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Laboratorio de Ciencias de Marte
Robotic mission that deployed the Curiosity rover to Mars in 2012
Mars Science Laboratory ( MSL ) es una misión de sonda espacial robótica a Marte lanzada por la NASA el 26 de noviembre de 2011, [2] que aterrizó con éxito Curiosity , un rover marciano , en el cráter Gale el 6 de agosto de 2012. [3] [9] [10] [11] Los objetivos generales incluyen investigar la habitabilidad de Marte , estudiar su clima y geología y recopilar datos para una misión humana a Marte . [12] El rover lleva una variedad de instrumentos científicos diseñados por un equipo internacional. [13]
Descripción general
Vista de Marte tomada por el Hubble : se puede ver el cráter Gale . Un poco a la izquierda y al sur del centro, hay una pequeña mancha oscura con una estela de polvo que se dirige hacia el sur.
El MSL llevó a cabo con éxito el aterrizaje marciano más preciso de cualquier nave espacial conocida hasta el momento, al impactar en una pequeña elipse de aterrizaje de tan solo 7 por 20 km (4,3 por 12,4 mi), [14] en la región Aeolis Palus del cráter Gale. En el evento, el MSL logró un aterrizaje a 2,4 km (1,5 mi) al este y 400 m (1.300 pies) al norte del centro del objetivo. [15] [16] Esta ubicación está cerca de la montaña Aeolis Mons (también conocida como "Monte Sharp"). [17] [18] La misión del rover está programada para explorar durante al menos 687 días terrestres (1 año marciano) en un rango de 5 por 20 km (3,1 por 12,4 mi). [19]
Entre los exploradores estadounidenses que han logrado llegar a Marte con éxito se encuentran el Sojourner de la misión Mars Pathfinder y los exploradores de Marte Spirit y Opportunity . El Curiosity es aproximadamente el doble de largo y cinco veces más pesado que Spirit y Opportunity [22] y lleva una masa diez veces superior a la de los instrumentos científicos. [23]
Metas y objetivos
Autorretrato de MSL desde el cráter Gale sol 85 (31 de octubre de 2012)
(8) Caracterizar el amplio espectro de la radiación superficial, incluyendo la radiación cósmica , los eventos de partículas solares y los neutrones secundarios . Como parte de su exploración, también midió la exposición a la radiación en el interior de la nave espacial mientras viajaba a Marte, y continúa con las mediciones de radiación a medida que explora la superficie de Marte. Estos datos serían importantes para una futura misión humana . [25]
Aproximadamente un año después del inicio de la misión a la superficie, y tras haber evaluado que el antiguo Marte podría haber sido hospitalario para la vida microbiana, los objetivos de la misión MSL evolucionaron hacia el desarrollo de modelos predictivos para el proceso de preservación de compuestos orgánicos y biomoléculas ; una rama de la paleontología llamada tafonomía . [26]
Presupuesto
Astronave
El Laboratorio Científico de Marte en su fase final de montajeDiagrama de la nave espacial MSL: 1- Etapa de crucero; 2- Carcasa posterior; 3- Etapa de descenso; 4- Rover Curiosity ; 5- Escudo térmico; 6- Paracaídas
El sistema de vuelo de la nave espacial tenía una masa en el lanzamiento de 3.893 kg (8.583 lb), y consistía en una etapa de crucero alimentada con combustible Tierra-Marte (539 kg (1.188 lb)), el sistema de entrada-descenso-aterrizaje (EDL) (2.401 kg (5.293 lb) incluyendo 390 kg (860 lb) de propulsor de aterrizaje ) y un rover móvil de 899 kg (1.982 lb) con un paquete de instrumentos integrado. [1] [27]
La nave espacial MSL incluye instrumentos específicos para vuelos espaciales, además de utilizar uno de los instrumentos del explorador, el detector de evaluación de radiación (RAD), durante el tránsito del vuelo espacial a Marte.
Instrumento de EDL del MSL (MEDLI): El objetivo principal del proyecto MEDLI es medir los entornos aerotérmicos, la respuesta del material del escudo térmico del subsuelo, la orientación del vehículo y la densidad atmosférica. [28] El conjunto de instrumentos MEDLI se instaló en el escudo térmico del vehículo de entrada del MSL. Los datos adquiridos respaldarán futuras misiones a Marte al proporcionar datos atmosféricos medidos para validar los modelos atmosféricos de Marte y aclarar los márgenes de diseño del módulo de aterrizaje en futuras misiones a Marte. La instrumentación MEDLI consta de tres subsistemas principales: los conectores de sensores integrados de MEDLI (MISP), el sistema de datos atmosféricos de entrada a Marte (MEADS) y la electrónica de soporte de sensores (SSE).
Vagabundo
Diagrama del rover codificado por colores
El rover Curiosity tiene una masa de 899 kg (1.982 lb), puede viajar hasta 90 m (300 pies) por hora en su sistema de bogie-balancín de seis ruedas, está propulsado por un generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) y se comunica tanto en la banda X como en la banda UHF.
