Un módulo lunar o módulo de aterrizaje lunar es una nave espacial diseñada para aterrizar en la superficie de la Luna . A partir de 2024, el módulo lunar Apolo es el único módulo de aterrizaje lunar que se ha utilizado en vuelos espaciales tripulados, completando seis aterrizajes lunares entre 1969 y 1972 durante el Programa Apolo de los Estados Unidos . Varios módulos de aterrizaje robóticos han llegado a la superficie y algunos han traído muestras a la Tierra.
Los requisitos de diseño para estos módulos de aterrizaje dependen de factores impuestos por la carga útil , la velocidad de vuelo, los requisitos de propulsión y las restricciones de configuración. [1] Otros factores de diseño importantes incluyen los requisitos generales de energía, la duración de la misión, el tipo de operaciones de la misión en la superficie lunar y el sistema de soporte vital si está tripulado. La gravedad relativamente alta (más alta que todos los asteroides conocidos, pero más baja que todos los planetas del Sistema Solar) y la falta de atmósfera lunar niegan el uso del aerofrenado , por lo que un módulo de aterrizaje debe usar propulsión para desacelerar y lograr un aterrizaje suave .
El programa Luna fue una serie de impactadores, sobrevuelos, orbitadores y módulos de aterrizaje robóticos que la Unión Soviética realizó entre 1958 y 1976. Luna 9 fue la primera nave espacial en lograr un aterrizaje suave en la Luna el 3 de febrero de 1966, después de 11 intentos fallidos. Tres naves espaciales Luna trajeron muestras de suelo lunar a la Tierra entre 1972 y 1976. Otras dos naves espaciales Luna hicieron aterrizar suavemente el vehículo lunar robótico Lunokhod en 1970 y 1973. Luna logró un total de siete aterrizajes suaves exitosos de 27 intentos de aterrizaje.
El primer aterrizaje suave del Surveyor 1 del programa estadounidense se produjo el 2 de junio de 1966. A este éxito inicial le siguieron cuatro aterrizajes suaves exitosos adicionales, el último de los cuales tuvo lugar el 10 de enero de 1968. El programa Surveyor logró un total de cinco aterrizajes suaves exitosos de siete intentos de aterrizaje hasta el 10 de enero de 1968. El Surveyor 6 incluso realizó un breve salto fuera de la superficie lunar.
El módulo lunar Apolo fue el módulo de aterrizaje lunar del programa Apolo de los Estados Unidos . A partir de 2024, es el único módulo de aterrizaje lunar tripulado. El programa Apolo completó seis aterrizajes suaves lunares con éxito entre 1969 y 1972; un séptimo intento de aterrizaje lunar del programa Apolo fue abortado cuando el módulo de servicio del Apolo 13 sufrió una explosión en sus tanques de oxígeno.
El módulo lunar LK fue el módulo de aterrizaje lunar desarrollado por la Unión Soviética como parte de varios programas lunares tripulados soviéticos . Varios módulos lunares LK volaron sin tripulación en órbita terrestre baja , pero el módulo lunar LK nunca voló a la Luna, ya que el desarrollo del vehículo de lanzamiento de cohetes N1 necesario para el vuelo lunar sufrió reveses (incluidos varios fracasos de lanzamiento), y después de que Estados Unidos lograra los primeros alunizajes humanos , la Unión Soviética canceló los programas del cohete N1 y del módulo lunar LK sin ningún desarrollo adicional.
El Programa de Exploración Lunar de China (también conocido como el proyecto Chang'e) incluye un módulo de aterrizaje robótico, un explorador y componentes de retorno de muestras; el programa logró un aterrizaje suave lunar inicial exitoso con la nave espacial Chang'e 3 el 14 de diciembre de 2013. A partir de 2023, el CLEP ha logrado tres aterrizajes suaves exitosos de tres intentos de aterrizaje, a saber, Chang'e 3 , Chang'e 4 y Chang'e 5. Chang'e 4 hizo historia al realizar el primer aterrizaje suave de la humanidad en el lado oculto de la luna.
El 4 de abril de 2019, la compañía israelí SpaceIL intentó un aterrizaje robótico en la Luna con su módulo de aterrizaje Beresheet ; el intento fracasó. A partir de 2023, SpaceIL tiene planes de realizar otro intento de aterrizaje suave con un módulo de aterrizaje robótico de seguimiento llamado Beresheet 2 .
