La tecnología de la NASA permite aterrizar con precisión y evitar peligros sin piloto

El propulsor New Shepard (NS) aterriza después del quinto vuelo de este vehículo durante el NS-11 el 2 de mayo de 2019. Crédito: Blue Origin

Algunos de los lugares más interesantes para estudiar en nuestro sistema solar se encuentran en los entornos más inhóspitos, pero aterrizar en cualquier cuerpo planetario ya es una propuesta arriesgada. Con NASA planificación de misiones robóticas y tripuladas a nuevas ubicaciones en la Luna y Marte, evitar aterrizar en la pendiente empinada de un cráter o en un campo de rocas es fundamental para ayudar a garantizar un aterrizaje seguro para la exploración de la superficie de otros mundos. Para mejorar la seguridad del aterrizaje, la NASA está desarrollando y probando un conjunto de tecnologías precisas para el aterrizaje y la prevención de peligros.

Una combinación de sensores láser, una cámara, una computadora de alta velocidad y algoritmos sofisticados le darán a la nave espacial los ojos artificiales y la capacidad analítica para encontrar un área de aterrizaje designada, identificar peligros potenciales y ajustar el rumbo al sitio de aterrizaje más seguro. Las tecnologías desarrolladas bajo el proyecto de Aterrizaje Seguro y Preciso – Evolución de Capacidades Integradas (SPLICE) dentro del programa de Desarrollo de Cambio de Juego de la Dirección de Misión de Tecnología Espacial eventualmente harán posible que las naves espaciales eviten rocas, cráteres y más dentro de áreas de aterrizaje de la mitad del tamaño de una campo de fútbol ya señalado como relativamente seguro.

Un nuevo conjunto de tecnologías de aterrizaje lunar, llamado Safe and Precise Landing – Integrated Capabilities Evolution (SPLICE), permitirá aterrizajes lunares más seguros y precisos que nunca. Las futuras misiones de la Luna podrían usar los algoritmos y sensores avanzados SPLICE de la NASA para apuntar a sitios de aterrizaje que no fueron posibles durante las misiones Apolo, como regiones con rocas peligrosas y cráteres cercanos en sombras. Las tecnologías SPLICE también podrían ayudar a los humanos a aterrizar en Marte. Crédito: NASA

Tres de los cuatro subsistemas principales de SPLICE tendrán su primer vuelo de prueba integrado en un cohete Blue Origin New Shepard durante una próxima misión. Cuando el propulsor del cohete regresa al suelo, después de alcanzar el límite entre la atmósfera y el espacio de la Tierra, la navegación relativa al terreno de SPLICE, la navegación Doppler lidar y la computadora de descenso y aterrizaje se ejecutarán a bordo del propulsor. Cada uno funcionará de la misma manera que lo hará cuando se acerque a la superficie de la Luna.

El cuarto componente principal de SPLICE, un lidar de detección de peligros, se probará en el futuro mediante pruebas en tierra y en vuelo.

Siguiendo las migas de pan

Cuando se elige un sitio para la exploración, parte de la consideración es garantizar suficiente espacio para que aterrice una nave espacial. El tamaño del área, llamada elipse de aterrizaje, revela la naturaleza inexacta de la tecnología de aterrizaje heredada. El área de aterrizaje objetivo del Apolo 11 en 1968 era de aproximadamente 11 millas por 3 millas, y los astronautas pilotearon el módulo de aterrizaje. Las misiones robóticas posteriores a Marte fueron diseñadas para aterrizajes autónomos. Viking llegó al Planeta Rojo 10 años después con una elipse objetivo de 174 millas por 62 millas.

La elipse de aterrizaje del Apolo 11, que se muestra aquí, tenía 11 millas por 3 millas. La tecnología de aterrizaje de precisión reducirá drásticamente el área de aterrizaje, permitiendo que múltiples misiones aterricen en la misma región. Crédito: NASA

La tecnología ha mejorado y las subsiguientes zonas de aterrizaje autónomas disminuyeron en tamaño. En 2012, la elipse de aterrizaje del rover Curiosity se redujo a 12 millas por 4 millas.

Ser capaz de localizar un lugar de aterrizaje ayudará a futuras misiones a apuntar a áreas para nuevas exploraciones científicas en lugares que antes se consideraban demasiado peligrosos para un aterrizaje sin piloto. También permitirá que las misiones de suministro avanzadas envíen carga y suministros a un solo lugar, en lugar de extenderse por millas.

Cada cuerpo planetario tiene sus propias condiciones únicas. Es por eso que «SPLICE está diseñado para integrarse con cualquier nave espacial que aterrice en un planeta o luna», dijo el gerente de proyecto Ron Sostaric. Con base en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Sostaric explicó que el proyecto abarca varios centros de la agencia.

La navegación relativa al terreno proporciona una medición de navegación al comparar imágenes en tiempo real con mapas conocidos de características de la superficie durante el descenso. Crédito: NASA

“Lo que estamos construyendo es un sistema completo de descenso y aterrizaje que funcionará para futuras misiones de Artemis a la Luna y se puede adaptar a Marte”, dijo. «Nuestro trabajo es unir los componentes individuales y asegurarnos de que funcionan como un sistema en funcionamiento».