Computadoras: Las dos computadoras idénticas a bordo del rover, llamadas "Rover Compute Element" (RCE), contienen memoria reforzada contra la radiación para tolerar la radiación extrema del espacio y protegerse contra ciclos de apagado. La memoria de cada computadora incluye 256 KB de EEPROM , 256 MB de DRAM y 2 GB de memoria flash . [29] Esto se compara con los 3 MB de EEPROM, 128 MB de DRAM y 256 MB de memoria flash utilizados en los rovers de exploración de Marte. [30]
Las computadoras RCE utilizan la CPU RAD750 (un sucesor de la CPU RAD6000 utilizada en los Mars Exploration Rovers) que opera a 200 MHz. [31] [32] [33] La CPU RAD750 es capaz de hasta 400 MIPS , mientras que la CPU RAD6000 es capaz de hasta 35 MIPS. [34] [35] De las dos computadoras a bordo, una está configurada como respaldo y tomará el control en caso de problemas con la computadora principal. [29]
El rover tiene una unidad de medición inercial (IMU) que proporciona información de tres ejes sobre su posición, que se utiliza en la navegación del rover. [29] Las computadoras del rover se autocontrolan constantemente para mantener el rover operativo, por ejemplo, regulando la temperatura del rover. [29] Las actividades como tomar fotografías, conducir y operar los instrumentos se realizan en una secuencia de comandos que se envía desde el equipo de vuelo al rover. [29]
Los ordenadores del rover ejecutan VxWorks , un sistema operativo en tiempo real de Wind River Systems . Durante el viaje a Marte, VxWorks ejecutó aplicaciones dedicadas a la fase de navegación y guía de la misión, y también contó con una secuencia de software preprogramada para manejar la complejidad de la entrada-descenso-aterrizaje. Una vez aterrizado, las aplicaciones fueron reemplazadas por software para conducir en la superficie y realizar actividades científicas. [36] [37] [38]
La antena Goldstone puede recibir señales.Ruedas de un satélite hermano del Curiosity . El patrón de código Morse (para " JPL ") está representado por agujeros pequeños (puntos) y grandes (rayas) en tres líneas horizontales sobre las ruedas. El código en cada línea se lee de derecha a izquierda.
Comunicaciones: Curiosity está equipado con varios medios de comunicación, para redundancia. Un transpondedor de espacio profundo pequeño de banda X para comunicarse directamente con la Tierra a través de la red de espacio profundo de la NASA [39] y una radio definida por software UHF Electra -Lite para comunicarse con los orbitadores de Marte. [27] : 46 El sistema de banda X tiene una radio, con un amplificador de potencia de 15 W, y dos antenas: una antena omnidireccional de baja ganancia que puede comunicarse con la Tierra a velocidades de datos muy bajas (15 bit/s en el alcance máximo), independientemente de la orientación del rover, y una antena de alta ganancia que puede comunicarse a velocidades de hasta 32 kbit/s, pero debe estar dirigida. El sistema UHF tiene dos radios (aproximadamente 9 W de potencia de transmisión [27] : 81 ), que comparten una antena omnidireccional. Este puede comunicarse con el Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) y el orbitador Mars Odyssey 2001 (ODY) a velocidades de hasta 2 Mbit/s y 256 kbit/s, respectivamente, pero cada orbitador solo puede comunicarse con Curiosity durante unos 8 minutos al día. [40] Los orbitadores tienen antenas más grandes y radios más potentes, y pueden retransmitir datos a la Tierra más rápido de lo que el rover podría hacerlo directamente. Por lo tanto, la mayoría de los datos devueltos por Curiosity (MSL) son a través de los enlaces de retransmisión UHF con MRO y ODY. El retorno de datos durante los primeros 10 días fue de aproximadamente 31 megabytes por día.
