Página Espacial. ** Un vistazo a la sonda Phobos-Grunt **

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Un vistazo a la sonda Phobos-Grunt
Redacción

A fines de agosto de 2007, se celebró en el “Instituto de Pruebas en Vuelo Gromov”, (Zhukovski, cerca de Moscú), la octava edición del Salón Aeroespacial Internacional MAKS-2007. La cita es cada dos años, y es una oportunidad única para conocer y evaluar el estado de la vasta industria aeroespacial rusa.

ejos de la frenética actividad en pista, los que exploraban los pabellones de la feria en busca de novedades no se vieron defraudados: en el stand de NPO Lavochkin pudo apreciarse por primera vez una maqueta a escala real de la sonda
Phobos-Grunt¹. El modelo mostraba la configuración final del artefacto, aunque por razones de espacio fue exhibido sin los paneles solares y otros dispositivos. El proyecto parece bien encaminado ya que luego de permanecer por años en la oscuridad, sólo como un proyecto a ser realizado en el futuro, en el 2005 la Agencia Espacial Federal Roskosmos lo incluyó al fin en su Programa Espacial Federal para el período 2006-2015², garantizando así la disponibilidad de fondos. Esto parece confirmarse a juzgar por la calidad y grado de detalle de la maqueta mostrada por NPO Lavochkin en MAKS-2007, que se veía prácticamente como un modelo final. Oficialmente se insiste en que la sonda será lanzada hacia Marte y su luna Phobos en octubre de 2009 a bordo de un vector Soyuz-2 1b/Fregat. Si esto ocurre, marcará el retorno de la Rusia post-soviética a la exploración planetaria, luego de intentar hacerlo en octubre de 1996 con la Mars-96, que después del lanzamiento se precipitó a la atmósfera terrestre, seguramente debido a una mala preparación fruto de la penosa situación económica que afectaba a Rusia por aquellos años.

Como es sabido la meta de Phobos-Grunt es intentar descender sobre la luna marciana Phobos para recolectar muestras de su superficie y enviarlas a la Tierra. El principal contratista para la construcción de la sonda es el legendario bureau NPO Lavochkin, mientras que el aspecto científico de la misión está a cargo del Instituto de Investigaciones Espaciales (IKI, por sus siglas en ruso). También participan el Instituto Vernadsky de Geoquímica y Química Analítica, y el también famoso Instituto Keldysh de Matemática Aplicada (KIAM, por sus siglas en inglés), que tal como lo viene haciendo desde el primer Sputnik, a través de su División Balística es el responsable del estudio y cálculo de trayectorias. Por su parte el Centro Pilyugin (con la colaboración del KIAM) desarrolla el sistema de control de navegación de la sonda.

El proyecto Phobos-Grunt fue concebido alrededor de 1999, y se evaluaron dos versiones para la nave interplanetaria, con y sin propulsión eléctrica. La versión con propulsión eléctrica empleaba motores del tipo SPT-140³ desarrollados por OKB Fakel, líder mundial en el desarrollo de motores eléctricos. Recordemos que en este tipo de motores no es la presión de salida de un gas o la combustión de un combustible químico (hidracina, querosén, etc.) lo que produce el empuje, sino la fuerte repulsión de iones de un gas (típicamente Xenón) dentro de campos magnéticos. Se sabe que el plasma⁴, puede ser desviado en una dirección determinada por campos magnéticos debido a la fuerte repulsión electrostática con la consecuente aparición de una fuerza resultante. El empuje de estos motores es extremadamente bajo, lo cual implica que tienen que estar en funcionamiento por largos períodos de tiempo (días o semanas) para que sean efectivos. Pero tienen una ventaja: su Impulso específico⁵ o Isp excede con mucho al de los motores que emplean propergoles líquidos (el SPT-140 tiene un Isp de 2000 s y un empuje de 250-300 mN), por lo que se pueden planificar misiones más económicas al reducir el peso de las naves. Como desventaja se puede citar el hecho de que en estos motores el vector de empuje tiende a variar ligeramente en el tiempo; como consecuencia, no se puede emplear un sistema de control de navegación clásico, sino que se tiene que desarrollar un sistema de control continuo, lo cual es todo un desafío para los equipos de desarrollo. La documentación presentada por NPO Lavochkin en MAKS-2007 en absoluto hace mención de estos motores, por lo que se piensa que Phobos-Grunt finalmente no los empleará.

