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MISSION

Marc Rayman

Marc Rayman,
Ingeniero Jefe, JPL

Crónicas de Dawn

27 de Febrero de 2011

Queridas Dawnversiones Placenteras,

En las profundidades del cinturón de asteroides, Dawn continúa impulsándose con su sistema de propulsión iónica. La sonda continua sin descanso con su tarea de modificar su órbita alrededor del Sol para aproximarla a la de su próximo objetivo, el mundo inexplorado de Vesta, al que planea llegar en menos de cinco meses.

Ya hemos considerado alguna vez las extraordinarias diferencias entre el método de Dawn para entrar en órbita y el de otras misiones planetarias que emplean propulsión convencional. Nuestro explorador se acercará a Vesta con extrema lentitud, trazando una espiral que lo acerque poco a poco. Gracias a la similitud entre las órbitas de la sonda y de su objetivo alrededor del Sol, Dawn se está acercando a Vesta a una velocidad relativamente reducida comparada con la mayoría de las velocidades en el Sistema Solar. Los beneficios de los más de dos años de delicada impulsión iónica que la nave ha completado ya se dejan sentir ahora que se aproxima a sólo 0.7 kilómetros por segundo (1600 millas por hora). Cada día adicional de vuelo propulsado reduce esta velocidad en aproximadamente 7 metros por segundo (16 mph) a medida que sus trayectorias orbitales se aproximan aún más. Por supuesto, su velocidad alrededor del Sol es mucho más elevada, unos 21 kilómetros por segundo (47000 mph), pero lo verdaderamente importante para que Dawn pueda entrar en la órbita de Vesta es la velocidad relativa.

Puede ser tentador achacar la diferencia con otras misiones al hecho de que su destino es diferente, pero no es así. La trayectoria en espiral que Dawn seguirá es una consecuencia directa de su método de propulsión. Si la nave estuviese entrando en órbita alrededor de otro cuerpo planetario, seguiría el mismo tipo de plan de vuelo. Esta trayectoria tan inusual es el resultado de combinar los largos períodos de impulsión (posibles únicamente gracias a la extraordinaria eficiencia del sistema de propulsión iónica) con una fuerza extremadamente pequeña.

Diseñar estas trayectorias en espiral es un trabajo complejo y sofisticado. No basta con encender el motor y esperar hasta alcanzar el objetivo, de la misma manera que no basta con pisar el acelerador de un coche para llegar a nuestro destino. Hay que conducir con cuidado (y el que no lo haga así, por favor que no se me acerque), y eso es lo que hace Dawn. A medida que la nave rodea Vesta, atraída por la gravedad del asteroide gigante, tiene que cambiar la dirección del haz de xenón de forma casi constante para mantenerse justo en la ruta que lleva hacia las órbitas científicas que hemos planeado.

Dawn investigará Vesta desde tres órbitas diferentes, con los nombres, algo inconvenientes, de órbita de muestreo, órbita alta de cartografía (HAMO) y órbita baja de cartografía (LAMO). Tras concluir las mediciones de cada fase volverá a encender su sistema de propulsión iónica siguiendo las instrucciones del equipo de control de la misión para apuntar los propulsores de tal manera que le permitan volar según la trayectoria espiral que se ha planeado para llevarla a la siguiente órbita.

Aquellos que hayan navegado un poco por el sistema solar, igual que aquellos que hayan contemplado la naturaleza de las órbitas sin adquirir experiencia práctica, sabrán sin lugar a dudas que una menor altitud orbital requiere un movimiento orbital más rápido. Este importantísimo principio es consecuencia del incremento de la gravedad a medida que decrece la distancia entre el objeto masivo y el que orbita a su alrededor. La velocidad tiene que aumentar para compensar una mayor atracción gravitatoria. (Para recordar algunos de los detalles, no dudés en ir aquí antes de embarcaros en vuestra próxima expedición orbital.)