Normalmente, se transmiten 225 kbit/día de comandos al rover directamente desde la Tierra, a una velocidad de datos de 1–2 kbit/s, durante una ventana de transmisión de 15 minutos (900 segundos), mientras que los volúmenes más grandes de datos recopilados por el rover se devuelven a través de un relé satelital. [27] : 46 El retraso de la comunicación unidireccional con la Tierra varía de 4 a 22 minutos, dependiendo de las posiciones relativas de los planetas, siendo 12,5 minutos el promedio. [41]
En el momento del aterrizaje, la telemetría fue monitoreada por el orbitador Mars Odyssey 2001 , el Mars Reconnaissance Orbiter y la Mars Express de la ESA . Odyssey es capaz de transmitir telemetría UHF a la Tierra en tiempo real. El tiempo de transmisión varía con la distancia entre los dos planetas y tardó 13:46 minutos en el momento del aterrizaje. [42] [43]
Sistemas de movilidad: Curiosity está equipado con seis ruedas en una suspensión de balancín , que también sirvió como tren de aterrizaje para el vehículo, a diferencia de sus predecesores más pequeños. [44] [45] Las ruedas son significativamente más grandes (50 centímetros (20 pulgadas) de diámetro) que las utilizadas en los rovers anteriores. Cada rueda tiene tacos y se acciona y engrana de forma independiente, lo que permite trepar en arena blanda y trepar por rocas. Las cuatro ruedas de las esquinas se pueden dirigir de forma independiente, lo que permite que el vehículo gire en su lugar y ejecute giros en arco. [27] Cada rueda tiene un patrón que la ayuda a mantener la tracción y deja huellas estampadas en la superficie arenosa de Marte. Ese patrón es utilizado por las cámaras de a bordo para juzgar la distancia recorrida. El patrón en sí es el código Morse para " JPL " ( •−−− •−−• •−•• ). [46] Según el centro de masa, el vehículo puede soportar una inclinación de al menos 50 grados en cualquier dirección sin volcarse, pero los sensores automáticos limitarán que el vehículo supere las inclinaciones de 30 grados. [27]
La estrategia general de análisis comienza con cámaras de alta resolución para buscar características de interés. Si una superficie en particular es de interés, Curiosity puede vaporizar una pequeña porción de ella con un láser infrarrojo y examinar la firma espectral resultante para consultar la composición elemental de la roca. Si esa firma intriga, el rover usará su brazo largo para balancearse sobre un microscopio y un espectrómetro de rayos X para observar más de cerca. Si el espécimen justifica un análisis más profundo, Curiosity puede perforar la roca y entregar una muestra en polvo al SAM o a los laboratorios analíticos CheMin dentro del rover. [47] [48] [49]
CheMin : CheMin es la abreviatura de 'Química y Mineralogía', y es unanalizador de difracción de rayos X y fluorescencia de rayos X. [50] [51] [52] Identificará y cuantificará los minerales presentes en rocas y suelos y, por lo tanto, evaluará la participación del agua en su formación, deposición o alteración. [51] Además, los datos de CheMin serán útiles en la búsqueda de posibles biofirmas minerales , fuentes de energía para la vida o indicadores de entornos habitables pasados. [50] [51]
Comparación de dosis de radiación: incluye la cantidad detectada en el viaje de la Tierra a Marte por el RAD en el MSL (2011-2013) [57] [58] [59]
Detector de Evaluación de Radiación (RAD): Este instrumento fue el primero de diez instrumentos del MSL que se pusieron en funcionamiento. Tanto en ruta como en la superficie del planeta, caracterizará el amplio espectro de radiación que se encuentra en el entorno marciano. Encendido después del lanzamiento, registró varios picos de radiación causados por el Sol. [60] El 31 de mayo de 2013, los científicos de la NASA informaron que una posible misión humana a Marte podría implicar un gran riesgo de radiación en función de la cantidad de radiación de partículas energéticas detectada por el RAD en el Laboratorio Científico de Marte durante el viaje de la Tierra a Marte en 2011-2012. [57] [58] [59]
Albedo dinámico de neutrones (DAN): una fuente y detector de neutrones pulsados para medir hidrógeno o hielo y agua en o cerca de la superficie marciana. [61] [62] El 18 de agosto de 2012 (sol 12) se encendió el instrumento científico ruso, DAN, [63] marcando el éxito de una colaboración ruso-estadounidense en la superficie de Marte y el primer instrumento científico ruso en funcionamiento en la superficie marciana desde que Mars 3 dejó de transmitir hace más de cuarenta años. [64] El instrumento está diseñado para detectar agua subterránea. [63]
MastCam : este sistema proporciona múltiples espectros e imágenes en color verdadero con dos cámaras.
Mars Hand Lens Imager (MAHLI) : Este sistema consta de una cámara montada en un brazo robótico del explorador, que se utiliza para adquirir imágenes microscópicas de rocas y suelo. Tiene LED blancos y ultravioleta para su iluminación.
ChemCam: Diseñado por Roger Wiens es un sistema de instrumentos de teledetección que se utiliza para erosionar la superficie marciana hasta 10 metros de distancia y medir los diferentes componentes que forman la tierra. [73] La carga útil incluye el primer sistema de espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) que se utilizará para la ciencia planetaria, y la quinta cámara científica de Curiosity , el micro-imager remoto (RMI). El RMI proporciona imágenes en blanco y negro con una resolución de 1024 × 1024 en un campo de visión de 0,02 radianes (1,1 grados). [74] Esto es aproximadamente equivalente a una lente de 1500 mm en una cámara de 35 mm .
MARDI observa la superficie.
