El aterrizaje de Perseverance, paso a paso

¿Recordáis? El 30 de julio de 2020, el rover Perseverance y el helicóptero Ingenuity de la misión Mars 2020 pusieron rumbo a Marte. Hubo algún contratiempo… Inicialmente estaba previsto que el lanzamiento tuviese lugar el día 20 y una alerta hizo que se retrasase hasta el día 22. Ese día también hubo un ligero obstáculo y, finalmente, a la tercera fue la vencida: el citado día 30 inició su viaje al planeta rojo. La cuenta atrás llegó a cero y a las 13:50 (todas las horas en horario peninsular español) el Atlas V 541 despegó hacia su destino. Ahora es el turno del aterrizaje, algo que sucederá a las 21:55:04 (*) del 18 de febrero. El cráter Jezero ya está esperando la llegada de sus nuevos inquilinos.

Antes de hablar de la maniobra de aterrizaje, me gustaría hacer un brevísimo resumen de los 471 millones de Km de viaje de la misión desde que salió de la Tierra hasta que tenga lugar la entrada atmosférica marciana. El resumen del tramo final será el grueso de este texto y se sitúa a partir del apartado «EDL: Entrada, Descenso y Aterrizaje de Perseverance en Marte».

(*) NOTA: La precisión puede variar dependiendo de la ejecución de los procesos autónomos (apertura de paracaídas y elección/orientación del lugar de aterrizaje exacto).

Hitos del viaje de Perseverance

Los hitos del viaje de Perseverance se pueden dividir en dos partes, las cuales se describirán a continuación:

• Maniobras controladas de trayectoria (TCMs).
• Etapas del viaje.

Maniobras controladas de trayectoria (TCMs)

Existen un total de 7 maniobras controladas de trayectoria que se realizarán a lo largo del viaje, concentrándose cuatro de ellas en los últimos 10 días de vuelo:

• 14-ago-2020 (TCM-1). Cambio de trayectoria tras el lanzamiento para reorientar la cápsula directamente hacia Marte y evitar así que la etapa Centauro llegue también al planeta rojo.
• 30-Oct-2020 (TCM-2). Leve cambio de trayectoria para corregir la orientación de la cápsula.
• 18-Dic-2020 (TCM-3). Reajuste para asegurar que la sonda llega a la atmósfera marciana en el momento y lugar adecuados.
• 10-Feb-2021 (TCM-4). Ajustes finos en la trayectoria.
• 16-Feb-2021 (TCM-5). Ajustes finos en la trayectoria.
• 17-Feb-2021 (TCM-5X). Copia de seguridad del estado de la misión.
• 18-Feb-2021 (TCM-6). Nueve horas antes del aterrizaje, si fuera necesario, se realiza un ajuste de trayectoria o inclinación para modificar parámetros sobre el momento y lugar de entrada atmosférica.

Etapas del viaje

• Despegue: 30 de julio a las 13:50.
• Crucero: Comienza cuando han transcurrido 0:57:42 desde el lanzamiento. En ese momento la etapa Centauro del Atlas V 541 le da el empujón definitivo. La órbita de transferencia marciana ya está asegurada.
• Aproximación: Se inicia el 4 de enero de 2021, a falta de 45 días para el aterrizaje. En los últimos momentos de esta etapa es cuando los ingenieros envían los comandos a ejecutar en la EDL (Entry, Descent and Landing).
• EDL: Se separa el módulo crucero y la cápsula ya depende de sí misma.

A continuación se darán muchos más detalles de esta fase EDL que, en definitiva, es la que más nos interesa.

EDL: Entrada, Descenso y Aterrizaje de Perseverance en Marte

La maniobra EDL finaliza con el aterrizaje de Perseverance en Marte. Es una secuencia de maniobras independientes y me gustaría que se apreciase como un conjunto de hitos. Es una especie de baile donde cada maniobra debe desarrollarse sin errores para que la siguiente comience sin problemas.

La EDL sucede a lo largo de 0:16:49 (*). De ellos, los últimos 0:06:49 (*) se les conoce popularmente como los «siete minutos de terror». En la siguiente imagen se puede ver un breve esquema del proceso de aterrizaje:

A continuación, me gustaría hacer una descripción de todos los procesos de la EDL y por último, un pequeño esquema de la maniobra. Así que, abróchense los cinturones…

(*) NOTA: La precisión puede variar dependiendo de la ejecución de los procesos autónomos (apertura de paracaídas y elección/orientación del lugar de aterrizaje exacto).