El 6 de septiembre de 2019, el Programa Chandrayaan de la India realizó un intento fallido de aterrizaje suave robótico en la Luna como parte de su nave espacial Chandrayaan-2, que se estrelló en la superficie de la Luna. [2] El 23 de agosto de 2023, el módulo de aterrizaje Chandrayaan-3, que siguió al programa, logró el primer aterrizaje suave robótico de la India y luego realizó un breve salto el 3 de septiembre de 2023 para probar las tecnologías necesarias para la misión india de retorno de muestras lunares llamada Chandrayaan-4 . [3]
El 25 de abril de 2023, la empresa japonesa ispace (que no debe confundirse con la china i-Space ) intentó un aterrizaje suave en la Luna con su módulo de aterrizaje robótico Hakuto-R Mission 1. El intento no tuvo éxito y el módulo de aterrizaje se estrelló contra la superficie lunar. La empresa tiene planes de realizar otro intento de aterrizaje en 2024.
El programa Luna-Glob de Rusia , el programa sucesor del programa Luna de la Unión Soviética , lanzó el módulo de aterrizaje lunar Luna 25 el 10 de agosto de 2023; el destino previsto de la sonda estaba cerca del polo sur lunar, pero el 19 de agosto de 2023 el módulo de aterrizaje se estrelló en la superficie de la Luna. [4]
El módulo de aterrizaje inteligente japonés para la investigación de la Luna realizó un aterrizaje lunar exitoso con una actitud incorrecta, un ancho de banda de señal deficiente e incluso después de perder uno de sus motores durante el descenso, pero a menos de 100 m (330 pies) de su lugar de aterrizaje el 19 de enero de 2024. Llevaba dos pequeños vehículos LEV a bordo desplegados por separado, justo antes del aterrizaje de SLIM. [5] Su aterrizaje convirtió a Japón en el quinto país en realizar un aterrizaje suave en la Luna. [6] [7] [8]
En enero de 2024, la primera misión del programa CLPS financiado por la NASA, Peregrine Mission One , sufrió una fuga de combustible varias horas después del lanzamiento, lo que provocó la pérdida de la capacidad de mantener el control de actitud y cargar su batería, lo que le impidió alcanzar la órbita lunar e impidió un intento de aterrizaje. [9] Posteriormente, la sonda se quemó en la atmósfera de la Tierra.
La segunda sonda CLPS, Odysseus, aterrizó con éxito el 22 de febrero de 2024 [10] en la Luna, lo que marcó el primer aterrizaje suave lunar no tripulado de los Estados Unidos en más de 50 años. Esta misión es la primera asociación privada con la NASA en aterrizar en la Luna y el primer aterrizaje con propulsores criogénicos . [11] [12] Sin embargo, la misión experimentó algunas anomalías, incluido el vuelco sobre un lado en la superficie lunar; una órbita lunar inicial fuera de lo nominal, un instrumento LIDAR de aterrizaje que no funcionaba y un ancho de banda de comunicación aparentemente bajo . [13] Más tarde se reveló que, aunque aterrizó con éxito, una de las patas del módulo de aterrizaje se rompió al aterrizar y se inclinó hacia el otro lado, 18° debido al aterrizaje en una pendiente, pero el módulo de aterrizaje sobrevivió y las cargas útiles están funcionando como se esperaba. [14] EagleCam no fue expulsado antes del aterrizaje. Posteriormente fue eyectado el 28 de febrero, pero fue parcialmente un fracaso ya que devolvió todo tipo de datos, excepto las imágenes posteriores al aterrizaje del IM-1, que eran el objetivo principal de su misión. [15]
China lanzó Chang'e 6 desde la isla china de Hainan el 3 de mayo de 2024; esta misión busca realizar el primer regreso de muestras lunares desde el otro lado de la Luna . [16] Esta es la segunda misión de retorno de muestras lunares de China, la primera fue completada con éxito por Chang'e 5 cuando devolvió 1,731 kg de material del lado cercano lunar a la Tierra el 16 de diciembre de 2020. [17] El módulo de aterrizaje Chang'e 6 aterrizó con éxito en la cuenca del polo sur-Aitken en el lado lejano lunar a las 22:23 UTC del 1 de junio de 2024. [18] Después de completar la recolección de muestras y la colocación de la muestra en el ascendedor por el taladro robótico y el brazo robótico de la sonda, el ascendedor despegó con éxito desde lo alto de la parte de aterrizaje de la sonda a las 23:38 UTC del 3 de junio de 2024. [19] [20] El ascendedor se acopló con el módulo de servicio Chang'e 6 (el orbitador) en órbita lunar a las 06:48 UTC del 6 de junio de 2024 y posteriormente completó la transferencia del contenedor de muestras al módulo de retorno a la Tierra a las 07:24 UTC del mismo día. [21] El orbitador abandonó la órbita lunar el 20 de junio de 2024 con el módulo de retorno, que aterrizó en Mongolia Interior el 25 de junio de 2024, completando así la misión de retorno de muestras del lado lejano de la Luna de China.
