El lanzamiento de InSight, paso a paso

Todo preparado para el lanzamiento de la misión InSight rumbo a Marte. Los nervios empiezan a templarse. En unas horas, si todo va bien, la sonda ya estará rumbo al Planeta Rojo. ¿Cuáles fueron las fases por las que ha pasado esta misión hasta llegar hasta aquí? ¿Qué fases le esperan? Responderé a esas preguntas mediante una pequeña guía de esta misión. Les hablaré de las etapas del prelanzamiento, lanzamiento, fase de crucero, aproximación y maniobra EDL. Pero antes de entrar en esos temas, me gustaría hacerles una pequeña introducción a la misión para ponerla en contexto. ¿Me acompañan?

Introducción a la misión

InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) es un aterrizador de la NASA diseñado para hacerle a Marte su primer «chequeo médico» exhaustivo desde que se formó hace 4.500 millones de años. Para ello estudiará en profundidad el interior del Planeta Rojo con el fin de obtener datos de su corteza, manto y núcleo.

Estudiar la estructura interna de Marte ofrecerá claves sobre la formación temprana tanto de los planetas rocosos de nuestro sistema solar como de exoplanetas terrestres. Para ello se profundizará bajo la superficie y se buscarán las huellas dactilares de los procesos de formación. Así que, en lugar de medir valores de colesterol y triglicéridos, este chequeo aportará datos acerca de la sismología y el flujo de calor analizando el interior de Marte.

Primer CubeSat enviado a otro planeta

El cohete que lanzará InSight más allá de las fronteras de nuestro planeta también llevará a bordo un experimento tecnológico de la NASA. Se trata de dos mini sondas MarCO (Mars Cube One). Tienen el tamaño de un maletín y volarán hacia Marte detrás del lander. Su objetivo es el de retransmitir datos de InSight una vez haya ingresado en la atmósfera marciana. Será la primera vez que la tecnología CubeSat visita otro planeta. Esto supone un primer paso para poder ofrecer nuevas funcionalidades en misiones futuras.

¿Por qué Marte?

Misiones anteriores dirigidas a Marte han investigado la historia de la superficie del Planeta Rojo. Sin embargo, las firmas de la formación del planeta solo se pueden encontrar en el subsuelo. En comparación con los otros planetas terrestres, Marte tiene un tamaño tal que su interior podría conservar el registro de su formación y darnos una idea de cómo se formó.

Y ahora que les he puesto en contexto la misión con respecto a Marte, quiero mostarles cuáles serán los pasos que dio la sonda desde sus inicios y los que dará tras su lanzamiento.

Prelanzamiento de InSight

La misión comienza con este período que se divide a su vez en cuatro fases. Abarca desde la conceptualización de la misión hasta que la sonda está preparada para su lanzamiento:

Fase A: concepto

Es la primera fase de la misión. Aquí es donde se conceptualiza y se definen los primeros requisitos que debe cumplir. Son procesos de vital importancia porque se fijan los pilares que sostendrán las tres fases siguientes. Sin esto, la misión no existiría.

Fase B: objetivos e instrumentos

Con las ideas de la fase anterior, la NASA ya está en disposición de ofrecer los primeros diseños y desarrollos tecnológicos. Para ello la Agencia selecciona a un comité científico. Será quien defina los objetivos, que en el caso de InSight son los siguientes:

• Comprender la formación y evolución de Marte y extrapolarla a la de otros planetas terrestres.
• Determinar el nivel de actividad tectónica en Marte y la tasa de impacto de meteoritos.

