Nos acercamos a un terreno complicado; estas son las ayudas para garantizar un aterrizaje seguro de los rovers en Marte.

El rover Perseverance de Mars 2020 está equipado con un sistema de visión de aterrizaje basado en navegación relativa al terreno, un método avanzado para comparar de forma autónoma imágenes en tiempo real con mapas precargados que determinan la posición del rover en relación con los peligros en el área de aterrizaje. Los algoritmos de guía de desvío y el software, pueden dirigir el vehículo alrededor de esos obstáculos si es necesario.
Crédito: NASA / JPL-Caltech.

Cómo dos nuevas tecnologías ayudarán a Perseverance, el rover más sofisticado de la NASA hasta el momento, a aterrizar en la superficie de Marte este mes.

Después de un viaje de casi siete meses a Marte, el rover Perseverance de la NASA está programado para aterrizar en el cráter Jezero del planeta rojo el 18 de febrero de 2021, una extensión accidentada elegida por su potencial de investigación científica y posibilidades de recolección de muestras.

Pero las mismas características que hacen que el sitio sea fascinante para los científicos, también lo convierten en un lugar relativamente peligroso para aterrizar, un desafío que ha motivado pruebas rigurosas aquí en la Tierra para el sistema de visión del módulo de aterrizaje (LVS) con el que el rover contará para aterrizar de manera segura.

“Jezero tiene 45 kilómetros de ancho, pero dentro de esa extensión hay muchos peligros potenciales que el rover podría encontrar: colinas, campos rocosos, dunas, las paredes del cráter en sí, por nombrar solo algunos”, dijo Andrew Johnson, director de ingeniería robótica de sistemas en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, en el sur de California. “Por ello, si aterriza en uno de esos peligros, podría ser catastrófico para toda la misión”.

Entra en Navegación Relativa al Terreno (TRN), la tecnología de la misión en el corazón del LVS que captura fotos del terreno de Marte en tiempo real y las compara con mapas a bordo del área de aterrizaje, dirigiendo de manera autónoma al rover para que se desvíe alrededor de peligros conocidos. y obstáculos según sea necesario.

En la imagen de diciembre de 2014, el sistema Xombie VTVL de Masten se encuentra en una plataforma de lanzamiento en Mojave, California, preparado para una prueba de vuelo que ayudaría a probar las capacidades del sistema de visión del módulo de aterrizaje para la misión del rover Perseverance Mars 2020.
Crédito: Masten Space Systems.

“Para Mars 2020, LVS utilizará la información de posición para averiguar dónde se encuentra el rover en relación con los puntos seguros entre los peligros. Y en uno de esos lugares seguros es donde aterrizará el rover ”, explicó Johnson.

Si Johnson parece estar seguro de que LVS funcionará para aterrizar a Perseverance de manera segura, es porque permite que el rover determine su posición en relación con el suelo con una precisión de, aproximadamente, 60 metros o menos. Ese bajo margen de error y alto grado de seguridad se deben al diseño y al resultado de pruebas exhaustivas tanto en el laboratorio como en el campo.

“Tenemos lo que llamamos la trifecta de las pruebas”, explicó Swati Mohan, líder de operaciones de orientación, navegación y control de JPL para Mars 2020.

Las pruebas de vuelo en 2014 demostraron la capacidad del sistema para cambiar de rumbo de forma autónoma para evitar peligros en el descenso y adoptar una ruta recién calculada hacia un lugar de aterrizaje seguro. Las exitosas pruebas de campo permitieron que la tecnología tuviera luz verde para su inclusión en la misión Mars 2020 de la NASA.
Crédito: NASA / JPL-Caltech.

Mohan dijo que las dos primeras áreas de prueba, hardware y simulación, se realizaron en un laboratorio.

“Ahí es donde probamos todas las condiciones y variables que pudimos. Vacío, vibración, temperatura, compatibilidad eléctrica: ponemos el hardware a prueba ”, dijo Mohan. “Luego, con la simulación, modelamos varios escenarios que los algoritmos de software puede encontrar en Marte (un día demasiado soleado, un día muy oscuro, un día ventoso) y nos aseguramos de que el sistema se comporte como se espera, independientemente de esas condiciones”.

Pero la tercera parte de la trifecta, las pruebas de campo, requieren vuelos reales para someter los resultados de laboratorio a un mayor rigor y proporcionar un alto nivel de preparación técnica para las misiones de la NASA. Para las primeras pruebas de vuelo de LVS, Johnson y su equipo montaron el LVS en un helicóptero y lo utilizaron para estimar automáticamente la posición del vehículo mientras volaba.

