Dos de cada tres misiones al planeta rojo han fracasado. Una razón para tantas pérdidas es que ha habido muchos intentos. “Marte es un objetivo favorito”, dice el Dr. Firouz Naderi, gerente de la Oficina del Programa de Marte del Laboratorio de Propulsión a Reacción. Para llegar allí, Spirit y Opportunity, los dos vehículos exploradores de Marte lanzados en junio y julio pasados, tendrán que volar a través de unos 483 millones de kilómetros (300 millones de millas) de espacio profundo y apuntar a un lugar muy preciso para aterrizar. Se pueden hacer ajustes a sus trayectorias de vuelo en el camino, pero un pequeño error de trayectoria puede resultar en un gran desvío o incluso en perder completamente el planeta.
Si llegar a Marte es difícil, aterrizar allí es aún más difícil. “Un colega describe la entrada, descenso y aterrizaje como seis minutos de terror”, dice Naderi. Así que el reto de la entrada, descenso y aterrizaje es cómo lograr que algo tan masivo que viaja a 19,300 kilómetros por hora (12,000 millas por hora) se reduzca su velocidad en seis minutos para tener una oportunidad de supervivencia.
Los satélites también enfrentan muchos desafíos del entorno espacial como el vacío, cambios extremos de temperatura debido a la característica térmica no conductiva del vacío típicamente entre -150 y 150°C, desgasificación o sublimación de materiales que pueden crear contaminación para las cargas útiles especialmente en lentes de cámaras, radiación ionizante o cósmica (beta, gamma y rayos X), radiación solar, oxidación por oxígeno atómico o erosión debido al efecto atmosférico de órbita baja terrestre.
El primer obstáculo que deben superar los sistemas espaciales es la vibración impuesta por el vehículo lanzador. Los cohetes lanzadores generan ruido y vibración extremos. Cuando un satélite se separa del cohete en el espacio, ocurren grandes choques en la estructura del satélite. Los satélites deben sobrevivir a las vibraciones extremas y a los niveles acústicos del lanzamiento.
Pyrotechnic shock (choque pirotécnico) es el choque estructural dinámico que ocurre cuando hay una explosión en una estructura. Pyroshock (choque pirotécnico) es la respuesta de la estructura a ondas de tensión de alta frecuencia y alta magnitud que se propagan a través de la estructura como resultado de una carga explosiva, como las utilizadas en la eyección de un satélite o la separación de dos etapas de un cohete multietapas. La exposición a pyroshock puede dañar placas de circuito, acortar componentes eléctricos o causar todo tipo de otros problemas.
Otro obstáculo son las fluctuaciones de temperatura muy altas que experimenta una nave espacial. Debido a que está más cerca del Sol, las fluctuaciones de temperatura en un satélite en órbita geoestacionaria serán mucho mayores que las variaciones de temperatura en un satélite en órbita terrestre baja (LEO). El ciclo térmico ocurre cuando la nave espacial se mueve a través de la luz solar y la sombra mientras está en órbita, lo que puede causar grietas, deformaciones, delaminación y otros problemas mecánicos, especialmente en ensamblajes donde hay una diferencia en el coeficiente de expansión térmica.
Los efectos de la radiación (dosis total, bloqueo, alteraciones por evento único) son una de las principales preocupaciones para la microelectrónica espacial. El diseño de circuitos integrados resistentes a la radiación (RHlCs) implica cuatro esfuerzos primarios. El primero es la selección de una tecnología y proceso que sean relativamente insensibles al entorno de aplicación proyectado del circuito integrado.
Ya sea que el satélite sea para el gobierno, las fuerzas armadas o la industria privada, la necesidad de pruebas rigurosas sigue siendo la misma. Si una empresa privada va a construir satélites para el gobierno o un interés comercial, no mantendrá ese negocio por mucho tiempo si los satélites que construye no funcionan adecuadamente después de ser lanzados a la órbita; todo lo cual significa que cualquiera que participe en la industria satelital, gubernamental o privada, necesita pruebas de satélites.
El programa Flight Opportunities facilita la demostración rápida de tecnologías prometedoras para la exploración espacial y la expansión del comercio espacial mediante pruebas suborbitales con proveedores de vuelos industriales. El programa madura capacidades necesarias para las misiones de la NASA mientras invierte estratégicamente en el crecimiento de la industria espacial comercial estadounidense. El programa Flight Opportunities está financiado por la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial (STMD) de la NASA.
