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MISSION

Marc Rayman

Marc Rayman,
Ingeniero Jefe, JPL

Crónicas de Dawn

19 de Febrero de 2007

Queridos DawNRLes,

La nave Dawn acaba de terminar la parte final y más delicada de los ensayos ambientales preparatorios para su lanzamiento y sus viajes por el espacio. A lo largo del mes pasado, ha soportado el calor y el frío extremos del vuelo espacial en una enorme cámara de vacío en el Laboratorio de Investigación Naval (Naval Research Laboratory, NRL) en Washington D. C.

En los últimos meses de 2006 la nave fue sometida a un amplio conjunto de ensayos en la sede de Orbital Sciences Corporation en Dulles, Virginia. Todos ellos fueron satisfactorios y, para su graduación, la nave fue enviada, junto con toda su corte de equipos de soporte en tierra, tanto mecánicos como eléctricos, en un viaje afortunadamente aburrido a NRL durante la primera semana de Enero. Una vez allí, los preparativos para la siguiente serie de ensayos en las cámaras de vacío térmico de NRL comenzaron inmediatamente.

Después de instalar en la cámara de vacío la nave y todo el equipamiento necesario para el seguimiento del ensayo, se colocaron alrededor de la nave una serie de placas cuya temperatura se puede regular independientemente para alcanzar las condiciones necesarias en cada una de las pruebas. Las bombas comenzaron a evacuar el aire de la cámara a primera hora de la tarde del 23 de Enero y a la mañana siguiente la presión en el interior de la cámara de ensayos era más de 100 millones de veces menor que la atmosférica. Dawn ya había experimentado unas condiciones de vacío similares el pasado verano, pero en aquella ocasión fue para que se evaporaran los contaminantes que pudiera contener. Esta vez el objetivo era poner en servicio la nave en una situación similar a la que se encontrará durante su misión. Sometiéndola al calor y al frío, y verificando el funcionamiento de todos sus subsistemas en ambas condiciones extremas los ingenieros han podido comprobar que el subsistema de control térmico, de vital importancia, era capaz de mantener la temperatura de cada elemento de la nave dentro de los márgenes establecido a lo largo del amplio espectro de situaciones ambientales que Dawn encontrará en el espacio.

Los enormes paneles solares habían sido retirados de la nave mientras aún estaba en Orbital y no volverán a instalarse hasta Abril. La cámara de vacío de NRL no es suficientemente grande para acomodar los paneles desplegados, con una longitud de punta a punta de 19.7 metros (casi 65 pies). Si hubiesen estado en su configuración plegada, igual que lo estarán a bordo del cohete durante el lanzamiento, habrían tapado partes de la estructura que tendrían que estar expuestas al espacio. Esto habría retenido calor en el interior de la nave y los ensayos habrían dejado de ser representativos de las temperaturas que la nave experimentará en el espacio.

Una vez que la presión en la cámara era comparable a la del espacio, se elevó su temperatura gradualmente hasta 45 C (113 F) y se mantuvo así durante casi una semana mientras se ponían en marcha los subsistemas científicos y de soporte. A continuación, y sin ninguna conexión con las condiciones invernales pero relativamente moderadas a las puertas de NRL, se redujo la temperatura hasta -25 C (-13 F) durante varios días más de pruebas. Aunque la nave está preparada para soportar estas condiciones, ninguno de los miembros del equipo de Dawn puede trabajar en ausencia de aire ni a estas temperaturas. Por eso el 8 de Febrero, cuando tal y como establecía el plan llegó el momento de cambiar la configuración de ensayos, hubo que devolver la cámara de vacío a presión y temperaturas normales para permitir el acceso de los ingenieros.

La pruebas continuaron al día siguiente de nuevo en vacío. Entre otras actividades, durante esta segunda fase tuvieron lugar algunos ensayos de situación de misión. A diferencia de muchos otros ensayos que se centran en uno u otro subsistema, estos están diseñados para poner a prueba la capacidad de los subsistemas para trabajar juntos, del mismo modo que durante las operaciones en órbita alrededor del aún distante Vesta, el primero de sus misteriosos y sugerentes objetivos. De hecho, los ensayos de situación de misión constituyen no sólo una oportunidad para verificar el desempeño colectivo de los subsistemas, sino también del conjunto de la nave y algunos sistemas en el control de la misión que operan conjuntamente de una manera muy similar a como ocurrirá durante la misión.

