Sky Crane, la loca idea que se convirtió en norma

La grúa aérea fue la idea loca que realmente funcionó. (Crédito: NASA/JPL)

Antes del rover Curiosity, los rovers llegaban a la superficie de Marte a través de módulos de aterrizaje controlados por cohetes o saltaban alegremente a lo largo de la superficie enclavados en bolsas de aire. Sin embargo, la creación del Mars Science Laboratory (MSL), más tarde llamado Curiosity, presentó un dilema para los ingenieros. ¿Cómo bajar de forma segura un rover de una tonelada del tamaño de un Volkswagen?

Mientras que los rovers anteriores utilizaban módulos de aterrizaje en los que se alejaban, el nuevo Curiosity, del tamaño de un automóvil, presentaba un problema. Los módulos de aterrizaje necesitan rampas y los rovers más grandes necesitan rampas más grandes. Además, las rampas pueden ser una de las peores pesadillas de los ingenieros. Desde que el primer rover exitoso, Sojourner, aterrizó en Marte en 1997, los ingenieros siempre han tenido miedo de que un proyecto multimillonario pudiera llegar a un planeta a unas 40,000 millas de distancia de la Tierra, solo para que el rover se enganchara en una parte de la rampa de aterrizaje. , esencialmente convirtiéndose en un módulo de aterrizaje encima de otro módulo de aterrizaje, haciéndolos básicamente inútiles.

(Nota: el Sojourner del tamaño de un microondas no fue técnicamente el primer rover en suelo marciano. Esa distinción pertenece al rover ruso Prop-M, que estaba atado a sus módulos de aterrizaje Mars 2 y 3. Dado que Mars 2 se hundió en la superficie y Mars 3 perdió las comunicaciones con la Tierra debido a una tormenta de arena, ninguno de los rover se desplegó).

Segundo problema: estos módulos de aterrizaje más grandes y rampas más grandes necesitarían más espacio. En un planeta donde los principales habitantes son las rocas (y muchas), encontrar espacio libre sería una gran espina en el costado de los encargados de encontrar un lugar para aterrizar. No solo eso, sino que la buena ciencia surge cuando te acercas a las rocas, lo que sería difícil si tuvieras que estacionar en el lote BFE.

Tercer problema: poner cohetes en la parte inferior de un rover como se hizo en módulos de aterrizaje anteriores como Viking crea un problema de estabilidad. En el libro Curiosity de Rod Pyle, lo compara con equilibrar una bola de bolos en un palo de escoba.

Esta es una de las razones por las que Spirit y Opportunity utilizaron el sistema de bolsas de aire. El sistema de bolsas de aire es más o menos como suena. Antes de que el rover aterrizara en el suelo, las bolsas de aire se inflarían rebotando para aterrizar donde pudieran. Esta nunca fue una opción viable para el rover Curiosity, mucho más grande. Las bolsas de aire solo pueden soportar una cantidad limitada de peso y 2,000 libras superan con creces esos límites. Además, las bolsas de aire también crean otra cosa para que el rover se enganche.

Así que se necesitaba un nuevo sistema de aterrizaje. Como el ingeniero jefe de Curiosity, Rob Manning, le dijo a Pyle en su libro: Estábamos pensando fuera de la caja. De hecho, tiramos la caja. Estábamos literalmente analizando todas las formas posibles de aterrizar esta máquina, tratando de imaginar todas las configuraciones posibles, tuviera sentido o no.

Cuando Manning y su equipo concibieron la idea por primera vez, no tuvo precisamente una acogida calurosa. Después de todo, Curiosity vendría de la mano de dos fallas de alto perfil de la NASA con las misiones Mars Polar Lander y Mars Climate Orbiter de la era mejor, más rápida y más barata del programa espacial. (En 2004, Harvard Review publicó un informe utilizando este método de la NASA como la forma de NO hacer negocios).

Así que se planteó la idea, pero no por mucho tiempo.

Después de un tiempo ideando otras estrategias, siempre terminaba volviendo a la grúa aérea. Por angustioso que sonara, también era una de las mejores opciones para llevar el rover al mejor destino.

La grúa del cielo

Piense en la parte de la grúa aérea de la etapa de descenso como una especie de jetpack con ocho motores que bajaron el rover al suelo de manera segura. La grúa aérea reduce la velocidad del robot hasta que se cierne sobre la superficie, luego baja lentamente el rover con cuerdas de nailon.

Si alguna vez ha visto helicópteros Sikorsky Skycrane de carga pesada con carga colgando debajo a través de cables, esa es la esencia de la grúa aérea. De hecho, los ingenieros que concibieron la idea por primera vez se reunieron con los pilotos e ingenieros de esa ave para recibir orientación. Desafortunadamente, debido a las diferencias de gravedad entre Marte y la Tierra, no había una forma real de probar el sistema de aterrizaje. Sí, fue una operación de vida o muerte donde la única prueba real TENÍA que funcionar.