Mars Descent Imager (MARDI) : Durante parte del descenso a la superficie marciana, MARDI adquirió 4 imágenes en color por segundo, a 1600×1200 píxeles, con un tiempo de exposición de 0,9 milisegundos. Las imágenes se tomaron 4 veces por segundo, comenzando poco antes de la separación del escudo térmico a 3,7 km de altitud, hasta unos segundos después del aterrizaje. Esto proporcionó información de ingeniería sobre el movimiento del rover durante el proceso de descenso e información científica sobre el terreno que lo rodea inmediatamente. La NASA desactivó el MARDI en 2007, pero Malin Space Science Systems lo contribuyó con sus propios recursos. [75] Después del aterrizaje, pudo tomar vistas de la superficie de 1,5 mm (0,059 pulgadas) por píxel, [76] las primeras de estas fotos posteriores al aterrizaje se tomaron el 27 de agosto de 2012 (sol 20). [77]
Cámaras de ingeniería: Hay 12 cámaras adicionales que respaldan la movilidad:
Cámaras para evitar peligros (Hazcams): el rover tiene un par de cámaras de navegación en blanco y negro ( Hazcams ) ubicadas en cada una de sus cuatro esquinas. [78] Estas proporcionan vistas de cerca de posibles obstáculos que están a punto de pasar por debajo de las ruedas.
Cámaras de navegación (Navcams): el rover utiliza dos pares de cámaras de navegación en blanco y negro montadas en el mástil para apoyar la navegación terrestre. [78] Estas proporcionan una vista a mayor distancia del terreno por delante.
El Comité de Encuesta Decenal del Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos recomendó al Laboratorio Científico de Marte como la misión de clase media a Marte de máxima prioridad en 2003. [79] La NASA pidió propuestas para los instrumentos científicos del rover en abril de 2004, [80] y se seleccionaron ocho propuestas el 14 de diciembre de ese año. [80] Las pruebas y el diseño de componentes también comenzaron a fines de 2004, incluido el diseño de Aerojet de un motor monopropelente con la capacidad de acelerar del 15 al 100 por ciento de empuje con una presión de entrada de propelente fija. [80]
Sobrecostos, retrasos y lanzamiento
En noviembre de 2008, la mayor parte del desarrollo de hardware y software estaba completo y las pruebas continuaban. [81] En este punto, los sobrecostos eran de aproximadamente 400 millones de dólares. En los intentos por cumplir con la fecha de lanzamiento, se eliminaron varios instrumentos y un caché para muestras y se simplificaron otros instrumentos y cámaras para simplificar las pruebas y la integración del rover. [82] [83] El mes siguiente, la NASA retrasó el lanzamiento hasta fines de 2011 debido al tiempo de prueba inadecuado. [84] [85] [86] Finalmente, los costos para desarrollar el rover alcanzaron los 2.470 millones de dólares, para un rover que inicialmente había sido clasificado como una misión de costo medio con un presupuesto máximo de 650 millones de dólares, pero la NASA aún tuvo que pedir 82 millones de dólares adicionales para cumplir con el lanzamiento planeado en noviembre. A partir de 2012, el proyecto sufrió un sobrecosto del 84 por ciento. [87]
El MSL fue lanzado a bordo de un cohete Atlas V desde Cabo Cañaveral el 26 de noviembre de 2011. [88] El 11 de enero de 2012, la nave espacial afinó con éxito su trayectoria con una serie de encendidos de los motores de propulsión de tres horas, adelantando el tiempo de aterrizaje del rover en unas 14 horas. Cuando se lanzó el MSL, el director del programa era Doug McCuistion, de la División de Ciencias Planetarias de la NASA . [89]
Curiosity aterrizó con éxito en el cráter Gale a las 05:17:57.3 UTC el 6 de agosto de 2012, [3] [9] [10] [11] y transmitió imágenes Hazcam confirmando la orientación. [11] Debido a la distancia entre Marte y la Tierra en el momento del aterrizaje y la velocidad limitada de las señales de radio, el aterrizaje no se registró en la Tierra hasta 14 minutos después. [11] El Mars Reconnaissance Orbiter envió una fotografía de Curiosity descendiendo bajo su paracaídas, tomada por su cámara HiRISE , durante el procedimiento de aterrizaje.
Seis miembros de alto rango del equipo de Curiosity presentaron una conferencia de prensa unas horas después del aterrizaje: John Grunsfeld , administrador asociado de la NASA; Charles Elachi , director del JPL; Peter Theisinger , gerente del proyecto MSL; Richard Cook, gerente adjunto del proyecto MSL; Adam Steltzner , líder de entrada, descenso y aterrizaje (EDL) del MSL; y John Grotzinger , científico del proyecto MSL. [90]
Nombramiento
Entre el 23 y el 29 de marzo de 2009, el público en general clasificó nueve nombres de rovers finalistas (Adventure, Amelia, Journey, Perception, Pursuit, Sunrise, Vision, Wonder y Curiosity) [91] a través de una encuesta pública en el sitio web de la NASA. [92] El 27 de mayo de 2009, se anunció que el nombre ganador era Curiosity . El nombre había sido presentado en un concurso de redacción por Clara Ma, una estudiante de sexto grado de Kansas. [92] [93] [94]
La curiosidad es la pasión que nos mueve en nuestra vida cotidiana. Nos hemos convertido en exploradores y científicos con nuestra necesidad de hacer preguntas y asombrarnos.
