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MISSION

Marc Rayman

Marc Rayman,
Ingeniero Jefe, JPL

Crónicas de Dawn

28 de Abril de 2010

Queridos Adawnherentes,

Dawn mantiene el rumbo y el horario en su viaje al encuentro de Vesta y Ceres, dos colosales protoplanetas del cinturón de asteroides. Bajo el impulso leve pero continuo de su sistema de propulsión iónica, su viaje a través del sistema solar la acerca cada día más a su primer objetivo.

El artículo del mes pasado repasaba muchas de las actividades que llevará a cabo la nave en los tres meses anteriores a su inserción, en Agosto de 2011, en la primera órbita científica alrededor de Vesta. En su "fase de aproximación" la sonda observará Vesta con su cámara y uno de sus espectrómetros para obtener una mayor precisión en su trayectoria y para realizar una caracterización preliminar de aquel mundo alienígena antes de comenzar con los estudios en profundidad. Sin embargo, dicho repaso no incluyó la actividad principal que no sólo es familiar para la nave sino también para los lectores de estos artículos. La mayoría del tiempo se empleará en proseguir con el vuelo, propulsado por el motor iónico. Echemos un vistazo más detallado a cómo se utiliza esta sorprendente tecnología para llevar a nuestro aventurero a la órbita deseada alrededor de Vesta.

Para que una nave se mantenga en órbita no es necesaria la propulsión, de la misma manera que la Luna sigue en órbita alrededor de la Tierra y la Tierra y otros planetas se mantienen orbitando alrededor del Sol sin necesidad de empuje. Casi todas las naves espaciales pasan la mayor parte del tiempo en vuelo inercial, siguiendo siempre la misma órbita día tras día, salvo cuando un encuentro gravitatorio con otro cuerpo cambia su trayectoria. Con un sistema de propulsión iónica extraordinariamente eficiente, la impulsión casi continua de Dawn cambia progresivamente su órbita. El impulso generado desde Diciembre de 2007 ha transportado a Dawn desde la órbita en que la dejó el cohete Delta después del lanzamiento hacia órbitas aún más alejadas del Sol. El perfil de vuelo fue diseñado cuidadosamente para dirigir la nave hacia Marte en Febrero de 2009 para que nuestro explorador pudiera apropiarse de un poco de la energía orbital del planeta para su viaje hacia el aún más lejano cinturón de asteroides, en el cual reside ya de manera permanente. Mientras Marte elevaba la órbita de Dawn, Dawn rebajaba levemente la órbita de Marte, cumpliendo de este modo el principio de que la energía total del sistema solar no puede cambiar.

Aunque otras naves han volado cerca de algunos asteroides del cinturón (eso sí, ninguno tan grande como el enorme Vesta o el planeta enano Ceres, todavía más masivo), ninguna sonda ha intentado siquiera orbitar uno, y mucho menos dos. Lo que es aún más, esta es la primera misión jamás emprendida que pretende orbitar dos cuerpos de cualquier tipo del sistema solar. Esta tarea sin precedentes sería imposible sin la propulsión iónica. Pero si tarda 4 años con sus delicados toques en el acelerador en llegar de la Tierra a Vesta pasando por Marte, y otros 2.5 años en ir de Vesta a Ceres, ¿cómo conseguirá entrar en órbita alrededor de Vesta? ¿Cómo conseguirá después salir de la órbita de Vesta? ¿Y cómo entrará en órbita alrededor de Ceres?

Tanto si la nave emplea propulsión convencional como si utiliza un sistema de propulsión iónica, colocarse en órbita alrededor de un cuerpo supone acompañarlo en su órbita alrededor del Sol. Ya hablamos de este sorprendente desafío en Febrero de 2007, como recordarán aquellos de nuestros lectores que tengan una memoria intachable. En Agosto de 2008 tomamos en consideración otros aspectos de las implicaciones que tiene ascender por la colina del Sistema Solar, en la que el Sol está en el valle, la Tierra en la falda de la colina y el cinturón de asteroides aún más alto. (Los lectores de aquel momento del pasado, muy consideradamente, nos mandaron un saludo a través del tiempo, que recibimos encantados. En nombre de los lectores presentes, les devolvemos el gesto con nuestros mejores deseos.) Vimos entonces que Dawn necesita trepar por la colina, pero no basta con alcanzar simplemente la elevación correspondiente a cada objetivo, ni siquiera basta con viajar a la misma velocidad; nuestro explorador debe volar además en la misma dirección y sentido. Las sondas que dejan la Tierra para orbitar otros cuerpos del sistema solar comienzan alejándose o acercándose al Sol, pero luego tienen que cambiar de dirección para moverse a la vez que el cuerpo que van a orbitar.