En la siguiente tabla se detallan las tasas de éxito de los intentos pasados y actuales de aterrizaje suave en la Luna por parte de programas de aterrizaje robóticos y tripulados. Los programas de aterrizaje que no han lanzado ninguna sonda no están incluidos en la tabla; se agregan a medida que se lanzan sus primeros módulos de aterrizaje robóticos y/o tripulados desde la Tierra.
El término intento de aterrizaje tal como se utiliza aquí incluye cualquier misión que se haya lanzado con la intención de alunizar, incluidas todas las misiones que no hayan logrado alcanzar la órbita lunar por cualquier motivo. Un intento de aterrizaje de una nave espacial se clasifica como un éxito total si aterriza intacta en la Luna y se sitúa en su orientación/actitud diseñada y es completamente funcional, mientras que un éxito parcial se produce cuando una nave espacial aterriza intacta en la Luna pero sus operaciones in situ se ven comprometidas como resultado del proceso de aterrizaje por cualquier motivo.
El aterrizaje en cualquier cuerpo del Sistema Solar conlleva desafíos exclusivos de ese cuerpo. La Luna tiene una gravedad relativamente alta en comparación con la de los asteroides o cometas (y algunos otros satélites planetarios ) y no tiene una atmósfera significativa. En la práctica, esto significa que el único método de descenso y aterrizaje que puede proporcionar suficiente empuje con la tecnología actual se basa en cohetes químicos . [26] Además, la Luna tiene un día solar largo . Los módulos de aterrizaje estarán expuestos a la luz solar directa durante más de dos semanas seguidas, y luego en completa oscuridad durante otras dos semanas. Esto causa problemas significativos para el control térmico. [27]
A partir de 2019, [actualizar]las sondas espaciales han aterrizado en los tres cuerpos distintos de la Tierra que tienen superficies sólidas y atmósferas lo suficientemente espesas como para hacer posible el aerofrenado: Marte , Venus y la luna Titán de Saturno . Estas sondas pudieron aprovechar las atmósferas de los cuerpos en los que aterrizaron para frenar su descenso utilizando paracaídas, lo que redujo la cantidad de combustible que debían llevar. Esto, a su vez, permitió que se aterrizaran cargas útiles más grandes en estos cuerpos para una cantidad determinada de combustible. Por ejemplo, el rover Curiosity de 900 kg fue aterrizado en Marte por una nave que tenía una masa (en el momento de la entrada atmosférica de Marte) de 2400 kg, [28] de los cuales solo 390 kg eran combustible. En comparación, el Surveyor 3, mucho más liviano (292 kg), aterrizó en la Luna en 1967 utilizando casi 700 kg de combustible. [29] Sin embargo, la falta de atmósfera elimina la necesidad de que el módulo de aterrizaje lunar tenga un escudo térmico y también permite que no se tenga en cuenta la aerodinámica al diseñar la nave.
Aunque tiene mucha menos gravedad que la Tierra, la Luna tiene una gravedad lo suficientemente alta como para que el descenso deba ralentizarse considerablemente. Esto contrasta con un asteroide pequeño, en el que el "aterrizaje" se denomina más bien "acoplamiento" y es una cuestión de encuentro y de igualación de velocidad más que de ralentizar un descenso rápido.
