El módulo de aterrizaje lunar fue una misión robótica destinada a enviar un vehículo de aterrizaje a la Luna , dirigida por la Dirección de Vuelos Espaciales Tripulados y Operaciones de la ESA . El objetivo principal de la misión Lunar Lander era demostrar la capacidad de Europa para entregar una carga útil de forma segura y precisa a la superficie de la Luna. Más específicamente, la misión habría demostrado las tecnologías necesarias para lograr un aterrizaje suave y preciso, evitando de forma autónoma los peligros de la superficie que pueden poner en peligro la seguridad del aterrizaje y de la misión en la superficie. Estas tecnologías serán un activo para futuras misiones de exploración humanas y robóticas. [4] Sin embargo, el proyecto se suspendió en el Consejo Ministerial de la ESA de 2012. [5]
El módulo de aterrizaje , que se lanzará desde el Centro Espacial Guyanais, en Kourou, a finales de 2018 a bordo de un lanzador Soyuz, se introduce en una órbita altamente elíptica (HEO) mediante una etapa superior Fregat-MT, a través de una serie de órbitas intermedias. Tras la separación de Fregat, el módulo de aterrizaje utiliza su propia propulsión para entrar en la órbita de transferencia lunar final y, tras un tiempo de transferencia total de varias semanas, se introduce en una órbita polar alrededor de la Luna. Tras una serie de maniobras de descenso Apolune y Perilune , el módulo de aterrizaje alcanza su órbita lunar baja (LLO) final a 100 km de altitud. [6]
Una vez en órbita lunar baja, el módulo de aterrizaje se prepara para la fase final de la misión, a la espera de que la constelación de órbitas, la geometría de la Tierra y del Sol sean correctas, y se realizan las operaciones de verificación y calibración de los sistemas críticos para el aterrizaje. Se espera que el tiempo que el módulo de aterrizaje permanezca en órbita baja antes del inicio de las operaciones de aterrizaje dure desde varias semanas hasta un máximo de tres meses. [6]
La fase de descenso y aterrizaje de la misión comienza cuando el módulo de aterrizaje realiza un encendido de desorbitación cerca del polo norte lunar. Este encendido reduce la periluna de la órbita a unos 15 km, unos 500 km por delante del polo sur lunar, media órbita más tarde. Durante el período de planeo, se utiliza el reconocimiento visual automático de puntos de referencia en la superficie lunar para determinar la ubicación precisa del módulo de aterrizaje y garantizar un posicionamiento correcto al comienzo del descenso final. En dirección al polo sur, el módulo de aterrizaje entra en la fase final de descenso motorizado. Utilizando su grupo de propulsores, el módulo de aterrizaje desacelera y desciende. Durante esta fase, es necesario aplicar un empuje variable a medida que el módulo de aterrizaje se acerca a su lugar de aterrizaje. Se logran niveles de empuje más precisos utilizando los motores ATV en modulación de pulsos, como se muestra en este video de las pruebas de encendido en caliente en YouTube . A una altitud de unos pocos kilómetros, el sistema de detección y prevención de peligros (HDA) puede ver el lugar de aterrizaje principal y evaluarlo. Si el sitio principal se considera inseguro debido a la presencia de peligros en la superficie (como pendientes pronunciadas, cráteres, rocas, sombras, etc.), el HDA tiene la oportunidad de ordenar cambios de orientación a un sitio de aterrizaje secundario. Cuando se encuentra un sitio de aterrizaje seguro, el módulo de aterrizaje realiza un aterrizaje suave utilizando sus patas.
Una vez que aterriza en la superficie, el módulo de aterrizaje lleva a cabo operaciones críticas, como el despliegue de su antena y el mástil de la cámara, y transmite a la Tierra el paquete completo de datos relacionados con la secuencia de descenso y aterrizaje. El módulo de aterrizaje depende de una comunicación directa con la Tierra en línea de visión , ya que no se ha previsto ningún satélite de retransmisión para la misión. Esta configuración implica períodos en los que no es posible la comunicación con la Tierra debido a que la Tierra se mueve fuera del campo de visión del módulo de aterrizaje. De manera similar al Sol , la Tierra estará debajo del horizonte siguiendo un ciclo mensual debido al eje de rotación inclinado de la Luna con respecto a su plano orbital.