Aquellos de vosotros que hayáis viajado antes por el sistema solar estaréis familiarizados con la rutina de entrar en órbita. La nave se acerca a su destino a gran velocidad y enciende su poderoso motor durante algunos minutos o a veces incluso cerca de una hora y al terminar está viajando suficientemente despacio para que la gravedad del planeta lo retenga en órbita y lo arrastre consigo alrededor del Sol. Estos apasionantes momentos pueden suponer un cambio de velocidad entre 0.6 y 1.5 kilómetros por segundo (entre 1300 y 3400 millas por hora). Con 10 000 veces menos empuje que el sistema de propulsión convencional de otras naves interplanetarias, Dawn nunca sería capaz de llevar a cabo una maniobra tan súbita. Sin embargo, resulta que tampoco es necesario.

El método que Dawn utilizará para entrar en órbita es bastante diferente y la clave reside en un atributo de sistema de propulsión iónica que ya hemos mencionado 26 veces (creedlo o comprobadlo, es decisión vuestra) en artículos anteriores: es muy delicado. Todo el perfil de vuelo de Dawn a lo largo de su crucero interplanetario se ha dedicado principalmente a ir modificando gradualmente su órbita alrededor del Sol para que, cuando esté en las proximidades de Vesta, su órbita sea muy similar a la de Vesta. Entonces sólo necesitará un pequeño cambio de velocidad para que la gravedad del asteroide gigante lo capture, de modo que incluso el delicado empuje del motor iónico será suficiente para que la nave entre en órbita.

Para entrar en órbita, una nave tiene que coincidir en velocidad, dirección y posición con su objetivo. Una misión convencional primero alcanza la posición y luego, con la gravedad del planeta y un enorme consumo de combustible de su motor, alcanza rápidamente la velocidad y dirección necesarias. Volando en espiral para alcanzar la órbita de Vesta (y más tarde la de Ceres), Dawn modifica simultáneamente su velocidad, su dirección y su ubicación, de modo que alcancen los valores adecuados en el momento preciso.

Para tener una visión más clara de los métodos para alcanzar un objetivo con las dos tecnologías, pensemos que queremos conducir nuestro coche a la par con otro a 100 kilómetros por hora (60 millas por hora). La analogía con la tecnología convencional sería equivalente a conducir en dirección norte hacia un cruce por donde sabemos que va a pasar el otro coche. Llegamos simultáneamente a la intersección y ejecutamos, con riesgo para nuestro cuello, un brusco giro a la izquierda en el último momento poniendo en ello los frenos, el volante, el acelerador y probablemente también algo de adrenalina. Cuando conducimos un coche con motor iónico, más de 10 veces más eficiente, tomamos de entrada un camino diferente, más como la amplia curva de entrada a una autopista. Cuando entramos en la rampa comenzamos a coger velocidad lenta, o incluso delicadamente. Poco a poco, la curva nos va acercando a la autopista hasta que, en el momento en que salimos de la incorporación, nuestro coche viaja con la misma velocidad, dirección y sentido que el otro coche. Por supuesto, para asegurarse de que coincidimos con el otro coche la sincronización es completamente diferente de la del primer método, pero las sofisticadas técnicas de navegación orbital están a la altura de la tarea.

A finales de Julio de 2011, mientras la sonda sigue su trayectoria de aproximación a Vesta, sus caminos serán tan similares que se estarán moviendo casi a la misma velocidad y dirección alrededor del Sol (unos 20.5 kilómetros por segundo o 46 000 millas por hora). Cuando esté a unos 16 000 kilómetros (9900 millas) de Vesta, la nave viajará a menos de 50 metros por segundo (110 millas por hora) respecto a su objetivo. Esta combinación de distancia y velocidad permitirá que Vesta capture cuidadosamente a Dawn. La nave ni siquiera notará la diferencia, pero estará en órbita alrededor de su primer objetivo celeste incluso mientras sigue propulsándose dos semanas más para alcanzar la órbita planeada.

Con los cambios graduales de trayectoria asociados a la propulsión iónica, los cambios abruptos de dirección se ven reemplazados por suaves y graciosas curvas. Dawn se impulsa en una trayectoria en espiral alrededor del Sol a medida que viaja de la Tierra a Vesta, tras completar la primera vuelta en Junio de 2009. Llegará a Vesta antes de completar la segunda. Entonces su perfil de vuelo la llevará a volar en espiral alrededor de Vesta mientras la nave y el protoplaneta orbitan juntos alrededor del Sol. La primera vuelta de Dawn alrededor de Vesta durará unos 10 días y la segunda 4. Dejará de impulsarse cuando se encuentre en la "órbita de muestreo", en la que una vuelta dura un poco menos de 3 días. Después de recoger un montón de fotos y otros importantes datos científicos desde una altitud de unos 2700 kilómetros (1700 millas), continuará impulsándose, bajando en espiral hacia órbitas más bajas, para lo que necesitará cientos de vueltas. La velocidad de Dawn aumentará a medida que la altitud disminuye, por lo que las vueltas se volverán progresivamente más cortas.