El 14 de Febrero se puso en marcha el sistema de propulsión iónica para su largamente esperado "ensayo de encendido en caliente". (Vuestro corresponsal, un romántico empedernido, trató infructuosamente de encontrar una tarjeta de San Valentín que recogiera adecuadamente los sentimientos asociados a esta experiencia.) El sistema de propulsión iónica no puede operar a presión ambiente así que, aunque cada uno de sus componentes individuales se había comprobado extensivamente, esta era la única oportunidad para probarlos todos juntos. Todos los componentes, las unidades digitales de control, las unidades de procesamiento de potencia, el sistema de suministro de xenón y los impulsores, se comportaron estupendamente. El levísimo empuje que ya describimos en el último artículo no produjo el más mínimo movimiento de la nave, ya que equivale a poner una hoja de papel sobre ella, pero el equipo humano sí que sintió una vigorosa palmada en la espalda al ver cómo florecía el fulgor azulado del motor iónico, lo que supuso una indicación más de que Dawn está casi lista para volar.

La nave tiene tres toberas, de las cuales sólo una puede estar en funcionamiento en cualquier momento de la misión. En esta prueba, una de las toberas no pudo encenderse porque estaba tapada por el sistema de sujeción de la nave. A pesar de todo, esa tobera superó un ensayo casi completo. Ionizó una cierta cantidad de xenón, pero no aplicó el voltaje necesario para acelerar los iones. Entre los otros dos impulsores, el sistema de propulsión iónica operó durante 34 minutos con 5 niveles de empuje diferentes.

Para generar propulsión, los impulsores emiten iones de xenón a alta velocidad. El impacto de esos iones en casi cualquier objeto, incluida la pared de la cámara, produce erosión y lanza partículas contaminantes que podrían depositarse en la nave. Por eso se colocaron unos blancos especiales a unos 2 metros (7 pies) de las toberas. Una infinitud de fibras de carbono especialmente orientadas capturaban la mayor parte de las partículas que de otra manera habrían salido volando. También se instalaron sensores en las proximidades de los blancos para asegurar que este sistema evitaba eficazmente la producción de niveles adversos de contaminantes. De hecho, funcionó tan bien que se podría haber alargado el ensayo de encendido en caliente más allá de lo planeado, aunque tal extensión no fue necesaria.

Las pruebas de vacío térmico concluyeron el 17 de Febrero y se extrajo la nave de la cámara dos días después. Las operaciones en la cámara de vacío han sido tan intensivas, con el equipo trabajando las 24 horas del día, que se ha recogido una ingente cantidad de datos que tardarán varias semanas en ser analizados completamente. Sin embargo, el ensayo ya ha señalado varios aspectos en los que la nave puede mejorar de cara a su próximo vuelo, como ajustar la potencia de algunos calefactores, la cantidad de aislante sobre ciertos componentes y los valores de algunos parámetros en el software que controla las temperaturas. Mientras se realizan estos y otros cambios en la nave, la unidad que controla el suministro de potencia eléctrica de los paneles solares a los subsistemas de a bordo será desmontada de la nave y enviada a JPL para unos ajustes.

