Marte tiene justo la atmósfera suficiente para generar calentamiento, pero no la suficiente para frenar una nave hasta una velocidad de aterrizaje segura. Cómo los ingenieros resolvieron el problema de entrada, descenso y aterrizaje para Curiosity y Perseverance — y por qué la solución falla a escala de misiones humanas.
NASA/JPL-Caltech — Etapa de descenso de Perseverance captada durante el EDL por la cámara MARDI, febrero de 2021
Marte tiene atmósfera. Esto es a la vez la ventaja fundamental y el problema fundamental para aterrizar allí.
La atmósfera terrestre es lo bastante densa como para que un escudo térmico y un paracaídas puedan desacelerar cualquier nave hasta una velocidad casi nula bien por encima de la superficie. La Luna no tiene atmósfera en absoluto — descenso puramente propulsado por cohetes desde velocidad orbital. Marte se sitúa en un incómodo término medio. Su atmósfera es lo bastante espesa como para causar un calentamiento aerodinámico significativo durante la entrada, lo que exige un escudo térmico. Pero es demasiado tenue — presión superficial de aproximadamente 600 Pa, menos del 1% de la terrestre — para desacelerar una nave hasta una velocidad de aterrizaje segura usando solo aerodinámica.
En el punto de despliegue del paracaídas durante una entrada en Marte, la nave todavía viaja a 400-500 m/s. El paracaídas, limitado en tamaño por el diámetro del aeroshell y en eficacia por el aire marciano tenue, solo puede reducir la velocidad hasta aproximadamente 80-100 m/s cuando la nave se encuentra a 1-2 km de la superficie. Esa velocidad remanente debe ser eliminada por cohetes. La pregunta es cómo.
Esta pregunta ha producido algunas de las ingenierías más inventivas de la historia de la exploración robótica — y la respuesta que funcionó para un rover de una tonelada no tiene una extensión obvia a los módulos de aterrizaje tripulados de diez toneladas que exige cualquier arquitectura seria de misión humana a Marte.
Parámetros clave
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Densidad atmosférica de Marte en superficie | ~0,02 kg/m³ (1,4% de la terrestre) |
| Velocidad de entrada (Curiosity) | 5,9 km/s |
| Calentamiento pico (Curiosity) | ~215 W/cm² |
| Diámetro del aeroshell del MSL | 4,5 m |
| Diámetro del paracaídas supersónico | 21,5 m |
| Propelente del skycrane (MMH/NTO) | ~390 kg |
| Velocidad de toma de contacto | <0,75 m/s |
El Problema de la Atmósfera en Números
La aerodinámica de los vehículos de entrada en Marte está gobernada por las mismas ecuaciones que cualquier entrada hipersónica (ver termodinámica de la reentrada atmosférica), con una diferencia crítica: el destino no es el nivel del suelo. La entrada en Marte comienza a aproximadamente 125 km de altitud; el aterrizaje ocurre en una superficie 20-25 km por debajo del “nivel del mar” en la atmósfera tenue de Hellas Planitia, o a una elevación de 0-3 km para la mayoría de los objetivos de exploración.
El vehículo de entrada ingresa a 5,5-6,5 km/s (velocidad de aproximación a Marte menos la velocidad de escape de Marte de 5,03 km/s) con un ángulo de trayectoria de vuelo de aproximadamente -15 a -16 grados. La desaceleración pico alcanza 8-12 g durante el corredor de entrada. La tasa de calentamiento pico en el punto de estancamiento para Perseverance: aproximadamente 145 W/cm² — mucho menor que en una reentrada de retorno lunar debido a la menor velocidad de aproximación, pero significativa.
El aeroshell —una geometría de cono-esfera de 70° con un diámetro de 4,5 m para Perseverance— utiliza como material de escudo térmico PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator), la misma clase de material desarrollado para Stardust y usado en Orion. El backshell está recubierto con SLA-561V (Super Light Ablator), un material de base silicona que soporta el entorno de menor calentamiento del backshell.
Despliegue del paracaídas a Mach 2: un paracaídas supersónico de banda con huecos (disk-gap-band) de 12 m de diámetro, que genera aproximadamente 65.000 N de arrastre. El paracaídas desacelera el sistema desde aproximadamente 420 m/s hasta 80-100 m/s en 1-2 km de altitud.
El Skycrane: un Absurdo de Ingeniería que Funciona
El problema al que se enfrentaban los diseñadores de Curiosity a mediados de la década de 2000 era específico: un rover de 900 kg debía ser depositado en la superficie marciana sin airbags (demasiado pesados, demasiado poco fiables para esa masa), sin módulos de aterrizaje con patas (huella inaceptablemente grande y contaminación del lugar de aterrizaje por los retrocohetes), y con cohetes que no podían disparar directamente hacia abajo en el momento del aterrizaje (los chorros de escape contaminarían las muestras científicas de la superficie y podrían desestabilizar el rover).
La solución, propuesta por ingenieros del JPL e inicialmente vista por muchos como de una complejidad implausible, fue el skycrane: una etapa de descenso independiente con ocho retrocohetes se frenaría hasta quedar suspendida a aproximadamente 20 m de altitud, para luego bajar el rover mediante un arnés de 7,6 m mientras los tres sistemas —etapa de descenso, arnés y rover— descendían juntos hasta la superficie. En el momento de la toma de contacto, cortadores pirotécnicos seccionaban el arnés y la etapa de descenso se alejaba volando para estrellarse a una distancia segura.