— Clara Ma, NASA/JPL Concurso de nombres para el rover
Se evaluaron más de 60 sitios de aterrizaje y, en julio de 2011, se eligió el cráter Gale. Un objetivo principal al seleccionar el sitio de aterrizaje fue identificar un entorno geológico particular, o un conjunto de entornos, que sustentaran la vida microbiana. Los planificadores buscaron un sitio que pudiera contribuir a una amplia variedad de posibles objetivos científicos. Prefirieron un sitio de aterrizaje con evidencia morfológica y mineralógica de agua en el pasado. Además, se prefirió un sitio con espectros que indicaran múltiples minerales hidratados ; los minerales arcillosos y las sales de sulfato constituirían un sitio rico. La hematita , otros óxidos de hierro , minerales de sulfato, minerales de silicato , sílice y posiblemente minerales de cloruro se sugirieron como posibles sustratos para la preservación de fósiles . De hecho, se sabe que todos ellos facilitan la preservación de morfologías y moléculas fósiles en la Tierra. [97] Se favoreció el terreno difícil para encontrar evidencia de condiciones habitables, pero el rover debe poder llegar al sitio de manera segura y conducir dentro de él. [98]
Las limitaciones de ingeniería exigían un lugar de aterrizaje a menos de 45° del ecuador marciano y a menos de 1 km por encima del punto de referencia . [99] En el primer taller sobre lugares de aterrizaje del MSL, se identificaron 33 posibles lugares de aterrizaje. [100] Al final del segundo taller a finales de 2007, la lista se redujo a seis; [101] [102] en noviembre de 2008, los líderes del proyecto en un tercer taller redujeron la lista a estos cuatro lugares de aterrizaje: [103] [104] [105] [106]
A finales de septiembre de 2010 se celebró un cuarto taller sobre el lugar de aterrizaje, [111] y el quinto y último taller tuvo lugar del 16 al 18 de mayo de 2011. [112] El 22 de julio de 2011 se anunció que se había seleccionado el cráter Gale como lugar de aterrizaje de la misión Mars Science Laboratory.
La primera y segunda etapa, junto con los motores de cohetes sólidos, se apilaron el 9 de octubre de 2011, cerca de la plataforma de lanzamiento. [115] El carenado que contenía el MSL se transportó a la plataforma de lanzamiento el 3 de noviembre de 2011. [116]
Animación de la trayectoria del Laboratorio Científico de Marte Tierra · Marte · Laboratorio de Ciencias de Marte
Etapa de crucero
La etapa de crucero llevó a la nave espacial MSL a través del vacío del espacio y la entregó a Marte. El viaje interplanetario cubrió la distancia de 352 millones de millas en 253 días. [120] La etapa de crucero tiene su propio sistema de propulsión en miniatura , que consta de ocho propulsores que utilizan combustible de hidracina en dos tanques de titanio . [121] También tiene su propio sistema de energía eléctrica , que consiste en un panel solar y una batería para proporcionar energía continua. Al llegar a Marte, la nave espacial dejó de girar y un cortador de cables separó la etapa de crucero de la cubierta aerodinámica. [121] Luego, la etapa de crucero se desvió en una trayectoria separada hacia la atmósfera. [122] [123] En diciembre de 2012, el Mars Reconnaissance Orbiter localizó el campo de escombros de la etapa de crucero . Dado que se conocen el tamaño inicial, la velocidad, la densidad y el ángulo de impacto del hardware, proporcionará información sobre los procesos de impacto en la superficie de Marte y las propiedades atmosféricas. [124]
Órbita de transferencia de Marte
La nave espacial MSL salió de la órbita terrestre y fue insertada en una órbita de transferencia heliocéntrica de Marte el 26 de noviembre de 2011, poco después del lanzamiento, por la etapa superior Centaur del vehículo de lanzamiento Atlas V. [118] Antes de la separación de Centaur, la nave espacial fue estabilizada por giro a 2 rpm para el control de actitud durante el crucero de 36.210 km/h (22.500 mph) a Marte. [125]
Durante el crucero, ocho propulsores dispuestos en dos grupos se utilizaron como actuadores para controlar la velocidad de giro y realizar maniobras de corrección de trayectoria axial o lateral. [27] Al girar sobre su eje central, mantuvo una actitud estable. [27] [126] [127] A lo largo del camino, la etapa de crucero realizó cuatro maniobras de corrección de trayectoria para ajustar la ruta de la nave espacial hacia su lugar de aterrizaje. [128] La información se envió a los controladores de la misión a través de dos antenas de banda X. [ 121 ] Una tarea clave de la etapa de crucero fue controlar la temperatura de todos los sistemas de la nave espacial y disipar el calor generado por fuentes de energía, como células solares y motores, en el espacio. En algunos sistemas, mantas aislantes mantuvieron los instrumentos científicos sensibles más calientes que la temperatura cercana al cero absoluto del espacio. Los termostatos monitoreaban las temperaturas y encendían o apagaban los sistemas de calefacción y refrigeración según fuera necesario. [121]