Finalizados los ensayos de vacío térmico, que concluyen muchos meses de ensayos ambientales para Dawn, aquí acabarían las novedades respecto al progreso de Dawn si no fuera por un asunto del que debemos informar con cierto orgullo. El último artículo fue elegido en la mayoría de los planetas encuestado como uno de "Los 1000 Artículos Más Interesantes Escritos Sobre Dawn el 28 de Diciembre de 2006". A riesgo de que se pueda malinterpretar como un reconocimiento aún mayor de lo que es, debemos hacer la precisión de que este galardón se refiere sólo a los artículos entre 1900 y 2000 palabras (en el idioma original). Aun así, este signo de aprecio justifica los muchos segundos invertidos en su redacción. El súbito repunte del interés puede atribuirse a la inclusión en dicho artículo de una explicación de los principios básicos del sistema de propulsión iónica (ion propulsion system en inglés, IPS), la sorprendente tecnología que hace posible una misión tan única y excitante como Dawn. Por eso, para aprovechar el éxito de dicha entrada (y, por cierto, para cumplir la promesa del último párrafo), será interesante explorar cómo se usa el IPS y por qué hace que la operación de Dawn sea tan diferente de la de otras misiones de espacio profundo con propulsión convencional. Lo veremos en muchísimo más detalle a medida que acompañemos a Dawn en su viaje a través del espacio, pero echemos un vistazo por ahora al modo en que las naves alcanzas sus metas extraterrestres y las diferencias que supone el uso de propulsión iónica.

La física del complicado ballet orbital nos dice que la velocidad de cualquier objeto en órbita alrededor del Sol, sea uno de los exploradores robóticos interplanetarios del género humano o uno de los residents naturales del sistema solar, como son los planetas, los asteroides y los cometas, depende del tamaño y forma exactas de la órbita y de la posición del objeto en dicha órbita. Todas las órbitas son elipses (como círculos achatados u óvalos con ambos extremos del mismo tamaño), pero el grado de achatamiento y el tamaño total permiten un abanico casi infinito de órbitas teóricamente posibles (incluidos los círculos perfectos). Gracias a nuestro dominio de las matemáticas, si conocemos la órbita podemos calcular la velocidad en cualquier posición; recíprocamente, si conocemos la velocidad en un punto podemos determinar la órbita completa. También sabéis que si cambiamos la velocidad en cualquier momento, la forma y el tamaño de la órbita varían.

Los navegantes celestes han desarrollado métodos sorprendentemente complejos para alcanzar precisiones realmente astronómicas en el vuelo interplanetario mediante la combinación de estos principios aparentemente sencillos. Para llevar una nave a su destino, los ingenieros aprovechan la naturaleza de las órbitas para orquestar la perfecta danza cósmica que asegure que cada uno de los bailarines individuales (como la nave o el planeta que se va a explorar) llegue al mismo sitio en el mismo momento.

Cuando los caminos de la nave y su objetivo se cruzan, las reglas de la mecánica celeste establecen que los objetos que recorren órbitas diferentes viajes a velocidades muy diferentes, generalmente muchos kilómetros por segundo (miles de millas por hora) de diferencia en el caso de misiones interplanetarias. Si lo que se pretende es sobrevolar el objetivo, la nave puede observarlo durante el breve espacio de tiempo en que se encuentran próximos y no son necesarios más cambios de órbita. Supongamos sin embargo que interesa situarse en órbita alrededor del objetivo. En ese caso la nave se unirá a su objetivo en su viaje alrededor del Sol, de la misma manera que la Luna y otros satélites en órbita terrestre acompañan a nuestro planeta en su periplo heliocéntrico anual. Para lograrlo, la nave debe abandonar su órbita solar original para alcanzar la velocidad y dirección de su nueva órbita, que será precisamente la misma que la del objetivo. (De momento podemos obviar los detalles de la órbita de la nave alrededor de su objetivo. Volveremos a ello en futuros artículos, dado que es un elemento muy importante de la historia de Dawn. Por ahora nos contentamos con que aceptéis que basta con considerar las órbitas alrededor del Sol).

Es posible que ante esta imagen, con la mirada perdida en el vacío cósmico, resulte evidente por qué las naves suelen requerir un importante impulso de sus sistemas de propulsión para colocarse en órbita alrededor de otro cuerpo del sistema solar. Dicha maniobra posibilita el cambio de órbita de la nave alrededor del Sol. (Si el propósito de la misión es impactar en su objetivo, la energía de la colisión modifica la órbita exactamente en la misma medida en que lo harían los motores de la nave en caso contrario).