El sistema exige que las ruedas del rover toquen la superficie, que los sensores detecten la holgura en el arnés que indica el contacto, que se activen los cortadores y que esta información se transmita a la etapa de descenso antes de que la holgura se propague hasta un enredo catastrófico — todo ello en aproximadamente 0,8 segundos.
Funcionó el 6 de agosto de 2012 a las 05:17 UTC, depositando a Curiosity a 2,4 km de su elipse de aterrizaje objetivo (de por sí de 20 km × 7 km — una precisión que habría sido considerada extraordinaria para cualquier aterrizaje marciano anterior). Volvió a funcionar el 18 de febrero de 2021 para Perseverance, que aterrizó a 2,1 km del punto objetivo en el cráter Jezero con una elipse de aterrizaje de solo 7,7 km × 6,6 km — la más pequeña jamás lograda en Marte para una nave de varias toneladas.
El EDL de Perseverance incluyó dos innovaciones ausentes en Curiosity: Range Trigger (que ajusta el momento de despliegue del paracaídas en función de la navegación en tiempo real para optimizar la reducción de la elipse de aterrizaje) y la Navegación Relativa al Terreno (TRN), que usaba un mapa a bordo y una cámara para identificar zonas de aterrizaje seguras, dirigiendo la etapa de descenso para evitar peligros. La TRN redujo el error final de aterrizaje a 62 metros — la primera vez que un módulo de aterrizaje marciano apuntó de forma autónoma a su propio lugar de aterrizaje.
Por Qué Esto No Escala
Cada componente del sistema EDL de Curiosity/Perseverance fue diseñado en torno a una masa de aterrizaje de ~900 kg. La física del EDL marciano impone límites de escalado fundamentales.
Paracaídas: el área de arrastre de un paracaídas escala con la sección transversal, que a su vez escala con el diámetro al cuadrado. Para frenar un módulo de 20 toneladas (el mínimo aproximado para una misión tripulada a Marte) en el mismo factor que un rover de 900 kg se necesita un paracaídas de aproximadamente 5 veces el diámetro del de Perseverance — unos 60 metros. El despliegue supersónico de un paracaídas de 60 m es un problema de ingeniería cualitativamente distinto al de uno de 12 m, con dinámicas, cargas de material y modos de fallo diferentes. Ningún paracaídas supersónico de esta escala ha sido probado en Marte.
Aeroshell: el escudo térmico debe encajar dentro del carenado de un vehículo de lanzamiento. Perseverance usó un aeroshell de 4,5 m dentro de un carenado Atlas V de 5 m. Un módulo de 20 toneladas requiere un aeroshell de aproximadamente 10 m de diámetro — más allá de cualquier vehículo de lanzamiento existente y del envolvente actual del SLS.
Retrocohetes: un módulo tripulado debe aterrizar con propelente remanente para el ascenso. La masa de propelente necesaria para el descenso terminal desde 80 m/s con 20 toneladas —aproximadamente 10-15 toneladas de propelente— debe transportarse a través de la entrada, lo que aumenta la masa del vehículo de entrada y vuelve el problema circular.
Por esto la arquitectura de aterrizaje en Marte de Starship de SpaceX abandona por completo el enfoque EDL tradicional. Starship está diseñado para entrar en la atmósfera marciana con el morro primero usando el arrastre aerodinámico del propio cuerpo del vehículo (sin aeroshell independiente), luego rotar hasta la vertical usando empuje y superficies de control aerodinámico (la maniobra de “panqueque” o belly flop), y realizar un aterrizaje vertical propulsado usando los motores Raptor. El vehículo transporta 1.200 toneladas de propelente al despegar — suficiente para que la masa de propelente destinada al aterrizaje en Marte sea una fracción relativamente pequeña del total.
Si este enfoque funciona en Marte, bajo condiciones atmosféricas marcianas que producen fuerzas aerodinámicas y calentamiento sobre un vehículo de acero inoxidable de 9 m de diámetro con características distintas a las de un aeroshell convencional, es una pregunta que no puede responderse por completo antes del primer intento real de aterrizaje. El entorno de EDL en Marte sigue siendo uno de los más exigentes de la exploración del sistema solar, y la solución de ingeniería para un aterrizaje a escala humana aún no ha sido demostrada.
El Retraso de Comunicación y el Requisito de Autonomía Total
Un detalle que a menudo se les escapa a los no especialistas: toda secuencia de EDL en Marte es completamente autónoma. El tiempo de viaje de la luz en un solo sentido entre la Tierra y Marte va desde 3 minutos (máxima aproximación) hasta 22 minutos (máxima distancia). La entrada, descenso y aterrizaje toman entre 6 y 7 minutos en total.
Para cuando la señal que indica “el EDL ha comenzado” llega a la Tierra, la nave ya ha aterrizado — con éxito o no. Los controladores de misión observan la telemetría con un retraso de entre 7 y 22 minutos, como testigos informados de un resultado que ya ha sido decidido únicamente por el software y el hardware.
Toda la secuencia de EDL —desde la entrada atmosférica hasta el contacto con la superficie— es ejecutada por el ordenador de a bordo de la nave siguiendo una secuencia precargada, con ramas condicionales para eventos fuera de lo nominal pero sin posibilidad alguna de intervención humana. En este sentido, todo aterrizaje en Marte de la historia ha sido la nave aterrizándose a sí misma.
Para conocer los enfoques de propulsión que se están considerando para las misiones humanas que eventualmente podrían intentar este aterrizaje, ver propulsión eléctrica: motores de iones y propulsores Hall.