Hablamos de eso sin parar. Si esto no saliera bien, no habría ningún lugar donde esconderse porque cada joe pack de seis en la calle estaría diciendo que sabían que no funcionaría, dijo a Astronomy Adam Steltzner del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, ingeniero jefe del rover Perseverance. El equipo de Stelzner originalmente pensó en la idea de la grúa aérea para Curiosity.

Si todo va bien y el rover llega a salvo al suelo, las cuchillas activadas pirotécnicamente cortan los cables que lo conectan a la etapa de descenso. Luego, la etapa de descenso vuela para hacer su propio aterrizaje incontrolado en la superficie de la superficie marciana a una distancia segura del rover.

Antes de que llegue a suelo marciano, los rovers tienen que pasar por seis fases de EDL (Crédito: NASA/JPL)

Sin embargo, antes de todo eso, la máquina tiene que atravesar la atmósfera. El intenso período llamado fase de entrada, descenso y aterrizaje (EDL) de la misión comienza cuando la nave espacial alcanza la parte superior de la atmósfera marciana, viajando a unas 13.200 millas por hora (5.900 metros por segundo). EDL termina unos siete minutos más tarde (conocido como los Siete Minutos del Terror) con el rover inmóvil en la superficie. Desde justo antes del lanzamiento de la etapa de crucero, 10 minutos antes de que la nave golpee la atmósfera, hasta el corte de la brida de la grúa aérea, la nave espacial pasa por seis configuraciones diferentes de vehículos y dispara 76 dispositivos pirotécnicos, como liberaciones para separar o desplegar piezas. .

El paracaídas, que tiene 51 pies (casi 16 metros) de diámetro, se despliega unos 254 segundos después de entrar, a una altitud de unas 7 millas (11 kilómetros) y una velocidad de unas 940 millas por hora (unos 405 metros por segundo). Unos 24 segundos más después del despliegue del paracaídas, el escudo térmico se separa y cae cuando la nave espacial se encuentra a una altitud de unas 5 millas (unos 8 kilómetros), viajando a una velocidad de unas 280 millas por hora (125 metros por segundo).

A medida que el escudo térmico se separa, el Mars Descent Imager comienza a grabar video, mirando en la dirección en la que vuela la nave espacial. La cámara graba continuamente desde entonces hasta el aterrizaje. El rover, con su mochila cohete de etapa de descenso, todavía está unido a la carcasa trasera del paracaídas.

La carcasa trasera, con un paracaídas adjunto, se separa de la etapa de descenso y del rover unos 85 segundos después de la separación del escudo térmico. En este punto, la nave espacial está a unas 1,3 millas (2,1 kilómetros) sobre el suelo y avanza hacia ella a unas 190 millas por hora (unos 80 metros por segundo), a 6.900 pies (2.100 metros) sobre el suelo.

Los ocho retrocohetes regulables de combustible líquido en la etapa de descenso, llamados motores de aterrizaje en Marte, comenzarían a funcionar para la fase de descenso propulsado. Las ruedas y el sistema de suspensión del rover, que se doblan como tren de aterrizaje, se colocan en su lugar justo antes del aterrizaje. La brida se desenrolla por completo a medida que la nave espacial continúa descendiendo, por lo que el aterrizaje se produce a una velocidad de marcha rápida de aproximadamente 1,7 millas por hora (0,75 metros por segundo). Cuando la nave espacial detecta que el rover ha tocado tierra, esas aspas disparadas pirotécnicamente sueltan las cuerdas y la etapa de descenso puede volar antes de impactar en la superficie de Marte lejos del rover.

Una diferencia notable entre Perseverances EDL y Curiositys es el Lander Vision System (LVS). Mientras que Curiosity usó un radar para determinar la distancia al suelo, Perseverance utilizó un tipo de tecnología completamente nuevo.

El trabajo de LVS determinó la posición de los rovers, manejando diferentes condiciones de terreno posibles, con una precisión de aproximadamente 130 pies (40 metros) en menos de 10 segundos. Contiene una cámara orientada hacia abajo que tomó múltiples imágenes del suelo y una computadora a bordo, el elemento de cálculo de visión (VCE), que procesó estas imágenes y escupió ubicaciones de aterrizaje aceptables. Después de encender la cámara, el LVS usó cinco segundos iniciales para tomar tres imágenes y procesarlas para calcular una posición aproximada en relación con la superficie marciana. Luego, utilizando esa solución de ubicación inicial, tomó imágenes adicionales, procesándolas cada segundo, derivando ubicaciones en una escala más fina. El VCE envió un flujo de estos cálculos de ubicación al cerebro principal del rover, el Rover Compute Element.

Ahora, lo que comenzó como una idea descabellada parece convertirse en la norma para la NASA.

Si está aterrizando un rover en Marte, no hay duda de que esta es la forma correcta, dijo Steltzner. (Para Curiosity) ciertamente teníamos preguntas sobre si esto realmente era una locura para tratar de hacer. ¿Nos habíamos perdido algo importante? ¿Fue totalmente incorrecto? ¿Todas las piezas realmente se unieron y funcionaron? Respondimos esas preguntas.

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