La retorcida trayectoria de Dawn obedece a los mismos principios. A menor altitud las espirales son más rápidas y más apretadas porque la velocidad orbital es mayor. Las primeras vueltas de Dawn alrededor de Vesta el próximo verano serán largas y lentas y tardarán varios días en completarse. Cuando esté en su órbita más baja, en que cada vuelta dura sólo cuatro horas, las espirales serán tan rápidas que la nave tendrá que maniobrar con gran agilidad para poder sincronizar el empuje del motor de propulsión iónica con sus veloces cambios de posición.

En sus viajes interplanetarios, trazando una espiral que se aleja del Sol para alcanzar Vesta, Dawn tarda años en completar una vuelta, de manera que todavía no ha tenido que realizar este tipo de giros rápidos. La dirección en la que apunta el impulsor apenas varía a lo largo de toda una semana de impulsión.

Apuntar el impulsor en la dirección necesaria para volar en espiral alrededor de Vesta requiere un giro de toda la nave. Cada impulsor está montado en su propia cuna con una capacidad de movimiento muy limitada. Durante las operaciones normales la cuna se orienta de manera que la línea de impulsión pasa por el centro de la nave. Cuando la cuna bascula, la delicada fuerza del impulsor hace que la nave gire lentamente. El funcionamiento es similar al de un motor fueraborda en un barco. Si se alinea con la línea media del barco, éste avanza en línea recta hacia adelante. Cuando se gira el motor, sigue impulsando el barco, pero también lo hace girar. (La mayoría de los aviones a reacción, sin embargo, no modifican la dirección del empuje, sino que giran por otros medios.) En resumen, el control del impulso de Dawn se consigue básicamente mediante la rotación del propio impulsor.

Una diferencia fundamental entre un barco y nuestra nave interplanetaria es que en aquél, cuanto más se gira el motor más cerrado es el giro. En nuestra nave, la orientación del impulsor tiene que estar cuidadosamente coordinada con el movimiento orbital, como si el conductor del barco tuviera que compensar el movimiento en una curva del río. Esto tiene importantes implicaciones para las operaciones en Vesta. A pesar de lo sofisticada que es, Dawn sólo sabe dónde se encuentra gracias a la información que los controladores de la misión le transmiten para que pueda predecir su posición en un momento futuro. Todo esto se basa, por supuesto, en los cálculos que puedan hacer de la gravedad de Vesta, los planes de operación del sistema de propulsión iónica y muchas otras consideraciones, pero que nunca serán absolutamente exactos. Veamos algunos de los motivos.

Vesta es un miembro de la selecta familiar de los planetas terrestres, o rocosos, que pueblan el sistema solar interno. Al igual que sus hermanos Mercurio, Venus, la Tierra, la Luna y Marte, Vesta también tiene un campo gravitatorio complejo. La distribución de materiales de diferentes densidades en el interior produce variaciones en la intensidad de la fuerza gravitatoria, de modo que Dawn experimentará ligeros cambios en la atracción de Vesta a lo largo de su órbita. Nuestra nave estará en aguas turbulentas y desconocidas.

En diciembre vimos que midiendo las irregularidades del campo gravitatorio, Dawn podía desentrañar la estructura interna de Vesta. Sin embargo, hasta que se lleven a cabo estas medidas y se puedan tener en cuenta sus resultados en el diseño del plan de vuelo, las pequeñas diferencias en el campo gravitatorio seguirán causando desviaciones respecto de la ruta planeada. Por esta razón, en su viaje entre una órbita científica y la siguiente Dawn se impulsará durante unos pocos días y luego esperará a que los navegantes determinen nuevamente su posición antes de proseguir. Mientras esté apuntando a la Tierra, el efecto Doppler sobre las ondas de radio que transmite permitirá medir su velocidad, y el tiempo que tardan las señales de radio (limitadas universalmente, como todos los lectores ya saben sobradamente, a viajar a la velocidad de la luz) en hacer el viaje de vuelta nos indicará la distancia. Combinando estas mediciones con otros datos, los controladores de la misión actualizarán el plan de apuntamiento del impulsor durante la siguiente fase del viaje en espiral, lo comprobarán, volverán a comprobarlo y lo transmitirán a nuestro lejano explorador, que se encargará de ponerlo en práctica. Este proceso tan intrincado se repetirá cada pocos días mientras Dawn esté maniobrando a caballo entre dos órbitas de observación científica.