Las misiones interplanetarias con propulsión convencional dependen de un lanzador potente que los saque de la órbita de la Tierra y los sitúe en órbita alrededor del Sol, después de lo cual pasan meses o incluso años siguiendo esa órbita, dejándose ir hacia sus objetivos. Ocasionalmente, el vuelo puede verse interrumpido por un breve encendido del motor de la nave para ajustar el rumbo o por el paso por otro planeta cuya gravedad altere la órbita empujando la sonda hacia su destino, pero en general el viaje es muy pasivo, con poca implicación de la nave en su propio curso. Una vez alcanzado el destino, la nave vuelve a poner en marcha sus motores para colocarse en la nueva órbita. De hecho, la mayoría de las misiones pisa a fondo muy brevemente y luego se deja ir durante la mayoría del tiempo.

El empleo de IPS crea una situación muy diferente. El lanzador no situará a Dawn en una órbita que corte a la de su objetivo. Dawn tiene tal capacidad de impulsión y de maniobra que sólo dependerá del cohete para abandonar la Tierra. Una vez que comience su viaje, Dawn dictará su propia ruta. Impulsándose suave pero persistentemente durante años, Dawn irá cambiando constantemente su órbita alrededor del Sol. El perfil de vuelo – la dirección y temporización de los impulsos – está calculado para esculpir la órbita de Dawn sin cambios bruscos, modificando gradualmente la trayectoria para que finalmente sea idéntica a la de su objetivo. Gracias a un consumo de combustible increíblemente bajo Dawn pasará la mayoría de la misión pisando ligerísimamente el acelerador.

En contra de la intuición y a diferencia de las misiones con propulsión química, Dawn no necesitará llevar a cabo una maniobra de impulsión específica para insertarse en órbita alrededor de Vesta y Ceres. De hecho, la impulsión para insertarse en órbita no será diferente de los años de impulsión precedentes. Con sublime elegancia, Dawn se aproximará a cada uno de sus objetivos muy lentamente porque, bajo la influencia de su IPS, su órbita alrededor del Sol alcanzará la forma adecuada muy lentamente. En lugar de giros y desvíos, las maniobras de Dawn se caracterizarán más por su gracia y delicadeza. A medida que se vaya acercando a cada uno de los asteroides, se deslizará hacia su órbita con tanta suavidad que un observador no entrenado no notará la transición.

Una de las muchas consecuencias del tenue empuje del IPS es que los ingenieros tienen que asegurarse de que el perfil de vuelo proporciona suficiente tiempo de propulsión para conseguir el empuje necesario. Los rigores del viaje espacial y la complejidad de la nave suponen que todas las misiones experimentan ocasionalmente situaciones inesperadas que interfieren con las actividades planeadas, por lo que se ha invertido mucho trabajo en desarrollar sofisticados sistemas que protejan a la solitaria nave si se producen estas anomalías. El diseño de la misión Dawn debe tener en cuenta estos tropiezos inevitables, que interrumpirán las fases de impulsión con independencia de su causa, sea ésta una ráfaga de radiación cósmica, un error de programación o un componente rebelde.

En una inserción convencional en órbita planetaria, si falla la maniobra, que típicamente dura unas decenas de minutos, pueden malograrse los objetivos de toda la misión – es posible que no haya una segunda oportunidad. En estos casos la propulsión es realmente esencial, por lo que la mayoría de las misiones tienen pequeños periodos de gran vulnerabilidad y largos periodos sin ninguna vulnerabilidad en absoluto. Por eso se realiza un gran esfuerzo por garantizar el funcionamiento durante los minutos críticos. Las misiones con propulsión iónica suelen tener periodos extremadamente largos de baja vulnerabilidad. Parte de la misteriosa ciencia de planificar el perfil de vuelo de Dawn consiste en asegurarse de que la misión puede tolerar perder semanas enteras de impulsión en cualquier momento y aun así alcanzar su órbita de destino alrededor de Vesta primero y luego Ceres, para desentrañar los misterios que encierran.

La próxima parade de Dawn es Cabo Cañaveral. Seguiremos informando en Abril, una vez que la nave haya llegado a aquella renombrada zona del sistema solar para acometer sus últimos preparativos antes del lanzamiento.

Dr. Marc D. Rayman
19 de Febrero de 2007

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