Dado que para el descenso y el aterrizaje se utilizan cohetes, la gravedad de la Luna hace necesario el uso de más combustible del que se necesita para el aterrizaje en un asteroide. De hecho, una de las principales limitaciones de diseño para el aterrizaje en la Luna del programa Apolo fue la masa (ya que más masa requiere más combustible para aterrizar) necesaria para aterrizar y despegar de la Luna. [30]
El entorno térmico lunar está influenciado por la duración del día lunar. Las temperaturas pueden oscilar entre aproximadamente -250 y 120 °C (-418,0 y 248,0 °F) (de la noche lunar al día lunar). Estos extremos ocurren durante catorce días terrestres cada uno, por lo que los sistemas de control térmico deben estar diseñados para soportar largos períodos de frío o calor extremos. [31] La mayoría de los instrumentos de las naves espaciales deben mantenerse dentro de un rango mucho más estricto de entre -40 y 50 °C (-40 y 122 °F), [32] y la comodidad humana requiere un rango de 20 a 24 °C (68 a 75 °F). Esto significa que el módulo de aterrizaje debe enfriar y calentar sus instrumentos o el compartimento de la tripulación.
La duración de la noche lunar dificulta el uso de energía solar eléctrica para calentar los instrumentos, por lo que a menudo se utilizan calentadores nucleares. [27]
Lograr un aterrizaje suave es el objetivo primordial de cualquier módulo de aterrizaje lunar y distingue a los módulos de aterrizaje de los impactadores, que fueron el primer tipo de nave espacial en llegar a la superficie de la Luna.
Todos los módulos de aterrizaje lunares requieren motores de cohetes para descender. La velocidad orbital alrededor de la Luna puede, dependiendo de la altitud, superar los 1500 m/s. Las naves espaciales en trayectorias de impacto pueden alcanzar velocidades muy superiores a esa. [33] En el vacío, la única forma de desacelerar a partir de esa velocidad es utilizando un motor de cohete.
Las etapas del aterrizaje pueden incluir: [34] [35]
Los aterrizajes lunares suelen terminar con el apagado del motor cuando el módulo de aterrizaje se encuentra a varios pies sobre la superficie lunar. La idea es que los gases de escape del motor y el regolito lunar pueden causar problemas si se expulsan de la superficie hacia la nave espacial y, por lo tanto, los motores se apagan justo antes del aterrizaje. Los ingenieros deben asegurarse de que el vehículo esté lo suficientemente protegido para garantizar que la caída sin empuje no cause daños.
El primer aterrizaje suave en la Luna, realizado por la sonda soviética Luna 9 , se logró reduciendo primero la velocidad de la nave espacial a una altitud y velocidad adecuadas y luego expulsando una carga útil que contenía los experimentos científicos. La carga útil se detuvo en la superficie lunar utilizando bolsas de aire, que proporcionaron amortiguación mientras caía. [36] Luna 13 utilizó un método similar. [37]
Los métodos de airbag no son habituales. Por ejemplo, la sonda Surveyor 1 de la NASA , lanzada aproximadamente al mismo tiempo que la Luna 9, no utilizó un airbag para el aterrizaje final. En cambio, después de detener su velocidad a una altitud de 3,4 m, simplemente cayó a la superficie lunar. Para adaptarse a la caída, la nave espacial estaba equipada con componentes aplastables que suavizarían el golpe y mantendrían la carga a salvo. [33] Más recientemente, el módulo de aterrizaje chino Chang'e 3 utilizó una técnica similar, cayendo 4 m después de que su motor se apagara. [38]
Los módulos de aterrizaje lunares más famosos, los del Programa Apolo , fueron lo suficientemente robustos como para soportar la caída una vez que sus sondas de contacto detectaron que el aterrizaje era inminente. El tren de aterrizaje fue diseñado para soportar aterrizajes con el motor apagado a una altura de hasta 3 metros (10 pies), aunque estaba previsto que el motor de descenso se apagara cuando una de las sondas de 170 cm (67 pulgadas) tocara la superficie. Sin embargo, durante el Apolo 11, Neil Armstrong aterrizó muy suavemente encendiendo el motor hasta el contacto; algunas tripulaciones posteriores apagaron el motor antes del contacto y sintieron golpes notables al aterrizar, con una mayor compresión de los puntales de aterrizaje. [39] [40]