Lander lunar (nave espacial) - Lunar Lander (spacecraft)
 Representación del módulo de aterrizaje lunar en la superficie de la Luna
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| Tipo de misión | Demostración tecnológica, Exploración |
|---|---|
| Operador | ESA |
| Duración de la misión | Transferencia: ~ 2-4 meses Operaciones en superficie: varios meses (propuesto) |
| Propiedades de la nave espacial | |
| Fabricante | Astrium |
| Masa de lanzamiento | ~ 2000 kg (4400 libras) |
| Secado masivo | 750 kg (1650 libras) |
| Dimensiones | altura: 3,44 m (11,3 pies) diámetro: 5,6 m (18 pies) |
| Inicio de la misión | |
| Fecha de lanzamiento | 2018 (propuesto) |
| Cohete | Soyuz 2.1b |
| Sitio de lanzamiento | Centro Espacial de Guayana - ELS |
| Módulo de aterrizaje lunar | |
| Fecha de aterrizaje | 2018 (propuesto) |
| Lugar de aterrizaje | Polo sur lunar |
El Lunar Lander era una misión robótica destinada a enviar un vehículo de aterrizaje a la Luna , dirigida por la Dirección de Operaciones y Vuelos Espaciales Humanos de la ESA . El objetivo principal de la misión Lunar Lander era demostrar la capacidad de Europa para entregar carga útil de forma segura y precisa a la superficie de la Luna. Más específicamente, la misión habría demostrado las tecnologías necesarias para lograr un aterrizaje suave y preciso al tiempo que evitaba de forma autónoma los peligros en la superficie que pueden poner en peligro el aterrizaje y la seguridad de la misión en la superficie. Estas tecnologías serán un activo para futuras misiones de exploración humana y robótica. Sin embargo, el proyecto quedó en suspenso en el Consejo Ministerial de la ESA de 2012.
Escenario de misión
Lanzamiento y transferencia
Lander desde Center Spatial Guyanais, Kourou a fines de 2018 en un lanzador Soyuz, el Lander se inyecta en una Órbita Altamente Elíptica (HEO) por una etapa superior Fregat-MT, a través de una serie de órbitas intermedias. Tras la separación de Fregat, el módulo de aterrizaje utiliza su propia propulsión para entrar en la Órbita de Transferencia Lunar final y, después de un tiempo de transferencia total de varias semanas, se inyecta en una órbita polar alrededor de la Luna. Después de una serie de maniobras de descenso de Apolune y Perilune , el Lander alcanza su órbita lunar baja (LLO) final a 100 km de altitud.
Órbita lunar baja
Una vez en la órbita lunar baja, el Lunar Lander se prepara para la fase final de la misión esperando la constelación correcta de la órbita, la geometría de la Tierra y el Sol y realizando las operaciones de verificación y calibración de los sistemas críticos para el aterrizaje. Se espera que el tiempo que el Lander pase en LLO antes del inicio de las operaciones de aterrizaje dure desde varias semanas hasta un máximo de 3 meses.
Descenso y aterrizaje
La fase de descenso y aterrizaje de la misión comienza cuando el Lander realiza una quemadura de órbita cerca del polo norte lunar. Esta quemadura reduce la periluna de la órbita a unos 15 km, unos 500 km por delante del polo sur lunar, media órbita más tarde. Durante el período de navegación a vela, se utiliza el reconocimiento visual automático de puntos de referencia en la superficie lunar para determinar la ubicación precisa del módulo de aterrizaje y garantizar la posición correcta al comienzo del descenso final. Dirigiéndose hacia el polo sur, el módulo de aterrizaje entra en la fase final de descenso motorizado. Usando su grupo de propulsores, el módulo de aterrizaje desacelera y desciende. Durante esta fase, se debe aplicar un empuje variable a medida que el módulo de aterrizaje se acerca a su lugar de aterrizaje. Los niveles de empuje más finos se logran utilizando los motores ATV en modulación de pulso, como se muestra en este video de las pruebas de encendido en caliente en YouTube . A una altitud de pocos kilómetros, el sistema de detección y evitación de peligros (HDA) puede ver el lugar de aterrizaje principal y evaluarlo. Si el sitio principal se considera inseguro debido a la presencia de peligros en la superficie (como pendientes pronunciadas, cráteres, rocas, sombras, etc.), la HDA tiene la oportunidad de ordenar cambios de objetivo a un sitio de aterrizaje secundario. Cuando se encuentra un lugar de aterrizaje seguro, el módulo de aterrizaje realiza un toque suave con sus patas.