Una vez definidos los objetivos, la comunidad científica propone una serie de instrumentos para cumplirlos. Con todas las propuestas encima de la mesa, el comité científico las evalúa y presenta la selección definitiva. En el caso de InSight los instrumentos seleccionados son estos:

SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure)

SEIS es un sismómetro que tomará medidas precisas de terremotos y otros procesos internos en Marte. También investigará cómo la corteza y el manto marciano responden a los efectos de impactos meteoríticos. Esto dará pistas sobre la estructura interna del planeta. SEIS ha sido proporcionado por CNES (Centre National d’ Études Spatiales) con la participación del IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris), el ETH Zurich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich), el MPS (Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung), el Imperial College de Londres, el ISAE (Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace) y el JPL (Jet Propulsión Laboratory). Una fuga de vacío en este instrumento, el principal de InSight, pospuso la misión dos años.

HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package)

HP3 ha sido proporcionado por DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt). Se trata de una sonda de flujo de calor autopenetrante. Apodado como «el topo», este instrumento ha sido diseñado para excavar hasta 5 m bajo la superficie y así medir la cantidad de calor procedente del núcleo del Planeta Rojo. Incorpora también precisos sensores de temperatura cada 10 cm para medir el perfil de temperatura del subsuelo.

RISE (Rotation and Interior Structure Experiment)

RISE ha sido proporcionando por el JPL y usará la radio de banda X del módulo de aterrizaje para proporcionar medidas precisas de los movimientos de rotación, precesión y nutación del planeta Marte. Al conjugar estos datos, se podrá calcular el tamaño y la densidad del núcleo y el manto, lo que aumentará la comprensión sobre la formación de planetas terrestres.

TWINS (Temperature and Winds for InSight)

TWINS ha sido proporcionado por el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) y se ha concebido para dar apoyo a SEIS. Se trata de una estación meteorológica que medirá el viento para descartar falsos positivos de terremotos. Es decir, si un vendaval azota InSight y hace vibrar el suelo, proporcionará señal al sismómetro. Se trataría por tanto de una señal falsa ya que no procede de un terremoto y TWINS la descartará.

LaRRI (Laser RetroReflector for InSight)

LaRRI es un retroreflector proporcionado por la ASI (Agenzia Spaziale Italiana) montado en la cubierta superior de InSight. Permite una detección pasiva por láser en órbita, incluso después de que el módulo de aterrizaje se haya retirado.

IDA (Instrument Deployment Arm)

IDA es un brazo robótico que se utilizará para desplegar los instrumentos SEIS y HP3 en la superficie de Marte.

IDC (Instrument Deployment Camera)

IDC es una cámara a color basada en el diseño utilizado para las Navcam de los rover Spirit, Opportunity y Curiosity. Está situada en el brazo de despliegue y aportará imágenes de los instrumentos situados en la plataforma del módulo de aterrizaje además de proporcionar vistas estereoscópicas del terreno. Cuenta con un campo de visión de 45 grados y utiliza un detector CCD de 1024 x 1024 píxeles. El sensor de la cámara originalmente era en blanco y negro aunque finalmente se reemplazó por uno de color.

ICC (Instrument Context Camera)

ICC es una cámara a color que está basada en el diseño de las Hazcam, que también iban incluidas en los rover Spirit, Opportunity y Curiosity. Está montada bajo la plataforma del módulo de aterrizaje y con su campo de visión panorámico de gran ángulo de 120 grados proporcionará una vista complementaria del área de despliegue del instrumento. También utiliza un detector CCD de 1024 x 1024 píxeles.

El coste de la misión está estimado en 425 millones de dólares sin contar el vehículo de lanzamiento. El 90% del presupuesto está destinado a SEIS, el sismógrafo. El 10% restante se lo reparten los demás instrumentos aunque no de manera proporcional ya que HP3 se lleva la mayor parte de ese 10%.

Fase C: lugar de aterrizaje

En esta fase tiene lugar la elección del lugar de Marte donde la misión InSight aterrizará. En septiembre de 2013 se partió de una lista de 22 lugares candidatos. Tras una dura criba se redujeron a tres: Elysium Planitia, Isidis Planitia y Valles Marineri. Finalmente fue Elysium Planitia el elegido, una llanura ecuatorial con características adecuadas para que InSight pueda llevar a cabo su trabajo.