“Eso nos llevó a un cierto nivel de preparación técnica porque el sistema podía monitorizar una amplia gama de terrenos, pero no tenía el mismo tipo de descenso que tendrá Perseverance”, dijo Johnson. “También era necesario demostrar LVS en un cohete”.

Esa necesidad fue satisfecha por el programa Flight Opportunities de la NASA, que facilitó dos vuelos en 2014 en el desierto de Mojave, de Xombie, de Masten Space Systems, un sistema de despegue y aterrizaje vertical (VTVL) que funciona de manera similar a un módulo de aterrizaje. Las pruebas de vuelo demostraron la capacidad de LVS para indicar a Xombie que cambiara de rumbo de forma autónoma y evitara peligros en el descenso mediante la adopción de una ruta recién calculada hacia un lugar de aterrizaje seguro. Los vuelos anteriores en el sistema VTVL de Masten también ayudaron a validar los algoritmos y el software utilizados para calcular las trayectorias de combustible óptimo para los aterrizajes planetarios.

“Las pruebas en el cohete descartaron casi todas las dudas restantes y respondieron afirmativamente a una pregunta crítica para la operación LVS”, dijo Nikolas Trawny de JPL, un ingeniero de sistemas de control de carga útil y puntería, que trabajó en estrecha colaboración con Masten en las pruebas de campo de 2014. “Fue entonces cuando supimos que LVS funcionaría durante el descenso vertical de alta velocidad, típico de los aterrizajes en Marte”.

Johnson agregó que las pruebas suborbitales, además, aumentaron el nivel de preparación de la tecnología para obtene finalmente la aceptación en la misión Mars 2020.

“Las pruebas de que Flight Opportunities está preparada para proporcionar no tenían precedentes en la NASA en ese momento”, dijo Johnson. “Pero ha demostrado ser tan valioso que ahora se espera que realice este tipo de pruebas de vuelo. Para LVS, esos vuelos de cohetes fueron la piedra angular de nuestro esfuerzo de desarrollo tecnológico “.

Con la tecnología aceptada para Mars 2020, el equipo de la misión comenzó a construir la versión final de LVS que volaría en Perseverance. En 2019, una copia de ese sistema voló en una demostración más de helicópteros en Death Valley, California, facilitada por el programa de misiones de demostración tecnológica de la NASA. El vuelo en helicóptero proporcionó una verificación final de más de seis años de múltiples pruebas de campo.

Pero Mohan señaló que incluso con estas demostraciones exitosas, habrá más trabajo por hacer para garantizar un aterrizaje seguro. Mohan estará presente en el Control de la Misión para el aterrizaje, monitoriando el estado del sistema en cada paso del camino.

“Aunque todo esté yendo bien, la vida te puede poner palos en las ruedas. Así que lo controlaremos todo durante la fase de crucero, comprobando la alimentación de la cámara y asegurándonos de que los datos fluyen como se espera”, explicó Mohan. “Y una vez que recibamos esa señal del rover que diga: ‘He aterrizado y estoy en suelo estable’, entonces podremos celebrarlo”.

Acerca de las oportunidades de vuelo

El programa Flight Opportunities está financiado por la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial (STMD) de la NASA y administrado en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA en Edwards, California. El Centro de Investigación Ames de la NASA, en Silicon Valley de California, gestiona la solicitud y evaluación de tecnologías para ser probadas y demostradas en vehículos comerciales de vuelo.

Acerca de las misiones de demostración de tecnología

También bajo el paraguas de STMD, el programa tiene su sede en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA, en Huntsville, Alabama. El programa cierra la brecha entre los desafíos científicos y de ingeniería, y las innovaciones tecnológicas necesarias para superarlos, lo que permite la solidez de nuevas misiones espaciales.

Más sobre la misión

Un objetivo clave de la misión de Perseverance en Marte es la astrobiología, incluida la búsqueda de signos de vida microbiana antigua. El rover caracterizará la geología del planeta y el clima pasado, allanará el camino para la exploración humana del Planeta Rojo y será la primera misión en recolectar y almacenar rocas y regolitos marcianos (rocas y polvo rotos).

Las misiones posteriores, que actualmente están siendo consideradas por la NASA en cooperación con la Agencia Espacial Europea, enviarán naves espaciales a Marte para recolectar estas muestras almacenadas en la superficie y devolverlas a la Tierra para un análisis en profundidad.

La misión Mars 2020 es parte de un programa más amplio, que incluye misiones a la Luna como una forma de prepararse para la exploración humana del Planeta Rojo. Encargada de enviar astronautas a la Luna para 2024, la NASA establecerá una presencia humana sostenida en la Luna y sus alrededores para 2028 a través de los planes de exploración lunar Artemis de la NASA.

JPL, que es administrado por la NASA por Caltech en Pasadena, California, construyó y administra las operaciones del rover Perseverance.