Operaciones de superficie
Una vez aterrizado en la superficie, el módulo de aterrizaje lleva a cabo operaciones críticas como el despliegue de su antena y el mástil de la cámara, y transmite el paquete completo de datos relacionados con la secuencia de descenso y aterrizaje a la Tierra. El módulo de aterrizaje se basa en la línea directa de comunicación visual con la Tierra, ya que no se planea ningún satélite de retransmisión para la misión. Esta configuración implica períodos en los que no es posible la comunicación con la Tierra debido a que la Tierra se mueve fuera del campo de visión del módulo de aterrizaje. De manera similar al Sol , la Tierra estará por debajo del horizonte siguiendo un ciclo mensual debido al eje de rotación inclinado de la Luna con respecto a su plano orbital.
Luego se inician las operaciones nominales en la superficie, que incluyen el despliegue de cargas útiles específicas en la superficie lunar a través de un brazo robótico, la activación de otras cargas útiles de monitoreo estático a bordo del módulo de aterrizaje y, en última instancia, la adquisición de muestras de superficie utilizando el brazo robótico para su análisis con instrumentos en el módulo de aterrizaje.
Lugar de aterrizaje
La región del polo sur de la Luna ha sido identificada como un destino importante para futuras misiones de exploración debido a las condiciones únicas de la superficie que se encuentran en ciertos sitios en términos de iluminación solar, la proximidad de lugares científicamente interesantes como cráteres en sombra permanente y la posible existencia de recursos que podrían utilizarse. Estos factores se combinan para hacer de esta región un fuerte candidato para la exploración humana futura y potencialmente incluso una presencia a largo plazo en forma de base lunar. Las misiones orbitales recientes han proporcionado pruebas sólidas que sugieren el potencial de la región del polo sur como un importante destino de exploración.
Los períodos prolongados de iluminación solar continua son exclusivos de las regiones polares de la Luna y permiten que el módulo de aterrizaje funcione con energía solar. Sin embargo, se espera que los lugares con iluminación favorable tengan un tamaño limitado (unos pocos cientos de metros de ancho) y pueden presentar parches de terreno peligroso con pendientes pronunciadas, rocas, cráteres o sombra extendida. Estas condiciones de la superficie requieren el empleo de tecnología dedicada de aterrizaje autónomo, seguro y de precisión.
Sistema
Configuración
El cuerpo principal del Lander es cilíndrico, con cuatro patas de aterrizaje que se extienden desde los lados. La circunferencia del cuerpo principal está cubierta con células solares. La parte inferior está dominada por las boquillas de los propulsores principales, mientras que la parte superior ofrece espacio para sensores y carga útil.
El módulo de aterrizaje empleará un brazo robótico para recuperar muestras de suelo para su análisis a bordo.
Aterrizaje de precisión y detección y evitación de peligros
Se ha descubierto que los sitios de aterrizaje polares que ofrecen largos períodos de iluminación continua son limitados en extensión, según los análisis de los datos del Lunar Reconnaissance Orbiter y Kaguya . Por lo tanto, se requiere una precisión de aterrizaje de unos pocos cientos de metros para el módulo de aterrizaje lunar. En comparación con misiones de aterrizaje robóticas anteriores (por ejemplo, Surveyor), las tecnologías requeridas para la misión Lunar Lander tienen el potencial de aumentar la precisión de aterrizaje alcanzable en uno o dos órdenes de magnitud, alcanzando los rendimientos que solo logran los vehículos tripulados ( Apollo 12 LM aterrizó a sólo ~ 150 m de la sonda Surveyor 3).