Separación de la etapa crucero (T -1009 segundos)

La fase EDL comienza cuando faltan 0:16:49 para el aterrizaje. Se inicia cuando la cápsula que alberga a Perseverance y al helicóptero Ingenuity se separa de la etapa crucero. La velocidad en ese momento es de unos 17 000 Km/h y se encuentra a unos 1 600 Km de la superficie.

El proceso de aterrizaje se hará mediante una nueva técnica denominada «Guided Entry», la cual proporcionará la precisión necesaria en la maniobra para que Perseverance aterrice dentro de la elipse prevista dentro del cráter Jezero, mucho más reducida que la de sus predecesores gracias a este avance.

Fin de la rotación (T -928 segundos)

Quedan 0:15:28 para el aterrizaje. Un sistema de propulsión instalado en la cápsula elimina la rotación que la ha acompañado desde la fase de crucero. Esta rotación tenía el objetivo de evitar el calentamiento solar de una sola zona de la cápsula. Gracias a ello, el calor del Sol se ha repartido de forma homogénea.

Tras esto, la cápsula eyecta dos CMBDs (Cruise Mass Balance Devices) o dispositivos de balance de masa en crucero, de 77 Kg cada una. De esta forma se cambia el punto de equilibrio y la cápsula adquiere la orientación precisa para entrar en la atmósfera con seguridad. Una inclinación errónea resultaría fatal porque, a pesar de que la atmósfera de Marte es muy tenue, a esas velocidades la fricción puede destruir la cápsula y su interior.

Entrada atmosférica (T -369 segundos)

Quedan 0:06:49 para completar el aterrizaje de Perseverance. La cápsula se encuentra a unos 131 Km de altura y su velocidad es de unos 19 200 Km/h. Aquí comienzan los ya famosos «Siete minutos de terror». La fricción atmosférica va reduciendo la velocidad de la cápsula y la desaceleración es considerable, pero esto tiene un precio…

El precio que hay que pagar es la temperatura que se alcanza en este proceso. Cuando transcurran 75 segundos tras la entrada atmosférica la temperatura es máxima, de unos 1 300º C. El escudo térmico debe proteger el interior de la cápsula en todo momento.

El momento de mayor desaceleración no coincide con el momento de mayor temperatura. Tiene lugar cuando pasan 10 segundos desde que se alcanzaron esos 1 500º C. Además, en estos momentos unos retrocohetes de guiado mantienen la cápsula en la orientación adecuada para asegurar la trayectoria correcta.

Con la trayectoria asegurada y la cápsula en la dirección correcta, tiene lugar el SUFR (Straighten Up and Fly Right), donde se desprenden otras seis CMBDs, esta vez de 25 Kg cada una. Ahí se obtiene una orientación adecuada para iniciar la siguiente maniobra. En ese momento quedan 0:03:03 para el aterrizaje, la cápsula está a 13,74 Km de altura y la velocidad es 1 719 Km/h.

Apertura del paracaídas (T -164 segundos)

A lo largo de la entrada atmosférica, un sistema de guiado por seguimiento de estrellas informa de la posición y velocidad de la cápsula. Los datos son interpretados por un sistema de inteligencia artificial cuya pieza clave es el «Range Trigger», que resultará fundamental para el éxito de la maniobra EDL.

Cuando el Range Trigger interpreta que la velocidad y la altura sobre la superficie marciana son las idóneas, se activa para iniciar el despliegue del paracaídas, que es supersónico y mide 21,5 m de diámetro. Según los modelos, esto sucede aproximadamente cuando faltan unos 0:02:45 para el aterrizaje, la altura de la cápsula es de unos 11,70 Km y la velocidad de unos 1 521 Km/h.

Además, y esto también es novedad, cuando se despliegue el paracaídas tres cámaras grabarán el proceso y por primera vez podremos ver cómo se abre un paracaídas en Marte.

Desprendimiento del escudo térmico (T -145 segundos)

El paracaídas lleva apenas 20 segundos reduciendo la velocidad de la cápsula. Ha pasado de los 1 521 Km/h a los 584 Km/h. La cápsula se encuentra a unos 9,74 Km de altura. La velocidad se ha reducido lo suficiente como para activar las cargas pirotécnicas que liberen el escudo térmico. A partir de aquí, la parte baja del rover entra en contacto con la atmósfera marciana.

Cuando pasan 60 segundos desde el desprendimiento del escudo térmico, se activan los instrumentos del TRN (Terrain-Relative Navigation) situados en la parte baja del rover. Ofrecerán datos de altura, posición e imágenes, algo fundamental para la siguiente fase de la maniobra EDL.