Los Niveles de Madurez Tecnológica (TRL) son un tipo de sistema de medición utilizado para evaluar el nivel de madurez de una tecnología particular. Cada proyecto tecnológico se evalúa contra los parámetros de cada nivel tecnológico y luego se le asigna una calificación TRL según el progreso del proyecto. Hay nueve niveles de madurez tecnológica. TRL 1 es el más bajo y TRL 9 es el más alto.
TRL 6 significa que se ha demostrado un modelo o prototipo del sistema/subsistema en un entorno relevante (tierra o espacio), mientras que TRL 7 significa que se ha demostrado un prototipo del sistema en un entorno operativo (espacial). La tecnología TRL 8 ha sido probada y “calificada para vuelo” y está lista para su implementación en una tecnología o sistema tecnológico ya existente. Una vez que una tecnología ha sido “demostrada en vuelo” durante una misión exitosa, puede llamarse TRL 9.
El programa Flight Opportunities se centra en tecnologías que se encuentran entre 4 y 7 en la escala de Niveles de Madurez Tecnológica de la NASA.
El programa Flight Opportunities proporciona acceso a entornos de prueba relevantes hasta el borde del espacio (aproximadamente 80-100 km sobre el nivel del mar). Estos entornos son relevantes porque replican algunas de las condiciones encontradas en misiones orbitales y más allá, como temperaturas extremas, condiciones de microgravedad, radiación y otros factores. Estas condiciones son difíciles, y en algunos casos imposibles, de replicar en pruebas de laboratorio en tierra.
Las pruebas de vuelo en vehículos suborbitales llevan tecnologías desde laboratorios en tierra a entornos similares al espacio para aumentar la madurez tecnológica y validar la viabilidad, reduciendo costos y riesgos técnicos para misiones futuras. Para la maduración de tecnologías para la exploración espacial futura, un entorno relevante típicamente significa exposición al espacio suborbital. A menudo se refiere a ello como “el borde del espacio”, este entorno suele estar a una altitud de al menos 50 millas sobre el nivel del mar y/o replica algunas de las condiciones encontradas en el espacio, tales como:
Al comprender cómo responden sus cargas útiles a estas condiciones, los investigadores pueden confirmar sus diseños o realizar refinamientos y mejoras necesarias para madurar sus experimentos antes de pasar a despliegues orbitales mucho más costosos, como satélites pequeños o misiones lunares.
El programa Flight Opportunities facilita la compra de servicios de vuelo comerciales para la demostración de tecnologías calificadas en vehículos suborbitales propulsados por cohetes, globos de alta altitud y aviones parabólicos.
Entre diciembre de 2018 y febrero de 2019, 17 cargas útiles apoyadas por Flight Opportunities fueron probadas en tres vuelos realizados por Virgin Galactic y Blue Origin. Los vuelos transportaron una serie de tecnologías para exploración y utilización espacial, incluyendo investigaciones que podrían ayudar a futuras misiones a mitigar el impacto del polvo lunar en humanos y equipos, separar gases y líquidos para procesamiento de recursos in situ y transferencia de combustible en órbita, y entender cómo ayudar a las plantas a prosperar en el espacio como recurso para actividad humana sostenida en la Luna y más allá. Muchas de las cargas útiles volaron múltiples veces y en ambos vehículos, destacando el beneficio de recopilar datos en diferentes plataformas de vuelo y mostrando el potencial para pruebas rápidas y reutilización de tecnologías.
Los vehículos generalmente se agrupan en tres categorías:
Estas plataformas incluyen tanto vehículos lanzadores reutilizables suborbitales (sRLVs) que alcanzan altitudes elevadas como vehículos de aterrizaje que se especializan en tecnologías de entrada, descenso y aterrizaje (EDL) más cerca del suelo. Ambas clases de vehículos generalmente son recuperables y reutilizables después del lanzamiento.
Grandes sistemas de globos alcanzan una altitud mínima de 16.5 millas y pueden mantener típicamente la duración más larga de las plataformas suborbitales: horas, días o incluso semanas a la vez. Esto los hace ideales para cargas útiles que se benefician de períodos prolongados de recopilación de datos.
