación transmitidas por TGO – y lo ven en los cambios de actitud de la nave, no planificados.

  2. Muchas gracias a Peter Schmitz, Michael Khan y Chris White para sus aportes y revisión de este post.

  3. Aquí hay una gran animación que muestra el desarrollo de la órbita de TGO durante toda la campaña de aerofrenado:

Fuente del artículo: ESA.     Artículo original: “Hang 10 over Mars

Material relacionado:

Toda la información de la misión ExoMars de la ESA, la encuentra en el sitio: “ESA, Robotic Exploration of Mars“.