En 2012, después de varios meses de observaciones científicas a corta distancia, Dawn invertirá la espiral, alejándose progresivamente del mundo que ha estado estudiando, de la misma manera que se alejó progresivamente del Sol. La atracción gravitatoria de Vesta se irá debilitando a medida que Dawn se aleja y acelera hasta que su elegante movimiento termine por vencer el invisible lazo que los ataba. Con la misma suavidad con que llegó, Dawn dejará atrás Vesta. En Julio de ese año volverá a encontrarse en su propia órbita alrededor del Sol, y los navegantes le darán instrucciones para que apunte su motor iónico en una espiral que la lleve aún más lejos del Sol al encuentro de Ceres.

Estas trayectorias circulares no se producen de manera espontánea. Sometida a los efectos predecibles y calculables de la gravedad del Sol y de otros cuerpos celestes (incluidos Vesta y Ceres), Dawn está programada para orientar sus propulsores en la dirección adecuada en el momento justo para seguir la trayectoria deseada. Diseñar este plan requirió mucho trabajo antes del lanzamiento. Los cambios desde entonces han respondido únicamente al conocimiento adquirido durante la misión, como por ejemplo una mejor predicción de la potencia que pueden suministrar los paneles solares.

Los ingenieros han terminado de planear la fase de aproximación por ahora. Han revisado en detalle las secuencias (las instrucciones que la nave ejecutará y sus tiempos de ejecución) y han probado algunas de ellas en el simulador de la nave que hay en JPL. Las secuencias están suficientemente elaboradas como para permitir que, si es necesario, los controladores las actualicen y las ajusten el año que viene antes de enviárselas a la nave. Ahora el equipo de operaciones ha dirigido su atención a la siguiente fase de la misión en Vesta, la órbita de muestreo, en la que comenzarán las observaciones más exhaustivas. Conoceremos más detalles al respecto en el próximo artículo.

Por supuesto, los controladores de Dawn no concentran todos sus esfuerzos únicamente en prepararse para Vesta. (Vuestro corresponsal dedica parte de su tiempo a bailar pero quizá esto sea un tema para un próximo artículo.) Obviamente, mantener la nave en buen estado de salud y en curso es también esencial. Además de enviarle instrucciones para generar el impulso adecuado, durante la pausa semanal para comunicaciones también ejecutan comprobaciones rutinarias para asegurarse de que la nave se mantiene en perfecto estado. Por ejemplo, recientemente se ajustó el reloj de a bordo de la nave. Como está expuesto constantemente al brillo lejano del Sol y no necesita dormir ni hacer pequeños descansos en su trabajo, nuestro robot no necesita cambiar al horario de verano. Sin embargo, fue necesario ajustar su horario porque el reloj de abordo había ido derivando progresivamente del valor correcto. Se ajustó por última vez el 27 de Febrero de 2008 y se ha mantenido con suficiente precisión para todas las necesidades de Dawn desde entonces. Gracias a la naturaleza gradual de la misión no es necesaria en general una precisión extraordinaria, por lo que los controladores, aunque han ido siguiendo la deriva del reloj, le han permitido seguir funcionando sin corregirlo. Cuando ordenaron el cambio del propulsor número 1 al propulsor número 2 en Enero, se esperaba que el reloj cambiara ligeramente y así fue. El propulsor número 2 utilizar una unidad de control de potencia diferente de los propulsores 1 y 3. El controlador 2 está montado más cerca del sistema electrónico que contiene el reloj de Dawn, y ahora que está encendido el calor que disipa calienta ligeramente el reloj, lo cual modifica levemente su velocidad. Aunque la misión podría soportar diferencias mucho mayores, cuando la deriva del reloj alcanzó 1.37 segundos los operadores volvieron a ponerlo en hora y lo ajustaron para tener en cuenta la diferencia de temperatura. (Los lectores quizá deseen pararse a pensar durante 1.37 segundos sobre la dificultad de sincronizar un reloj que está más lejos que el Sol.)

También se puso en marcha una versión mejorada del ensayo que determina la orientación relativa del campo de visión del espectrómetro visible e infrarrojo y de la cámara principal. Cuando se realizó la medida en Diciembre un conflicto en la secuencia de comandos de VIR no nos permitió obtener los datos necesarios.

Como si los ingenieros de Dawn no tuvieran suficiente con mantener la nave en buena salud y preparar los planes de detalle para Vesta, también han estado trabajando en una nueva versión del software del ordenador principal, cuya instalación abordo está programada para Junio. En dicho mes la misión alcanzará tres puntos culminantes, por lo que no debe sorprender a nadie que vuestro corresponsal los re-Marque en el próximo artículo.

Dawn se encuentra a 1.64 UA (243 millones de kilómetros o 151 millones de millas) de la Tierra, unas 650 veces más lejos que la Luna y 1.61 veces más lejos que el Sol. Las señales de radio, limitadas universalmente a viajar a la velocidad de la luz, tardan 27 minutos en hacer el viaje de ida y vuelta.

Dr. Marc D. Rayman
7:00 am PDT del 28 de Abril de 2010

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