En esta fase también se diseña y construye el módulo de aterrizaje. Recuerden que InSight es un lander, es decir, un artefacto «sin ruedas». El último lander que la NASA envió a Marte fue la Phoenix Mars Lander en 2007 cuyo sistema de aterrizaje se basaba en un paracaídas y un conjunto de retrocohetes. Como les contaré más adelante, el sistema de aterrizaje de InSight será muy similar.

Fase D: ensamblaje

Ya estamos en la última fase antes del despegue. Aquí los ingenieros ensamblan y prueban la sonda en las instalaciones de Lockheed Martin en Denver (Colorado). Tras el montaje y ensayos, InSight es transportada al Vandenberg Air Force Base. Aquí introducen a InSight en la cápsula protectora, se le fija la cubierta térmica (aeroshell) y la misión es embarcada en el cohete. El lanzamiento está listo.

Lanzamiento de InSight

El lanzamiento de una misión a Marte no es algo sencillo. Sacar de la Tierra una carga es muy costoso económicamente. Por ello, hay que evaluar cuáles son los mejores momentos para lanzar una misión. Dependiendo de la posición de la Tierra con respecto a Marte, hay unos días en los que el uso de combustible se reduce al máximo. Se les llama ventanas de lanzamiento y ocurren cada dos años.

La ventana de lanzamiento a Marte en 2018 se abre el 5 de mayo a las 13:05 (todas las horas en horario peninsular español) y finaliza el 8 de junio a las 11:30. Cada día dispone de una subventana de 2 horas para llevar a cabo el lanzamiento. Esto es así para aprovechar la orientación de la Tierra con respecto a Marte. Al día siguiente la ventana se adelantará 10 minutos, al siguiente 5, al siguiente 10 y así sucesviamente hasta llegar al 8 de junio. Ese día la ventana se abrirá a las 09:30 y, como les dije, a las 11:30 se cerrará para no volver a abrirse hasta 2020.

Desde el primer día

Ni que decir tiene que la NASA aprovechará el mismo día que se abre la ventana para lanzar la misión. De este modo, ante cualquier imprevisto tendrán 34 días para solucionarlo. El Complex 3 del Vandenberg Air Force Base tendrá preparado el cohete Atlas V-401 con InSight a bordo para enviarlo a Marte en cuanto sea posible.

¿Por qué desde el Vandenberg AFB?

No sé si se han percatado ustedes que el Vandenberg Air Force Base se encuentra en la costa Oeste, concretamente en el estado de California. Generalmente, este tipo de misiones se lanzan desde el Centro Espacial Kennedy (Florida), el antiguo Cabo Cañaveral, en la costa Este. InSight tendrá el honor de ser la primera misión con rumbo a otro planeta que se lanza desde esta costa.

Al lanzar desde el Este, la misión desde su lanzamiento sobrevuela el océano evitando suelo continental. Además, el lanzamiento hacia el Este conlleva un impulso extra al del propio cohete debido a la rotacion de la Tierra. Sin embargo, para esta misión el Vandenberg AFB se adapta mejor a la ventana de lanzamiento. El Atlas V-401 es lo suficientemente potente como para volar hacia el Pacífico y alcanzar el espacio sin contar con el impulso extra de la rotación de nuestro planeta. Si el cohete no tuviese tanta potencia, habría que haberlo lanzado desde el Centro Espacial Kennedy.

Así será el lanzamiento

Cuando la cuenta atrás llega a cero se encienden los dos propulsores de la primera etapa del Atlas V-401. Los 58 metros de cohete comienzan a elevarse. Este cohete no depende de combustible sólido por lo que sus 284 toneladas de propelente están formadas por queroseno y oxígeno líquido. A medida que se va consumiendo, el conjunto se acelera más y más. El tiempo de quemado del combustible de esta primera etapa se estima en 4 minutos y 13 segundos.