Las características generales de la misión pueden ser resumidas en la siguiente tabla:

Vector de lanzamiento	Soyuz-2 1b
Lugar de lanzamiento	Cosmódromo de Baikonur
Fecha de lanzamiento	Octubre de 2009
Ventana de lanzamiento	2 semanas
Duración del viaje a Marte	~ 11 meses
Llegada a Marte	Agosto-Septiembre de 2010
Descenso en Phobos	Abril de 2011
Despegue desde Phobos de la Etapa de Retorno	Agosto de 2011
Duración del viaje a la Tierra	~ 11 meses
Fecha de llegada a la Tierra	Junio-Julio de 2012
Duración total de la misión	~ 3 años
Peso de la nave al lanzamiento	8.120 kg
Peso de la Etapa de Crucero (Lander)	1.480 kg
Peso de la Etapa de Retorno	210-215 kg
Peso del Módulo de Descenso (Cápsula con las muestras)	8 kg
Peso del equipo científico (paquete PhSRM)	50 kg
Peso de las muestras de Phobos	0,2 kg
Estaciones y centros de control terrestre	Estaciones Medvezhiy Ozera y Ussuriysk, Centro de Control de la Misión en NPO Lavochkin, División Balística del KIAM, IKI.

Aunque en realidad deban ajustarse algunos pesos. Como es sabido desde hace algún tiempo China ha manifestado su interés en participar de esta misión, aportando algunos equipos científicos y principalmente una pequeña sonda llamada YingHuo-1 (YH-1), que sería puesta en una órbita marciana altamente elíptica (800x80.000 km) por la Phobos-Grunt.

Habiendo firmado los gobiernos ruso y chino un convenio al respecto en marzo del 2007, todo depende de que los chinos puedan terminar a tiempo con la puesta a punto de la YingHuo-1. Esta pequeña sonda tendrá un peso de unos 110 kg y unas dimensiones de 750x750x600 milímetros; además estará equipada con paneles solares y diversos instrumentos científicos⁶.

Objetivos científicos de la misión

Estudio de las propiedades físicas y químicas del suelo (regolito⁷) de Phobos 'in situ' y en laboratorio. Estos datos pueden proporcionar información sobre las propiedades de la materia primordial del Sistema Solar.

Estudio de la importancia de los impactos de cuerpos celestes en la formación de planetas terrestres, en la evolución de sus atmósferas y cortezas.

Estudio de los orígenes de los satélites de Marte (Phobos y Deimos).

Estudio de los movimientos de Phobos, lo cual servirá para entender su origen e inferir su estructura interna.

Estudios de las cercanías de Marte, incluyendo los componentes de plasma y polvo, y el entorno de radiación. Estos estudios son importantes para comprender la formación de regolito en pequeños cuerpos celestes, y pueden ayudar a la creación de un modelo del entorno marciano útil para futuras misiones a ese planeta.

Monitoreo de la dinámica atmosférica marciana y de los cambios estacionales.

Características generales de la sonda Phobos-Grunt

La disponibilidad de nueva tecnología que facilita la construcción de elementos con un grado de miniaturización sorprendente, ha conducido al desarrollo de una nave interplanetaria mucho más liviana y pequeña, y por lo tanto sustancialmente más económica que las de la época soviética. Estas características de peso y tamaño hacen de que, por primera vez en la historia de la exploración planetaria soviética-rusa, se pueda emplear como vector de lanzamiento al venerable Soyuz, en lugar del enorme y oneroso Protón.