Las condiciones atmosféricas pueden variar, pero el proceso de descenso y aterrizaje es el mismo. La computadora SPLICE está programada para activar la navegación relativa al terreno a varias millas sobre el suelo. La cámara a bordo fotografía la superficie, tomando hasta 10 fotografías por segundo. Estos se introducen continuamente en la computadora, que está precargada con imágenes de satélite del campo de aterrizaje y una base de datos de puntos de referencia conocidos.

Los algoritmos buscan las imágenes en tiempo real de las características conocidas para determinar la ubicación de la nave espacial y navegar la nave de manera segura hasta su punto de aterrizaje esperado. Es similar a navegar a través de puntos de referencia, como edificios, en lugar de nombres de calles.

De la misma forma, la navegación relativa al terreno identifica dónde se encuentra la nave espacial y envía esa información a la computadora de guía y control, que se encarga de ejecutar la trayectoria de vuelo hasta la superficie. La computadora sabrá aproximadamente cuándo la nave espacial debería estar acercándose a su objetivo, casi como si colocaran migas de pan y luego las siguieran hasta el destino final.

Este proceso continúa hasta aproximadamente cuatro millas sobre la superficie.

Navegación láser

Conocer la posición exacta de una nave espacial es esencial para los cálculos necesarios para planificar y ejecutar un descenso motorizado hasta un aterrizaje preciso. A mitad del descenso, la computadora enciende el lidar Doppler de navegación para medir las mediciones de velocidad y alcance que se suman a la información de navegación precisa proveniente de la navegación relativa al terreno. Lidar (detección de luz y rango) funciona de la misma manera que un radar, pero usa ondas de luz en lugar de ondas de radio. Tres rayos láser, cada uno tan estrecho como un lápiz, apuntan hacia el suelo. La luz de estos rayos rebota en la superficie y se refleja hacia la nave espacial.

El instrumento lidar Doppler de navegación de la NASA está compuesto por un chasis, que contiene componentes electroópticos y electrónicos, y un cabezal óptico con tres telescopios. Crédito: NASA

El tiempo de viaje y la longitud de onda de esa luz reflejada se utilizan para calcular qué tan lejos está la nave del suelo, en qué dirección se dirige y qué tan rápido se mueve. Estos cálculos se realizan 20 veces por segundo para los tres rayos láser y se introducen en la computadora de guía.

El lidar Doppler funciona con éxito en la Tierra. Sin embargo, Farzin Amzajerdian, coinventor de la tecnología e investigador principal del Langley Research Center de la NASA en Hampton, Virginia, es responsable de abordar los desafíos para su uso en el espacio.

“Todavía hay algunas incógnitas sobre cuánta señal vendrá de la superficie de la Luna y Marte”, dijo. Si el material en el suelo no es muy reflectante, la señal de regreso a los sensores será más débil. Pero Amzajerdian confía en que el lidar superará a la tecnología de radar porque la frecuencia del láser es órdenes de magnitud mayor que las ondas de radio, lo que permite una precisión mucho mayor y una detección más eficiente.

El ingeniero de Langley, John Savage, inspecciona una sección de la unidad lidar Doppler de navegación después de su fabricación a partir de un bloque de metal. Crédito: NASA / David C. Bowman

El caballo de batalla responsable de administrar todos estos datos es la computadora de descenso y aterrizaje. Los datos de navegación de los sistemas de sensores se envían a algoritmos integrados, que calculan nuevas rutas para un aterrizaje preciso.

Potencia informática

La computadora de descenso y aterrizaje sincroniza las funciones y la gestión de datos de los componentes individuales de SPLICE. También debe integrarse a la perfección con los otros sistemas en cualquier nave espacial. Por lo tanto, esta pequeña potencia informática evita que las tecnologías de aterrizaje de precisión sobrecarguen la computadora de vuelo principal.

Las necesidades computacionales identificadas desde el principio dejaron en claro que las computadoras existentes eran inadecuadas. El procesador informático de vuelo espacial de alto rendimiento de la NASA satisfaría la demanda, pero aún faltan varios años para su finalización. Se necesitaba una solución provisional para preparar SPLICE para su primera prueba de vuelo de cohete suborbital con Blue Origin en su cohete New Shepard. Los datos del rendimiento de la nueva computadora ayudarán a dar forma a su eventual reemplazo.

Hardware SPLICE en preparación para una prueba de cámara de vacío. Tres de los cuatro subsistemas principales de SPLICE tendrán su primer vuelo de prueba integrado en un cohete Blue Origin New Shepard. Crédito: NASA

John Carson, el gerente de integración técnica para aterrizaje de precisión, explicó que «la computadora sustituta tiene una tecnología de procesamiento muy similar, que está informando tanto el diseño futuro de la computadora de alta velocidad como los esfuerzos futuros de integración de la computadora de descenso y aterrizaje».

De cara al futuro, misiones de prueba como estas ayudarán a configurar sistemas de aterrizaje seguros para misiones de la NASA y proveedores comerciales en la superficie de la Luna y otros cuerpos del sistema solar.

“Aterrizar de forma segura y precisa en otro mundo todavía presenta muchos desafíos”, dijo Carson. “Aún no existe tecnología comercial que puedas comprar para esto. Cada misión de superficie futura podría utilizar esta capacidad de aterrizaje de precisión, por lo que la NASA está cumpliendo esa necesidad ahora. Y estamos fomentando la transferencia y el uso con nuestros socios de la industria «.