Entrada, descenso y aterrizaje (EDL)
Sistema de nave espacial EDL
El aterrizaje de una gran masa en Marte es particularmente desafiante ya que la atmósfera es demasiado delgada para que los paracaídas y el aerofrenado por sí solos sean efectivos, [129] mientras que sigue siendo lo suficientemente espesa como para crear problemas de estabilidad e impacto al desacelerar con retrocohetes . [129] Aunque algunas misiones anteriores han utilizado bolsas de aire para amortiguar el impacto del aterrizaje, el rover Curiosity es demasiado pesado para que esto sea una opción. En cambio, Curiosity se colocó en la superficie marciana utilizando un nuevo sistema de entrada, descenso y aterrizaje (EDL) de alta precisión que era parte de la etapa de descenso de la nave espacial MSL. La masa de este sistema EDL, incluido el paracaídas, la grúa aérea, el combustible y el aeroshell , es de 2401 kg (5293 lb). [130] El novedoso sistema EDL colocó a Curiosity dentro de una elipse de aterrizaje de 20 por 7 km (12,4 por 4,3 mi), [96] en contraste con la elipse de aterrizaje de 150 por 20 km (93 por 12 mi) de los sistemas de aterrizaje utilizados por los vehículos de exploración de Marte. [131]
El sistema de entrada-descenso-aterrizaje (EDL) difiere de los utilizados para otras misiones en que no requiere un plan de misión interactivo generado desde tierra. Durante toda la fase de aterrizaje, el vehículo actúa de forma autónoma, basándose en un software y parámetros precargados. [27] El sistema EDL se basaba en una estructura de aerocapa derivada de Viking y un sistema de propulsión para una entrada guiada de precisión y un aterrizaje suave, en contraste con los aterrizajes con bolsas de aire que se utilizaron a mediados de la década de 1990 en las misiones Mars Pathfinder y Mars Exploration Rover . La nave espacial empleó varios sistemas en un orden preciso, con la secuencia de entrada, descenso y aterrizaje dividida en cuatro partes [131] [132] —descritas a continuación a medida que se desarrollaban los eventos del vuelo espacial el 6 de agosto de 2012.
Evento de la EDL – 6 de agosto de 2012
Eventos de entrada a la atmósfera marciana desde la separación de la etapa de crucero hasta el despliegue del paracaídas
A pesar de su hora tardía, particularmente en la costa este de los Estados Unidos donde era la 1:31 am, [9] el aterrizaje generó un interés público significativo. 3,2 millones de personas vieron el aterrizaje en vivo y la mayoría lo vieron en línea en lugar de en la televisión a través de NASA TV o redes de noticias por cable que cubrían el evento en vivo. [133] El lugar de aterrizaje final para el rover estaba a menos de 2,4 km (1,5 mi) de su objetivo después de un viaje de 563.270.400 km (350.000.000 mi). [38] Además de la transmisión y la visualización de video tradicional, JPL realizó Eyes on the Solar System , una simulación tridimensional en tiempo real de entrada, descenso y aterrizaje basada en datos reales. El tiempo de aterrizaje de Curiosity como se representa en el software, basado en predicciones de JPL, fue menos de 1 segundo diferente de la realidad. [134]
La fase EDL de la misión de vuelo espacial MSL a Marte duró solo siete minutos y se desarrolló automáticamente, como lo habían programado de antemano los ingenieros del JPL, en un orden preciso, y la secuencia de entrada, descenso y aterrizaje se produjo en cuatro fases de eventos distintas: [131] [132]
Entrada guiada
La entrada guiada es la fase que permitió a la nave espacial dirigirse con precisión a su sitio de aterrizaje planificado.
La entrada guiada de precisión hizo uso de la capacidad informática de a bordo para dirigirse hacia el sitio de aterrizaje predeterminado, mejorando la precisión del aterrizaje desde un rango de cientos de kilómetros a 20 kilómetros (12 millas). Esta capacidad ayudó a eliminar algunas de las incertidumbres de los peligros de aterrizaje que podrían estar presentes en elipses de aterrizaje más grandes. [135] La dirección se logró mediante el uso combinado de propulsores y masas de equilibrio eyectables. [136] Las masas de equilibrio eyectables cambian el centro de masa de la cápsula, lo que permite la generación de un vector de sustentación durante la fase atmosférica. Una computadora de navegación integró las mediciones para estimar la posición y la actitud de la cápsula que generó comandos de torque automatizados. Esta fue la primera misión planetaria en utilizar técnicas de aterrizaje de precisión.