Con un peso total al momento del despegue de más de 8.000 kg, la sonda está caracterizada por un diseño modular y su apariencia para nada hace recordar a las de antaño; aunque, obviamente, hereda toda la experiencia rusa ganada en décadas de diseño espacial. Sus elementos constitutivos son:

Etapa de Escape o Etapa Superior Fregat. Esta etapa es producida también por NPO Lavochkin, y es la encargada de impartirle a Phobos-Grunt la velocidad de escape. En misiones interplanetarias, Fregat fue exitosamente empleada por la Mars Express y la Venus Express, ambas de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Etapa de Crucero/Lander. Peso: 1.480 kg aproximadamente. Su misión es la de transportar hasta la superficie de Phobos a la Etapa de Retorno y su Cápsula de Descenso. Esta etapa es en esencia una nueva plataforma espacial de sección octogonal que contiene al sistema principal de propulsión (motores y tanques de propergoles), a la cual se le ha añadido todos los elementos necesarios para transformarla en una nave interplanetaria/lander. Esta unificación de las funciones de booster y nave interplanetaria/lander permitió incrementar el peso del conjunto (al momento del despegue) en aproximadamente 300 kg. La nueva plataforma puede ser aplicada en otros proyectos espaciales.

La electrónica a bordo de la Etapa de Crucero/Lander le asegura un importante grado de automatismo, que, dada la distancia Tierra-Marte, es vital para ejecutar la mayoría de las maniobras sin intervención humana; por ejemplo, la sonda está preparada para seleccionar en forma autónoma el punto de descenso en Phobos, y proceder con la delicada maniobra final de descenso en forma automática.

Se ha previsto hacer descender al lander en algún punto de la región ecuatorial de Phobos, constantemente mirando a Marte. Luego del despegue de la Etapa de Retorno desde Phobos, el lander continuará operando teóricamente en forma indefinida, estudiando al mismo y monitoreando a Marte. Su fuente de energía proviene de paneles solares desarrollados por OAO Saturn (Krasnodar).

Etapa de Retorno. Su función es transportar desde Phobos hasta las cercanías de la Tierra a la Cápsula de Descenso. Es una etapa independiente de la Etapa de Crucero; de hecho es una nave interplanetaria en miniatura, con todo lo que esto implica: motores principales y de orientación, sistema de control, sistema de comunicaciones, paneles solares, etc.. Todo, todo, empaquetado en una estructura de... ¡210 kg de peso!

Módulo o Cápsula de Descenso. Esta cápsula de 8 kg de peso está montada en la parte superior de la Etapa de Retorno y en su interior se guardarán las muestras del suelo de Phobos (unos 200 g de material). Ingresará a la atmósfera terrestre directamente desde la trayectoria interplanetaria, previamente de haber sido liberada por la Etapa de Retorno. No utilizará sistema de frenado alguno, sino que como si fuera un meteorito, impactará en determinado lugar de Kazajstán. Como curiosidad hay que hacer notar que su forma recuerda a la que tiene el módulo de descenso de la nave Soyuz.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Modelo virtual 3D de la sonda
(a) Principales elementos de la Phobos-Grunt.
(b) Vista desde arriba, sin la Etapa de Retorno.
(c) Vista lateral, sin la Etapa de Retorno. Obsérvese el sistema para la recolección de muestras.
(d) Vista desde abajo. En la parte inferior de la sonda van instalados los motores principales, los cuales tras la separación de la Etapa de Escape (Fregat), son accionados por primera vez para insertar a la sonda en una trayectoria interplanetaria Tierra-Marte.
También en la parte inferior van instalados diversos dispositivos empleados en la fase de descenso final en Phobos: un radar, un sistema láser para medir distancias,
y un sistema de cámaras.
(e) Instalación del conjunto Phobos-Grunt/Fregat en el compartimiento de cargas
del vector Soyuz-2 1b.
(Todas las imágenes de NPO Lavochkin)

Carga Científica de la sonda Phobos-Grunt (PhSRM)