Los aún desconocidos detalles del campo gravitatorio no son la única razón por la que el plan de vuelo requiere ajustes periódicos. Como el sistema de propulsión iónica cambia constantemente la órbita, incluso pequeñas variaciones de impulsión pueden acumularse para tener un efecto significativo. En eso no se diferencia de otros sistemas mecánicos o eléctricos, que siempre tienen alguna imperfección. Si planeamos hacer un viaje en coche de 100 kilómetros (62 millas) a una velocidad de 100 kilómetros por hora (62 mph), es de suponer que tardaríamos exactamente una hora. Pero aunque mantuviésemos el indicador de velocidad tan cerca como podamos de 100, es muy probable que no sea suficientemente preciso como para indicar la velocidad real. Si la velocidad promedio final fuese 101 kilómetros por hora (63 mph), llegaríamos 36 segundos antes. Probablemente esta diferencia no tenga importancia para vosotros (y para el que la tenga, quizá debería considerar cambiar su coche por una nave espacial), pero incluso errores así de pequeños, cuando se acumulan a lo largo de múltiples espirales alrededor de Vesta, pueden marcar la diferencia entre que Dawn alcance o no la órbita seleccionada.

Pero aún hay otros fenómenos que producen pequeñas diferencias entre la ruta que los controladores de vuelo planean para la nave y la que finalmente tiene lugar. Dos de ellos son la ligerísima presión de la radiación solar sobre la sonda y las perturbaciones ocasionales, pero más significativas, originadas por los encendidos de los impulsores para reducir la velocidad de giro de las ruedas de reacción, que ya fueron explicados con cierto detalle en un artículo anterior, y ambos tienen cierta repercusión en las operaciones alrededor de Vesta.

El control de la misión ha diseñado diversas estrategias para compensar estas pequeñas contribuciones (y algunas otras) que nos desviarán del plan original. También es necesario, en preparación para las intrincadas operaciones en Vesta, establecer con qué precisión Dawn puede seguir la coreografía magistral del equipo. Ya ha demostrado sobradamente que puede ejecutar el sosegado perfil de vuelo del crucero interplanetario. Para las operaciones en órbita de un protoplaneta, mucho más complicadas, los ingenieros han desarrollado modelos matemáticos y llevado a cabo estudios sobre el simulador de la nave que hay en JPL, pero para verificar que los resultados son válidos el mes pasado fue necesario ejecutar una prueba de la capacidad de giro de la nave en ciertas maniobras. Al igual que en las las actividades que se pusieron en práctica en Enero, también en esta última demostración el explorador robótico tuvo un comportamiento ejemplar.

Aunque todavía no está en órbita alrededor de Vesta, los operadores ordenaron a Dawn que apuntase su propulsor iónico como si estuviese cerca del final de la órbita de transferencia de HAMO a LAMO. A lo largo del equivalente a una vuelta y media de la espiral (la duración suficiente para confirmar todos los aspectos relevantes de la maniobra), la nave espacial giró utilizando su propulsor, cambiando la dirección de su haz iónico básicamente de la misma manera que cuando esté descendiendo en su órbita. Como Dawn estará más lejos del Sol entonces que ahora, esta prueba se llevó a cabo con un nivel de propulsión iónica más bajo (y por lo tanto con menos empuje), para compensar la menor intensidad de la radiación solar.

Los resultados confirmaron que la operación de la nave se ajusta a las predicciones matemáticas y que los elaborados perfiles de vuelo son adecuados. Aunque aún queda trabajo por hacer, el éxito de esta prueba constituye un avance muy importante en los preparativos para alcanzar las órbitas previstas alrededor de Vesta.