Cuando se agota el combustible de la primera etapa, una suerte de pirotecnia compuesta por 8 retrocohetes separa la primera etapa de la segunda. Hasta este momento estaban unidas por el conector 400-ISA. La segunda etapa, o etapa Centauro, mide 12 metros. Está propulsada por un solo propulsor alimentado por hidrógeno y oxígeno líquidos. El tiempo de quemado está certificado en 12 minutos y 20 segundos. Tiene la particularidad de que puede apagarse de manera controlada y volver a ser encendido. La orientacion del Centauro se puede variar mediante 8 pequeños cohetes auxiliares alimentados con hidrazina.

La carga útil

Una vez que el Centauro ha abandonado la atmósfera terrestre, las dos conchas que protegen la carga útil del cohete (PLF) se separan mediante pirotecnia. Cuando el propulsor alcanza la velocidad adecuada para poner la misión InSight rumbo a Marte, se desprende dejando a la carga útil en la dirección correcta. El viaje a Marte de InSight está estimado en 6 meses y 485 millones de Km. Además, no importa en qué momento de la ventana se produzca el lanzamiento. Sea cual sea, la fecha de aterrizaje está fijada para el 26 de noviembre de 2018.

La fase de crucero

La fase de crucero del viaje a Marte comienza tras la separación de la etapa Centauro y la carga útil. La sonda InSight sigue encapsulada. Esta fase termina a finales de septiembre de 2018, cuando faltan 60 días para el aterrizaje. Es entonces cuando comienza la fase de aproximación, de la que les hablaré en el siguiente punto.

En la fase de crucero se realizan correcciones programadas de trayectoria mediante los motores de la etapa crucero. La primera de estas correcciones se realiza tan solo 10 días después del lanzamiento. Estos ajustes tienen por objetivo que la cápsula entre en la atmósfera marciana correctamente.

Algunas de las actividades que realizará la sonda a lo largo de esta fase son las siguientes:

• Control de estado y mantenimiento de la configuración de crucero.
• Monitorización y calibración de los sistemas de la nave espacial.
• Ajustes de giro para mantener la antena apuntando hacia la Tierra y los paneles hacia el Sol.
• Actividades de navegación, incluyendo las maniobras de corrección de trayectoria para hacer seguimiento de la posición de InSight y controlarla con precisión para lograr una buena maniobra de aproximación.
• Preparación de las operaciones de EDL (Entry, Descent and Landing), incluyendo las pruebas de comunicación.

Aproximación

Como les dije más arriba, 60 días antes de la entrada atmosférica concluye la fase de crucero. Es cuando comienza la de aproximación. Esta fase tiene el objetivo de garantizar una maniobra EDL satisfactoria. Para ello los ingenieros de vuelo comienzan a preparar la sonda para el contacto con la atmósfera marciana. Estos preparativos incluyen estas actividades:

• Corrección de la trayectoria final mediante pequeños ajustes en el rumbo.
• Control de la rotación de la sonda con respecto a Marte y la Tierra para asegurar las comunicaciones.
• Medidas del Delta DOR (Delta-Differential One-Way Ranging) para conocer en todo momento posición y rumbo de la sonda para garantizar una maniobra EDL precisa.
• Inicio del software de control de la EDL que ejecutará los comandos automáticos durante el descenso.
• Actualizaciones de parámetros de entrada, descenso y aterrizaje.
• Separación de la etapa crucero y giro final de la cápsula para que entre con el ángulo adecuado en la atmósfera marciana.
• Carga de secuencias de actuación de superficie y ventanas de comunicación durante los primeros soles (un «sol» es un día marciano).

Durante esta fase, las comunicaciones de InSight con la DSN (Deep Space Network) de la NASA se incrementan notablemente. Así los ingenieros de vuelo determinan la trayectoria de la manera más precisa posible. Y además tienen margen de corrección en caso de algún imprevisto.

