Curiosity: ¿por qué un sistema de aterrizaje tan complejo?

La recreación del aterrizaje del MSL (Curiosity, para los amigos) en Marte muestra un aterrizaje épico, complejo, sin precedentes en la historia. Pero algo sin precedentes es, por definición, arriesgado. ¿Por qué la NASA arriesga de ese modo una misión con un coste total estimado en 2500 millones de dólares (unos 2000 millones de euros, o más de 330000 millones de pesetas, ahora que parece que vuelve a estar de moda decirlo así)?

Para empezar, aterrizar en Marte es difícil. Muy difícil. Se lo podéis preguntar a los responsables de las misiones soviéticas Mars 2, la Mars 3, Mars 6 y Phobos 2, a los americanos de la Mars Polar Lander o a los británicos de la Beagle 2 (solo cuento misiones con aterrizadores que fallaron durante la fase de descenso, poco antes o poco después). Marte nos tienta con una letal combinación:

• Una gravedad superficial menor que la terrestre —un tercio— pero no lo suficientemente baja como para facilitar considerablemente las cosas, como en la Luna.
• Una atmósfera extremadamente poco densa —0,6% de la normal terrestre, como máximo, que no permite operar a paracaídas convencionales a velocidades inferiores a la del sonido.

Por esta combinación de características cualquier sistema de aterrizaje marciano será necesariamente complejo. Un sistema basado exclusivamente en retrocohetes requeriría transportar una cantidad de combustible enorme a poco que crezca la carga útil. El aerofrenado es imprescindible, pero insuficiente. Los paracaídas son más efectivos a velocidades grandes, pero construir y transportar uno de varias hectáreas de superficie para cuando la nave haya frenado por debajo de la velocidad del sonido no es una opción. Si a todo esto sumamos que pretendemos transportar un vehículo, es decir, algo que no debería llevar a todas partes unos motores cohete con sus depósitos (aun vacíos) para mejorar su movilidad, tenemos un conjunto de restricciones de diseño que cualquier ingeniero calificaría de interesante.

Los rovers marcianos de la misión MER (Spirit y Opportunity) tenían una masa de 185 kg. Con su plataforma de aterrizaje, alcanzaba los 533 kg: el perfil de Entry, Descent and Landing (EDL, entrada atmosférica, descenso y aterrizaje) incluía las siguientes fases:

• Aerofrenado.
• Despliegue del paracaídas supersónico.
• Largado de la plataforma de aterrizaje desde el módulo de frenado propulsivo.
• Encendido de los retrocohetes del módulo de frenado propulsivo.
• Inflado de los airbags de la plataforma de aterrizaje.
• Suelta de la plataforma de aterrizaje. La aceleración máxima prevista es de 20 g durante los primeros choques contra el suelo.

El siguiente vídeo muestra una recreación del aterrizaje de la misión MER. Como veremos, nada sencillo:

Comparémoslo con el aterrizaje previsto —crucemos los dedos— para Curiosity (el de los “seven minutes of terror”):

Curiosity tiene una masa de 900 kg. Los airbags necesarios para frenarlo con un EDL equivalente al de Spirit u Opportunity serían mucho mayores y más pesados. Los riesgos de los airbags tampoco son desdeñables, y el aumento de tamaño los haría más peligrosos de las siguientes formas:

• Rotura por punción: más probable cuanta más superficie expuesta haya en el sistema desplegado.
• Rotura por sobrecarga: si, por casualidad, toda la masa del sistema acaba apoyándose en algún momento sobre uno solo de los globos y el material de éste, cerca de sus límites elásticos, falla.
• Problemas de despliegue tras el desinflado: con más superficie textil, la posibilidad de que algo se atasque y el rover no pueda liberarse aumenta.

Queda descartado el sistema de airbags usado hasta ahora para los rovers más pequeños. ¿Qué tal, entonces, un descenso controlado por retrocohetes? Las misiones Viking de los años 70 se posaron así. Pero las Viking eran laboratorios estáticos. ¿Qué habría que hacer para asegurar un descenso similar para Curiosity?

• Protegerlo contra la caída del “último metro”: para evitar daños en los vehículos, los cohetes se detienen un poco antes de tocar el suelo, con lo que siempre hay una pequeña caída final que amortiguar.
• Incluir una plataforma y una rampa de descenso para el rover, que iría encima de los motores cohete. Más masa “muerta” para transportar.
• Hacer aterrizar suavemente todo el sistema de motores de frenado, plataforma con rampa y rover. Más masa para posar de forma segura, cuando lo único que necesitamos que llegue “entero” es el propio rover.

El sistema Sky Crane (grúa aérea) diseñado para Curiosity permite independizar la sección de frenado propulsivo del rover, que se descuelga desde abajo por medio de tres cables de carga y un umbilical de señalización, depositándose sobre el suelo a velocidades arbitrariamente pequeñas. Se eliminan así los requisitos de rampas y protección contra impactos. Los gases de los retrocohetes siempre quedan lejos del rover, con lo que no pueden dañarlo. Finalmente, la grúa no tiene que aterrizar de forma segura: una vez soltados pirotécnicamente los anclajes, el cambio súbito de la masa del sistema propulsará a la grúa hacia arriba. Un desplazamiento lateral de las toberas la alejará del rover una distancia suficiente antes de detener sus motores y estrellarse.

Supongo que los controladores de la misión no podrán evitar la tentación de dirigir el rover después hacia el lugar de impacto de la grúa, pero eso habrá que verlo*.

Este artículo es una versión ampliada de la contestación a la pregunta de Albert en el artículo de Amazings “Sigue en directo la retransmisión comentada de la entrada del Curiosity en Marte desde Amazings”. No me lo pienso perder. Para una buena referencia del EDL del Curiosity en español no dejéis de acudir a la estrella de la divulgación astronáutica hispana Eureka, “Así será el descenso del Curiosity en Marte”. En inglés, y discutiendo las restricciones de diseño debidas al aterrizaje con gran claridad, tenéis este artículo de ExploreMars.org: “MSL Picture of the Day: T-22 Days: Engineering Constraints”. Y que todo vaya bien…

* Actualización 07/08/2012: Todo fue bien, gracias a… los ingenieros (¿qué pensabais, que picaría?) Sin embargo, estaba equivocado al respecto del impacto de la grúa, y veréis por qué. La “zona de ciencia” prevista está hacia el sur de la posición actual de Curiosity, y la grúa fue dirigida al norte, hacia el borde del crater Gale, para alejarla lo más posible de la zona que investigará el rover. ¿El motivo? Había aún combustible en sus depósitos —hidrazina, alrededor de 140 kg— y con el impacto se habrá dispersado por la zona. Siendo un compuesto volátil, se intentará evitar en la medida de lo posible que contamine los instrumentos de Curiosity; de ahí que no podamos ver los restos de la grúa más que desde la órbita gracias a las tomas de la MRO. Gracias a Daniel Marin, como de costumbre, por hacerme notar este importante detalle; no dejéis de visitar La zona de aterrizaje de Curiosity en su blog para enteraros de más fascinantes detalles de esta gran aventura humana.