Luego se inician las operaciones nominales de superficie, que incluyen el despliegue de cargas útiles específicas en la superficie lunar a través de un brazo robótico, la activación de otras cargas útiles de monitoreo estático a bordo del módulo de aterrizaje y, en última instancia, la adquisición de muestras de superficie utilizando el brazo robótico para su análisis por parte de instrumentos en el módulo de aterrizaje.
La región del polo sur de la Luna ha sido identificada como un destino importante para futuras misiones de exploración debido a las condiciones únicas de la superficie que se encuentran en ciertos sitios en términos de iluminación solar, la proximidad de lugares de interés científico como cráteres permanentemente sombreados y la posible existencia de recursos que podrían aprovecharse. Estos factores se combinan para hacer de esta región un candidato sólido para la futura exploración humana e incluso potencialmente una presencia a largo plazo en forma de una base lunar. Las misiones orbitales recientes han proporcionado evidencia sólida que sugiere el potencial de la región del polo sur como un importante destino de exploración.
Los períodos prolongados de iluminación solar continua son exclusivos de las regiones polares de la Luna y permiten que el módulo de aterrizaje funcione con energía solar. Sin embargo, se espera que los lugares con iluminación favorable tengan un tamaño limitado (unos pocos cientos de metros de ancho) y puedan presentar zonas de terreno peligroso con pendientes pronunciadas, rocas, cráteres o sombras prolongadas. [7] Estas condiciones de la superficie requieren el empleo de tecnología de aterrizaje autónoma, segura y precisa.
El cuerpo principal del módulo de aterrizaje es cilíndrico, con cuatro patas de aterrizaje que se extienden desde los lados. La circunferencia del cuerpo principal está cubierta de células solares. La parte inferior está dominada por las toberas de los propulsores principales, mientras que la parte superior ofrece espacio para sensores y carga útil.
El módulo de aterrizaje empleará un brazo robótico para recuperar muestras de suelo para su análisis a bordo.
Los análisis de los datos del Lunar Reconnaissance Orbiter y el Kaguya han demostrado que los sitios de aterrizaje polares que ofrecen largos períodos de iluminación continua son limitados en extensión. [ 7] Por lo tanto, se requiere una precisión de aterrizaje de unos pocos cientos de metros para el módulo de aterrizaje lunar. En comparación con las misiones de aterrizaje robótico anteriores (por ejemplo, Surveyor [8] ), las tecnologías requeridas para la misión Lunar Lander tienen el potencial de aumentar la precisión de aterrizaje alcanzable en uno o dos órdenes de magnitud, alcanzando los rendimientos solo logrados por vehículos tripulados ( el módulo lunar Apollo 12 aterrizó a solo ~150 m de la sonda Surveyor 3. [9] )
También es probable que los posibles sitios de aterrizaje en las regiones polares estén parcialmente cubiertos por la sombra y puedan presentar áreas de pendientes pronunciadas o rocas grandes. Para evitar aterrizar en terreno inseguro, se emplea un sistema autónomo de detección y evitación de peligros (HDA). El sistema está compuesto por un LIDAR y una cámara, que generan imágenes 2D y 3D de la superficie, y por el ordenador de a bordo, que utiliza estas imágenes para caracterizar el paisaje bajo el módulo de aterrizaje durante el descenso final. Si la zona se considera insegura, el sistema ordena un redireccionamiento a una zona de aterrizaje segura, compatible con el combustible restante.