Cuando faltan 0:01:25 para el aterrizaje, los instrumentos del TRN comienzan a tomar datos y una inteligencia artificial los interpreta para seleccionar la ubicación óptima de aterrizaje dentro de la elipse establecida. En ese momento la altura de la cápsula es de 4,27 Km y la velocidad es de 322 Km/h.

El paracaídas sigue reduciendo la velocidad de la cápsula. Ahora se encuentra a 2 150 metros de altura sobre la superficie marciana y la velocidad de descenso es de unos 292 Km/h. Queda 0:01:00 para el aterrizaje.

Caída libre (T -61 segundos)

Descendiendo a 294 Km/h y con la cápsula situada a 2 180 m de altura sobre la superficie marciana, una especie de grúa o skycrane donde va anclado Perseverance se separa de la cápsula. ¡El rover entra en caída libre!

Llega el otro momento crítico de la maniobra EDL. Al instante de separarse, un conjunto de 4 pares de retrocohetes entran en ignición para frenar la caída. Además, los retrocohetes podrán dirigir la maniobra para llegar al lugar de aterrizaje seleccionado por la inteligencia artificial.

Descenso y aterrizaje de Perseverance (T -17 segundos)

Los retrocohetes han situado al skycrane en la vertical del lugar seleccionado. Cuando los sensores del rover detectan que la distancia a la superficie es de 27 metros, unos cables descolgarán el rover haciéndolo descender hasta la superficie mientras el skycrane también sigue descendiendo y reduciendo la velocidad. Quedan 0:00:16 para aterrizar y la velocidad es de 28 Km/h. Cuando el rover empieza a descolgarse los ejes de las ruedas del rover se desplazan a su posición de trabajo. Perseverance ya está listo para tocar el suelo marciano.

El rover desciende hasta que sus ruedas tocan el suelo de Marte. Lo hace a 2,75 Km/h. Es ahí cuando unas cargas pirotécnicas cortan los cables de descenso del skycrane. Al no tener carga volará en vacío hasta estrellarse en algún lugar de las proximidades.

Y… ¡Touch Down! Perseverance aterrizado y está listo para iniciar un proceso de chequeo y envío de señales a la Tierra.

La maniobra automática del aterrizaje de Perseverance

Como se puede apreciar, el proceso del aterrizaje de Perseverance es complejo: separación de la etapa crucero, reorientación, entrada atmosférica, paracaídas, eyección del escudo térmico, caída libre del skycrane y descenso. Sería muy «sencillo» que los ingenieros de misión pulsasen un botoncito cada vez que debiera comenzar una nueva fase del aterrizaje. Pero no.

El día del aterrizaje, Marte estará a 204,30 millones de Km de la Tierra. Esto quiere decir que las comunicaciones, a pesar de que viajan a la velocidad de la luz, tardan en llegar a la Tierra 0:11:21. Imaginen: Perseverance manda su estado, llega a la Tierra y respondemos. En total 0:22:42 más el tiempo de respuesta. Y la EDL dura 17 minutos.

Con esto quiero decir que todos los procesos de la EDL, desde la separación de la fase crucero hasta la explosión de las cargas pirotécnicas que cortan los cables y dan el aterrizaje de Perseverance por finalizado, son procesos automáticos. Estos procesos son enviados por los ingenieros de misión como muy tarde en la TCM-6 y se quedan programados para su ejecución.

Parámetros atmosféricos para optimizar el aterrizaje de Perseverance

Estos procesos se envían teniendo en cuenta los parámetros atmosféricos de Marte para no dejar nada al azar. Todos estos datos deben ser enviados pocas horas antes de que finalice la fase de aproximación y así asegurar que todos los datos son correctos.

Durante la EDL, el equipo de misión no podrá hacer otra cosa más allá de sentirse meros espectadores. Tan solo escuchar la voz de control de misión que irá repitiendo los datos que van llegando de la maniobra comenzando con la separación a las 21:38:15 aproximadamente. Imaginad la tensión y los nervios que habrá durante el seguimiento.

La EDL vista por la NASA

Imaginad que estamos en Control de Misión dentro de las instalaciones de JPL. Cuando llegue el «beep» que indique que el aterrizaje de Perseverance se ha completado con éxito, una mezcla gritos, alegría y lágrimas llenará la sala. Eso ocurrirá a las 21:55 aproximadamente. ¿Qué hará la NASA entre las 21:38 que comienza la EDL y las 21:55?

Orbitadores

El orbitador MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) de la NASA podrá seguir la maniobra EDL de Perseverance. Recibirá la telemetría en cadenas de 5 segundos cada 16 segundos. Las antenas de la DSN (Deep Space Network) de la NASA en Goldston (Estados Unidos) y Robledo de Chavela (España) estarán escuchando. Además, el MRO se pondrá en contacto con Perseverance 10 y 15 minutos después del aterrizaje para enviar datos sobre su estado tras el aterrizaje.