El rover estaba plegado dentro de una cubierta aerodinámica que lo protegía durante el viaje a través del espacio y durante la entrada atmosférica en Marte. Diez minutos antes de la entrada atmosférica, la cubierta aerodinámica se separó de la etapa de crucero que proporcionaba energía, comunicaciones y propulsión durante el largo vuelo a Marte. Un minuto después de la separación de la etapa de crucero, los propulsores de la cubierta aerodinámica se encendieron para cancelar la rotación de 2 rpm de la nave espacial y lograron una orientación con el escudo térmico mirando hacia Marte en preparación para la entrada atmosférica . [137] El escudo térmico está hecho de ablador de carbono impregnado fenólico (PICA). El escudo térmico de 4,5 m (15 pies) de diámetro, que es el escudo térmico más grande jamás volado en el espacio, [138] redujo la velocidad de la nave espacial por ablación contra la atmósfera marciana , desde la velocidad de interfaz atmosférica de aproximadamente 5,8 km/s (3,6 mi/s) hasta aproximadamente 470 m/s (1.500 pies/s), donde el despliegue del paracaídas fue posible unos cuatro minutos después. Un minuto y 15 segundos después de la entrada, el escudo térmico alcanzó temperaturas máximas de hasta 2090 °C (3790 °F) a medida que la presión atmosférica convertía la energía cinética en calor. Diez segundos después del calentamiento máximo, esa desaceleración alcanzó un máximo de 15 g . [137]
Gran parte de la reducción del error de precisión de aterrizaje se logró mediante un algoritmo de guía de entrada, derivado del algoritmo utilizado para la guía de los módulos de comando Apollo que regresaban a la Tierra en el programa Apollo . [137] Esta guía utiliza la fuerza de sustentación experimentada por el aeroshell para "eliminar" cualquier error detectado en el rango y, de ese modo, llegar al sitio de aterrizaje previsto. Para que el aeroshell tenga sustentación, su centro de masa está desplazado de la línea central axial, lo que da como resultado un ángulo de compensación descentrado en el vuelo atmosférico. Esto se logró expulsando masas de lastre que consistían en dos pesas de tungsteno de 75 kg (165 lb) minutos antes de la entrada atmosférica. [137] El vector de sustentación estaba controlado por cuatro juegos de dos propulsores del sistema de control de reacción (RCS) que producían aproximadamente 500 N (110 lbf) de empuje por par. Esta capacidad de cambiar la orientación de la dirección de sustentación permitió que la nave espacial reaccionara al entorno ambiental y se dirigiera hacia la zona de aterrizaje. Antes del despliegue del paracaídas, el vehículo de entrada expulsó más masa de lastre consistente en seis pesas de tungsteno de 25 kg (55 lb) de modo que se eliminó el desplazamiento del centro de gravedad . [137]
Descenso en paracaídas
El paracaídas del MSL tiene 16 m (52 pies) de diámetro.El explorador Curiosity de la NASA y su paracaídas fueron avistados por la sonda Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA mientras descendía hacia la superficie. 6 de agosto de 2012.
Cuando se completó la fase de entrada y la cápsula disminuyó su velocidad a unos 470 m/s (1500 pies/s) a unos 10 km (6,2 mi) de altitud, se desplegó el paracaídas supersónico , [139] como lo hicieron los módulos de aterrizaje anteriores como Viking , Mars Pathfinder y Mars Exploration Rovers. El paracaídas tiene 80 líneas de suspensión, tiene más de 50 m (160 pies) de largo y aproximadamente 16 m (52 pies) de diámetro. [140] Capaz de desplegarse a Mach 2,2, el paracaídas puede generar hasta 289 kN (65 000 lbf) de fuerza de arrastre en la atmósfera marciana. [140] Después de desplegarse el paracaídas, el escudo térmico se separó y cayó. Una cámara situada debajo del rover captó alrededor de 5 fotogramas por segundo (con una resolución de 1600×1200 píxeles) a una altitud de 3,7 km (2,3 mi) durante un período de aproximadamente 2 minutos hasta que los sensores del rover confirmaron el aterrizaje exitoso. [141] El equipo del Mars Reconnaissance Orbiter pudo captar una imagen del MSL descendiendo bajo el paracaídas. [142]
Descenso motorizado
La etapa de descenso motorizado
Tras el frenado con paracaídas, a unos 1,8 km (1,1 mi) de altitud, todavía viajando a unos 100 m/s (220 mph), el rover y la etapa de descenso salieron de la cubierta aerodinámica. [139] La etapa de descenso es una plataforma sobre el rover con ocho propulsores de cohete monopropulsante de hidracina de empuje variable en brazos que se extienden alrededor de esta plataforma para frenar el descenso. Cada propulsor de cohete, llamado motor de aterrizaje de Marte (MLE), [126] produce de 400 a 3100 N (90 a 697 lbf) de empuje y se deriva de los utilizados en los aterrizadores Viking. [143] Un altímetro de radar midió la altitud y la velocidad, enviando datos a la computadora de vuelo del rover. Mientras tanto, el rover se transformó de su configuración de vuelo replegada a una configuración de aterrizaje mientras era bajado debajo de la etapa de descenso por el sistema de "grúa aérea".