Las misiones de exploración planetaria han recurrido a menudo a dispositivos radioisotópicos, ya sean RHU o RTG, para apoyar el control térmico y la generación de energía en entornos que suelen ser de temperaturas extremas y escasez energética. Sin embargo, para Europa, donde estas tecnologías no están disponibles actualmente, el empleo de dichos dispositivos tiene importantes impactos técnicos y programáticos. Si bien las actividades de investigación sobre el desarrollo de RHU y, en última instancia, RTG se están llevando a cabo en Europa, no se espera que los dispositivos europeos estén disponibles en el marco temporal de 2018 de la misión Lunar Lander. [10]
En cambio, el Lunar Lander está alimentado por paneles solares que se envuelven alrededor del tubo del cuerpo. Una vez que aterrice, el eje de simetría del vehículo será casi perpendicular a la dirección del Sol, lo que garantiza una iluminación continua y buena de las células solares a medida que el módulo de aterrizaje gira con respecto al Sol (debido a la rotación de la Luna).
Las baterías se utilizan para cubrir los breves períodos sin energía solar. La energía solar no está disponible en LLO cuando el módulo de aterrizaje entra en eclipse lunar y en tierra, cuando los picos de las montañas en el horizonte cubren el Sol. Las operaciones de aterrizaje también se realizarán dependiendo únicamente de la energía de las baterías.
La nave espacial emplea tres tipos de motores:
Se necesitarán todos los motores de 500 y 220 N para proporcionar el empuje suficiente para desacelerar el módulo de aterrizaje desde la baja velocidad orbital lunar para un descenso final controlado.
El vehículo utiliza medios tradicionales de navegación durante su trayectoria de traslado a la Luna. Esto incluye el empleo de una IMU (unidad combinada de acelerómetro y giroscopio ), rastreadores de estrellas y sensores solares . Además, las mediciones de alcance y Doppler desde la Tierra ayudarán a determinar la posición y la velocidad de la nave espacial, respectivamente.
En la LLO y durante el descenso, se deben considerar otros medios de navegación. Las primeras fases de estudio identificaron la necesidad de utilizar navegación absoluta basada en visión a gran altitud, junto con navegación visual relativa. [2] Estas técnicas avanzadas permiten una mejora de las prestaciones de navegación, en comparación con las técnicas tradicionales, como la navegación inercial y la determinación de la órbita basada en la Tierra. Además, para garantizar un aterrizaje suave y llegar al inicio de la fase de aproximación dentro de un corredor estrecho, se requiere una estimación de altitud de largo alcance a bordo, que estará disponible mediante una combinación de navegación visual y mediciones del altímetro.
Los objetivos científicos del módulo de aterrizaje lunar se han establecido en el marco de la preparación para la exploración humana. Entre ellos se incluye la investigación detallada de los parámetros de la superficie que tienen una gran importancia para las operaciones futuras en la superficie, ya sean humanas o robóticas.
Se ha identificado una carga útil modelo que aborda los siguientes temas específicos:
Todas las cargas útiles se alojan estáticamente en el cuerpo del módulo de aterrizaje, se mantienen a cierta distancia del módulo de aterrizaje mediante brazos especiales o se despliegan muy cerca del módulo de aterrizaje (1-2 m) mediante un brazo robótico. Las cargas útiles que analizan muestras de regolito de cerca recibirán pequeñas cantidades de material recolectado de las inmediaciones del módulo de aterrizaje mediante un dispositivo de adquisición en el extremo del brazo robótico. [1]
En agosto de 2010, Astrium fue seleccionado como contratista principal [14] para la fase B1 del módulo de aterrizaje lunar, [15] que incluye actividades de prueba en el área de propulsión y navegación. [10] La fase B1 es la continuación de tres estudios de viabilidad realizados en paralelo por EADS Astrium , OHB y Thales Alenia Space , que concluyeron en 2010.
En el Consejo Ministerial de la ESA de noviembre de 2012 no se asignaron más fondos para el proyecto Lunar Lander. Alemania, siendo el principal contribuyente, no pudo encontrar apoyo financiero suficiente para el programa de otros estados miembros. La delegación alemana en el consejo estuvo encabezada por Peter Hintze, quien declaró que Alemania estaba dispuesta a contribuir con el 45% del costo total de la misión, pero no pudo obtener respaldo financiero para el 55% restante de otros estados miembros. [16]