El orbitador MAVEN (Mars Atmosphere and Vollatile EvolutioN) también sobrevolará a Perseverance durante el aterrizaje y también recibirá los datos de telemetría. Sin embargo, MAVEN no está preparada para enviar los datos al instante, por lo que los guardará y los retransmitirá a la tierra 10 horas después del aterrizaje de Perseverance.

Perseverance

El rover Perseverance enviará tonos en banda X durante la EDL. Ello permitirá conocer los pasos por los que está pasando la maniobra. También enviará una señal portadora similar a un tono telefónico en UHF (Ultra High Frequency) que servirá como señal de vida, ya que se enviara en todo momento y permite saber si el rover está en perfecto estado. Estas señales son enviadas directamente a la Tierra. En el caso de los tonos en banda X, serán recibidos por la DNS y la señal UHF por el Green Bank Observatory en Alemania.

Además, Perseverance incorpora 19 cámaras; el interior del escudo térmico, tres; y otra en la etapa de descenso. Además, una serie de micrófonos también proporcionarán datos durante el aterrizaje de Perseverance. Podremos ver y escuchar cómo fue el descenso. Y esto es algo que nunca se ha hecho y se tendrá disponible pocos días después del aterrizaje.

¿Cómo seguir el aterrizaje de Perseverance?

La NASA emitirá en directo toda la maniobra EDL y se podrá seguir desde NASA TV (clic en la imagen):

Y también desde NASA en español (clic en la imagen):

También, la NASA ha organizado un evento gratuito en la plataforma Eventbrite para seguir el evento del aterrizaje de Perseverance en Marte y podrán registrarse aquí:

Además, haciendo clic aquí podrán encontrar todas las retransmisiones pre y post aterrizaje.

Por último, aquí podrán ver un pequeño vídeo que la NASA ha preparado y que sirve como simulación a lo que será el aterrizaje de Perseverance en Marte.

¡Y ya no me queda nada más que decirles! Agradecerles que hayan llegado hasta aquí y desearles que disfruten del aterrizaje. ¡Suerte, Perseverance!

Anexo: Para tener a mano – Aterrizaje de Perseverance

• 21:38:15 (T – 0:16:49). Separación de la etapa de crucero (v = 16 951 Km/h; h = 1 609 Km).
• 21:39:36 (T – 0:15:28). Fin de la rotación (v = 17 036 Km/h; h = 1 364 Km).
• 21:40:13 (T – 0:14:51). Eyección de cargas de balance de masa (v = 17 186 Km/h; h = 1 258 Km).
• 21:48:15 (T – 0:06:49). Entrada atmosférica (v = 19 202 Km/h; h = 131 Km).
• 21:49:10 (T – 0:05:54). Propulsores de guiado (v = 19 293 Km/h; h = 57 Km).
• 21:52:01 (T – 0:03:03). SUFR (v = 1 719 Km/h; h = 13,74 Km).
• 21:52:20 (T – 0:02:44). Despliegue del paracaídas (*) (v = 1 521 Km/h; h = 11,94 Km).
• 21:52:39 (T – 0:02:25). Desprendimiento del escudo térmico (v = 584 Km/h; h = 9,74 Km).
• 21:53:39 (T – 0:01:25). Activación del TRN (v = 322 Km/h; h = 4,27 Km).
• 21:54:03 (T – 0:01:01). Separación del skycrane (v = 294 Km/h; h = 2,18 Km).
• 21:54:47 (T – 0:00:17). Descenso del rover (v = 2,76 Km/h; h = 20 m).
• 21:54:04 (T – 0:00:00). Suelta de cables y aterrizaje de Perseverance (**).

(*) A partir de este punto el timing puede variar dependiendo de cuándo el sistema inteligente del Range Trigger despliegue el paracaídas.

(**) La hora final de aterrizaje dependerá de la apertura de paracaídas y de la redirección hacia el lugar idóneo de aterrizaje.

Referencias

• «Mars 2020 Perseverance Landing Press Kit» (Ver).
• «Mission Timeline Summary». NASA – Mars 2020 Mission: rover Perseverance (2020) (Ver).
• «Perseverance Rover Landing Ellipse in Jezero Crater». NASA – Mars Exploration Program (2021) (Ver).
• «NASA’s InSight Mars lander may ‘hear’ Perseverance rover’s landing next month». Space.com (2021) (Ver).