Grúa aérea
Eventos de entrada desde el despliegue del paracaídas hasta el descenso motorizado y finalizando con el vuelo en grúa aéreaConcepción del artista: el Ion del Curiosity bajando de la etapa de descenso propulsada por cohetes
Por varias razones, se eligió un sistema de aterrizaje diferente para MSL en comparación con los módulos de aterrizaje y exploradores marcianos anteriores. Curiosity se consideró demasiado pesado para usar el sistema de aterrizaje con bolsas de aire como el utilizado en el Mars Pathfinder y Mars Exploration Rovers . Un enfoque de aterrizaje con patas habría causado varios problemas de diseño. [137] Habría necesitado tener motores lo suficientemente altos sobre el suelo al aterrizar para no formar una nube de polvo que pudiera dañar los instrumentos del rover. Esto habría requerido patas de aterrizaje largas que necesitarían tener un ancho significativo para mantener el centro de gravedad bajo. Un módulo de aterrizaje con patas también habría requerido rampas para que el rover pudiera descender a la superficie, lo que habría incurrido en un riesgo adicional para la misión en caso de que las rocas o la inclinación impidieran que Curiosity pudiera despegar del módulo de aterrizaje con éxito. Frente a estos desafíos, los ingenieros de MSL idearon una solución alternativa novedosa: la grúa aérea. [137] El sistema de grúa aérea bajó el rover con una correa de 7,6 m (25 pies) [137] hasta un aterrizaje suave (ruedas abajo) en la superficie de Marte. [139] [144] [145] Este sistema consiste en una brida que baja el rover sobre tres correas de nailon y un cable eléctrico que transporta información y energía entre la etapa de descenso y el rover. A medida que se desenrollaban los cables de soporte y datos, las seis ruedas motorizadas del rover encajaron en su posición. A aproximadamente 7,5 m (25 pies) por debajo de la etapa de descenso, el sistema de grúa aérea se detuvo y el rover aterrizó. Después de que el rover tocó tierra, esperó dos segundos para confirmar que estaba en tierra firme detectando el peso en las ruedas y disparó varios piros (pequeños dispositivos explosivos) que activaron cortadores de cables en la brida y los cordones umbilicales para liberarse de la etapa de descenso. La etapa de descenso luego voló hasta un aterrizaje forzoso a 650 m (2100 pies) de distancia. [146] El concepto de grúa aérea nunca se había utilizado antes en misiones. [147]
Lugar de aterrizaje
El cráter Gale es el lugar de aterrizaje del MSL. [95] [148] [149] Dentro del cráter Gale hay una montaña, llamada Aeolis Mons ("Monte Afilado"), [17] [18] [150] de rocas estratificadas, que se eleva unos 5,5 km (18.000 pies) por encima del suelo del cráter, que Curiosity investigará. El lugar de aterrizaje es una región lisa en el Cuadrángulo 51 "Yellowknife" [151] [152] [153] [154] de Aeolis Palus dentro del cráter frente a la montaña. La ubicación del lugar de aterrizaje objetivo era un área elíptica de 20 por 7 km (12,4 por 4,3 mi). [96] El diámetro del cráter Gale es de 154 km (96 mi).
El lugar de aterrizaje del rover estaba a menos de 2,4 km (1,5 mi) del centro de la elipse de aterrizaje planificada, después de un viaje de 563 000 000 km (350 000 000 mi). [155] La NASA nombró el lugar de aterrizaje del rover Bradbury Landing en el sol 16, el 22 de agosto de 2012. [156] Según la NASA, se estima que había entre 20 000 y 40 000 esporas bacterianas resistentes al calor en el Curiosity en el momento del lanzamiento, y es posible que no se hayan contabilizado hasta 1000 veces esa cantidad. [157]
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Further reading
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MSL – Landing ("7 Minutes of Terror")
MSL – Landing Site – Gale Crater – Animated/Narrated Video (02:37)
MSL – Mission Summary – Animated/Extended Video (11:20)
MSL – "Curiosity Launch" (11/26/2011) – NASA/Kennedy – Video (04:00)
MSL – NASA/JPL Virtual Tour – Rover
MSL – Entry, Descent & Landing (EDL) – Timeline/ieee
MSL – Entry, Descent & Landing (EDL) – Description. (PDF)
MSL – Pre-Launch Preparations at KSC (Hi-Res Images & Spherical Panoramas)[permanent dead link]
Curiosity desciende con su paracaídas, visto por HiRISE ( MRO ) (6 de agosto de 2012)
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![Primera prueba de conducción del Curiosity (Bradbury Landing) (22 de agosto de 2012)[156]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/63/PIA16094-Mars_Curiosity_Rover-First_Drive_Tracks.jpg/1280px-PIA16094-Mars_Curiosity_Rover-First_Drive_Tracks.jpg)