El siguiente es un listado del equipo científico a bordo de esta sonda, actualizado a diciembre de 2007:

Instrumentos para la investigación del regolito y la estructura interna de Phobos

Paquete 'Cromatografía'	Estudio de volátiles.
Analizador de Termo-Diferencias Cromatógrafo de Gases Espectrómetro de Masas
Espectrómetro Mossbauer	Análisis mineralógico cuantitativo de materiales ricos en hierro (Fe). Este instrumento es una versión mejorada del MIMOS II (Miniaturized Mossbauer Spectrometer) instalado en los rovers Opportunity & Spirit de la NASA.
Espectrómetro de Neutrones	Radiación de neutrones del regolito. Instrumento llamado NS HEND, basado en el instrumento HEND instalado en la sonda Mars Odyssey (NASA), que fue lanzada en 2001.
Espectrómetro de Rayos Gamma	Estudios de la composición elemental del regolito. Este instrumento forma parte del NS HEND.
Espectrómetro Infrarrojo (IR)	Estudios de mineralogía.
Espectrómetro Láser por tiempo de vuelo	Estudios de la composición elemental del regolito.
Espectrómetro de Masas de Iones Secundarios	Estudios de la composición elemental del regolito.
Radar de ondas largas	Estructura interna de Phobos; características eléctricas del regolito.
Sismómetro	Estructura interna de Phobos; estudios de gravimetría.
Sonda térmica	Características térmicas del regolito
Manipulador con instrumentos	Brazo robot instrumentado (micro-cámara, espectrómetros).
Sistema para la recolección de muestras	Este sistema perfora la superficie y toma una muestra del suelo, manteniendo intacta la estratificación de la misma.

Instrumentos ópticos

Sistema de cámaras	Empleado en el descenso; mapeo de la superficie de Phobos.
Cámara panorámica	Captura de imágenes panorámicas de Phobos
Espectrómetro de Fourier	Monitoreo de los componentes menores de la atmósfera marciana.

Instrumentos para el estudio del entorno de Marte y experimentos de mecánica celeste

Detector de micro-meteoritos	Monitoreo de micro-meteoritos.
Detector de partículas de polvo	Estudio del polvo en el entorno de Marte, y el hallado por Phobos en su recorrido orbital.
Paquete 'Plasma'	Estudio del plasma.
Espectrómetro de iones Espectrómetro de electrones Magnetómetro
Sensores solar y estelar	Estudio de la libración de Phobos.
Oscilador ultra-estable	Experimento de mecánica celeste.

russian Russia mission Mars spacecraft planetary Fobos

¹ Grunt significa en ruso 'suelo', es decir que una traducción al español de Phobos-Grunt podría ser 'Suelo de Phobos'. Los rusos prefieren denominarla en inglés como 'Phobos Sample Return Mission'.
² El 22 de octubre de 2005, el gobierno ruso firmó el decreto #635, aprobando el Programa Espacial Federal para el período 2006-2015.
³ SPT son las siglas en inglés de 'Stationary Plasma Thrusters', es decir, 'Impulsores de Plasma Estacionario'.
⁴ Gas altamente ionizado compuesto por partículas positivas y negativas.
⁵ El concepto de Impulso especifico o 'Isp' se puede explicar como el tiempo durante el cual una unidad de peso de propergol (total de combustible y comburente) genera una unidad de empuje.
⁶ Algunas fuentes mencionan siete instrumentos; algunos de éstos son: magnetómetro de núcleo saturado, dispositivo detector de plasma, receptor para los experimentos de ocultación, cámara óptica de resolución media.
⁷ Algunos cuerpos celestes (como la Luna o asteroides) están cubiertos con un sedimento fino de polvo llamado 'regolito', creado por el incesante bombardeo de meteoritos, micro-meteoritos, rayos cósmicos, partículas de viento solar y diversos agentes erosivos (agua o viento si están presentes) que descomponen las rocas durante miles de millones de años. El regolito se puede acumular en forma estratificada.

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