Estos aviones especializados logran breves períodos de gravedad variable mediante una serie de maniobras llamadas parábolas. Pueden utilizarse para demostrar tecnologías que necesitan operar en un entorno de gravedad específica (por ejemplo, lunar, marciana). Estos aviones son ideales para demostrar tecnologías que necesitan operar en gravedad cero.
La capacidad de aterrizaje vertical de estos vehículos los hace ideales para evaluar sistemas de entrada, descenso y aterrizaje.
A menudo, las tecnologías maduradas a través del programa Flight Opportunities transitan a misiones en órbita terrestre baja que permiten una validación adicional de la preparción técnica más allá del umbral de demostración suborbital.
El tipo de vehículo seleccionado para pruebas depende de las condiciones de prueba requeridas (por ejemplo, necesidades de nivel de gravedad, longitud del período de microgravedad). La Figura 3 destaca la desglose de tipos de vehículos de vuelo solicitados por investigadores. En algunos casos, se solicitaron múltiples vuelos en una combinación de tipos de vehículos.
Muchos investigadores aprovechan la capacidad de acceder de manera rentable y rápida a vuelos suborbitales para probar su tecnología múltiples veces en el mismo vehículo, realizando ajustes a la tecnología entre vuelos. Otros aprovechan la variedad de vehículos suborbitales ofrecidos por los proveedores comerciales para probar en múltiples plataformas, lo que permite investigar el rendimiento de la tecnología en diversas condiciones ambientales.
En muchos casos, varios paquetes tecnológicos se transportan en un solo vuelo suborbital, lo que permite pruebas tecnológicas simultáneas con un solo lanzamiento. Como resultado, a través de los 193 vuelos exitosos apoyados por el programa Flight Opportunities, se han realizado un total de 689 pruebas de paquetes tecnológicos. Estas pruebas han desempeñado un papel significativo en el avance de tecnologías que han sido seleccionadas para proporcionar capacidades críticas para misiones de la NASA.
Desde 2011, Flight Opportunities ha, hasta el 30 de junio de 2020:
A lo largo de diez años, varias de las propuestas de vuelo seleccionadas por Flight Opportunities han sido iteraciones evolutivas de una innovación inicial, resultando en un portafolio de aproximadamente 160 tecnologías distintas que son de interés para la NASA.
Los proveedores actuales de vuelos activos con el programa incluyen:
Una instalación de fabricación aditiva (impresión 3D) diseñada por Made In Space fue madurada a través del programa Flight Opportunities y ahora está instalada en la Estación Espacial Internacional. La fabricación de componentes críticos en el espacio puede reducir los costos operativos y mejorar las capacidades de reparación en el lugar para misiones de exploración humana de larga duración.
El Centro de Investigación Ames de la NASA demostró con éxito su Tecnología Adaptable de Entrada y Colocación Desplegable (ADEPT) a través de pruebas suborbitales con el programa Flight Opportunities. El escudo térmico plegable, similar a una sombrilla, se abre para formar una estructura redonda y rígida con un diámetro más grande que el cohete en el que se aloja. ADEPT podría permitir futuras misiones de la NASA que requieran cohetes de entrada extra grandes para proteger naves espaciales destinadas a aterrizar en la superficie de otros planetas, sin requerir cofias de cohete más grandes.
El programa Flight Opportunities facilitó una demostración exitosa por parte de Honeybee Robotics de su sistema de recolección de muestras planetarias PlanetVac en el desierto de Mojave, donde las condiciones del terreno se asemejan a las que los investigadores esperan encontrar en cuerpos planetarios. PlanetVac recolectó con éxito más de 300 gramos de regolito simulado y la NASA ahora está considerando su viabilidad para una futura misión de retorno de muestras de Marte.
Lo que comenzó como una aventura en territorio inexplorado hace diez años ha evolucionado en un programa robusto que tiene un impacto significativo en las misiones de la NASA y en las misiones que persigue la industria espacial comercial. Las tecnologías probadas con el apoyo del programa están destinadas a misiones a la Luna, Marte y más allá, escriben John W. Kelly y otros de la NASA.
“Los vuelos suborbitales permiten a los investigadores probar tecnologías rápidamente e iterativamente con la oportunidad de hacer ajustes entre vuelos. El objetivo final es cambiar el ritmo del desarrollo tecnológico y acortar drásticamente el tiempo que tarda en pasar una idea del laboratorio a la órbita o a la Luna.” - Christopher Baker, Ejecutivo del Programa, Flight Opportunities
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