Cuando Dawn haya completado su trabajo en LAMO, recorrerá las espirales en sentido inverso y comenzará su escalada para escapar del mundo que ha estado estudiando. Tiene una cita con el planeta enano Ceres, así que no puede quedarse en Vesta indefinidamente. Aun así, su itinerario incluye tres semanas en las que nuestro viajero se detendrá a una altitud de unos 660 kilómetros (410 millas). Esta órbita, a la misma altura que HAMO, se ha llamado, en un alarde de imaginación, HAMO2. Aunque hay algunas diferencias en la geometría orbital, la principal distinción entre HAMO y HAMO2 es que los separan 8 meses a lo largo de los cuales Vesta (con Dawn a rastras) habrá progresado a lo largo de su órbita alrededor del Sol. Como ya señalamos durante el último otoño en el hemisferio norte de la Tierra, Vesta tiene estaciones y la variación en el ángulo de incidencia de la luz solar sobre la superficie de este mundo alienígena durante la estancia de Dawn afecta su apariencia y la proporción de esta superficie que es visible para algunos de los instrumentos. Durante HAMO2 el sol iluminará una mayor parte del hemisferio norte, lo que permitirá contemplar paisajes que antes no se iluminaban y proporcionará una nueva perspectiva del terreno que ya se había observado.

Desde la ubicación actual de Dawn, su objetivo ya brilla con fuerza. A mediados de Marzo Vesta será el objeto más brillante en el cielo de nuestro aventurero con excepción del Sol. Si os paráis un momento a disfrutar de la vista de Júpiter ligeramente por encima del horizonte al atardecer en dirección al Oeste, su aspecto actual es similar al que Vesta tendrá para Dawn. Pero mientras Júpiter se va acercando al Sol y llegará a esconderse detrás, el punto de luz que nuestra sonda ve en el cielo se irá haciendo más y más luminoso a medida que su separación disminuye.

Para aquellos que prefieren tener su propia perspectiva de las ubicaciones de Dawn y Vesta, la geometría cambiante del sistema solar les será favorable. Este verano, mientras el emisario robótico de nuestro planeta se acomoda en su órbita y comienza el muestreo, Vesta será fácilmente visible con unos prismáticos o incluso sin ayuda para un observador entrenado y bajo un cielo oscuro, aunque su visitante terrestre será imperceptible.

Dentro de pocas semanas, cuando pueda verse la Luna al amanecer y durante casi la mitad del día (independientemente de vuestra zona horaria), podéis usarla como guía para localizar aproximadamente Dawn y Vesta. Entre las 2:00 PM PDT del 27 de Marzo y las 10:00 AM PDT del 28 de Marzo (el día anterior al 204 aniversario del descubrimiento de Vesta), ambos residentes del cinturón de asteroides estarán a menos de 5 grados de la Luna. (Para comparar, 5 grados es 10 veces el diámetro de la Luna o aproximadamente el ancho de tres dedos con el brazo estirado.) No necesitaréis binoculares o un telescopio para verlos; basta con vuestra imaginación para descubrir una nave distante, alejada del puerto desde el que zarpó hace más de tres años. En las silenciosas profundidades del espacio, con una imperceptible cola verde-azulada de iones de xenón tras de sí, el vehículo sigue acercándose inexorablemente hacia su misterioso y antiquísimo objetivo, que pronto nos revelará las intrigantes y fascinantes visiones que transporta como testigo de los mismos comienzos del sistema solar.

Dawn está a 4.2 millones de kilómetros (2.6 millones de millas) de Vesta, unas 11 veces la distancia media de la Tierra a la Luna. También está a 2.56 UA (383 millones de kilómetros o 238 millones de millas) de la Tierra, o 970 veces más lejos que la Luna y 2.59 veces más lejos que el Sol. Las señales de radio, limitadas universalmente a viajar a la velocidad de la luz, tardan 43 minutos en hacer el viaje de ida y vuelta.

Dr. Marc D. Rayman
9:00 M PST del 27 de Febrero de 2011

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