Entry, Descent and Landing (EDL)

Es la fase más crítica de la misión. A los escasos seis minutos de duración se une que la secuencia de procesos debe estar totalmente automatizada. Esto es así porque Marte, aunque sea un planeta cercano y aunque las señales viajen a la velocidad de la luz, tardaríamos una media hora en recibir respuesta tras lanzar una orden. Por eso, la nave debe ser capaz de autogestionarse en esta maniobra que comenzará a unos 128 Km de la superficie de Marte. Y como les digo, 6 minutos después se posará de manera controlada en los suelos del Planeta Rojo.

Más riesgos

La tecnología que situará a InSight en suelos marcianos a través de esta maniobra no es nueva. Se trata de un sistema menos pesado que los airbags usados con los rover Spirit y Opportunity o la grúa voladora del Curiosity. Se ha partido de lo utilizado en la misión Phoenix Mars Lander y, como ya les dije más arriba, presenta algunas diferencias debido a que InSight asume más riesgos, a saber:

• Más velocidad de entrada atmosférica: InSight lo hará a 6,3 Km/s frente a los 5,6 Km/s de Phoenix.
• Más masa: serán 608 Kg los que entren en la atmósfera frente a los 573 Kg de Phoenix.
• Mayor altura del lugar de aterrizaje: InSight aterrizará en un lugar que está 1,5 Km más alto que Phoenix, por lo que tendrá menos altura para desacelerar.
• Más tormentas de polvo: InSight aterrizará durante el otoño marciano, una época donde las tormentas de polvo pueden llegar a ser globales en base a lo observado en años anteriores.

Más mejoras

Debido a estos mayores riesgos el escudo térmico es más grueso para proteger la sonda frente a un posible descenso sobre una tormenta de polvo. Entrando a más de 6 Km/s, los granos de polvo se convierten en proyectiles. Hay que estar preparados para ello. También se han revisado las líneas del paracaídas. Soportan una mayor tensión que en el caso de la Phoenix ya que el paracaídas se abrirá a una mayor velocidad para hacer frente a esa menor distancia de desaceleración.

Secuencia EDL

Sabiendo todo esto, la secuencia de la maniobra EDL se desarrollara de la siguiente manera:

1. Tras entrar en la atmósfera marciana, la nave espacial realiza un guiado controlado por pequeños cohetes.
2. Se despliega el paracaídas al tiempo que se desprende del escudo térmico. InSight activa la orden de extender sus tres patas amortiguadoras.
3. El módulo de descenso se separa de la carcasa superior y del paracaídas. Es entonces cuando 12 retrocohetes se activan. La nave se ralentiza hasta el mismo momento del aterrizaje. Es entonces cuando la sonda se posa suavemente sobre sus patas de una manera controlada.

Operaciones en superficie

La duración de la mision está estimada en 708 soles, es decir, un año marciano o 728 días terrestres. Unos 16 minutos tras el aterrizaje el polvo levantado ya se habrá asentado. Será entonces cuando se desplieguen los dos grandes paneles solares de la sonda. Ese día también se verificará el estado del módulo de aterrizaje, se tomará una imagen de gran angular del horizonte Sur y la sonda entrará en hibernación durante la primera noche marciana.

Pasadas diez semanas, InSight ya tendrá colocados sus instrumentos sobre la superficie. La sonda de calor se desplegará y alcanzará la profundidad máxima en siete semanas. A partir de entonces, InSight estará totalmente operativa.

Ya poco queda por hacer hasta el momento del lanzamiento. Tan solo cruzar los dedos y esperar que todo suceda tal y como está previsto. Desde astrométrico les informaré de todo.

Referencias

• Blau, P. (2011). «Atlas V-401». Spaceflight 101 (Ver).
• NASA (2018). «Key Facts About NASA’s InSight Lander». Mars NASA (Ver).
• NASA (2018). «Mission Timeline Summary». Mars NASA (Ver).
• Pérez-Verde, A. (2016). » Cinco formas de aterrizar en Marte». TecnoXplora (Ver).
• Pérez-Verde, A. (2018). «InSight: la NASA medirá terremotos en Marte con ayuda española». TecnoXpolora (Ver).