También es probable que los sitios de aterrizaje potenciales en las regiones polares estén parcialmente cubiertos por sombras, y pueden presentar áreas de pendientes pronunciadas o rocas grandes. Para evitar aterrizar en terreno inseguro, se emplea un sistema autónomo de detección y evitación de peligros (HDA). El sistema está compuesto por un LIDAR y una cámara, que generan imágenes 2D y 3D de la superficie, y por la computadora de a bordo, que utiliza estas imágenes para caracterizar el paisaje debajo del módulo de aterrizaje durante el descenso final. Si el área se considera insegura, el sistema ordena una reorientación a un área de aterrizaje segura, compatible con el propulsor que queda.
Poder
Las misiones de exploración planetaria a menudo han recurrido a dispositivos de radioisótopos, ya sean RHU o RTG, para respaldar el control térmico y la generación de energía en lo que a menudo son entornos de temperaturas extremas y de escasez de energía. Sin embargo, para Europa, donde estas tecnologías no están disponibles actualmente, el empleo de estos dispositivos tiene importantes impactos técnicos y programáticos. Si bien las actividades de investigación del desarrollo de RHU y, en última instancia, de RTG, se están llevando a cabo en Europa, no se espera que los dispositivos europeos estén disponibles en el período de 2018 de la misión Lunar Lander.
En cambio, el Lunar Lander funciona con paneles solares que se envuelven alrededor del tubo del cuerpo. Una vez aterrizado, el eje de simetría del vehículo será casi perpendicular a la dirección del Sol, asegurando una buena iluminación continua de las células solares mientras el módulo de aterrizaje gira con respecto al Sol (debido a la rotación de la Luna).
Las baterías se utilizan para salvar períodos cortos sin energía solar. La energía solar no está disponible en LLO cuando el módulo de aterrizaje entra en eclipse lunar y en el suelo, cuando los picos de las montañas en el horizonte cubren el Sol. Las operaciones de aterrizaje también se llevarán a cabo basándose únicamente en la energía de la batería.
Propulsión
La nave espacial emplea tres tipos de motores:
- Seis propulsores ATV 220N funcionaron en modo pulsado para entregar un impulso variable a lo largo del descenso, ya que el motor en sí tiene un nivel de empuje fijo, a diferencia del sistema de propulsión de descenso utilizado en Apollo, por ejemplo.
- Cinco motores europeos Apogee de 500N.
- Dieciséis pequeños propulsores de control de actitud
Se necesitarán todos los motores de 500 y 220 N para entregar el empuje suficiente para desacelerar el módulo de aterrizaje desde una velocidad orbital lunar baja para un descenso final controlado.
El vehículo utiliza medios de navegación tradicionales durante su trayectoria de transferencia a la Luna. Esto incluye el empleo de una IMU (unidad combinada de acelerómetro y giroscopio ), rastreadores de estrellas y sensores solares . Además, las mediciones de alcance y Doppler desde la Tierra ayudarán a determinar la posición y la velocidad de la nave espacial, respectivamente.
En LLO y durante el descenso, se deben considerar otros medios de navegación. Las primeras fases del estudio identificaron la necesidad de utilizar la navegación absoluta basada en la visión a gran altitud, junto con la navegación visual relativa. Estas técnicas avanzadas permiten una mejora de las prestaciones de navegación, en comparación con las técnicas tradicionales, como la navegación inercial y la determinación de la órbita terrestre. Además, para garantizar un aterrizaje suave y alcanzar el inicio de la fase de aproximación dentro de un corredor estrecho, se requiere una estimación de altitud de largo alcance a bordo, que estará disponible mediante una combinación de navegación visual y mediciones de altímetro.
Ciencias
Los objetivos científicos de Lunar Lander se han establecido en un marco de preparación para la exploración humana. Estos incluyen la investigación detallada de parámetros de superficie de gran importancia para futuras operaciones en la superficie, ya sean humanas y / o robóticas.
Se ha identificado una carga útil modelo que aborda los siguientes temas específicos:
- Propiedades microscópicas del polvo, incluida la distribución de forma y tamaño, y su composición.
- ambiente de campo eléctrico y plasma en la superficie lunar, y el comportamiento del polvo dentro de ese ambiente
- viabilidad de realizar mediciones de radioastronomía desde la superficie lunar
- contenido volátil potencial de regolito (por ejemplo, OH)
- paquete de cámara para datos visuales del entorno del polo sur
Todas las cargas útiles se alojan estáticamente en el cuerpo del módulo de aterrizaje, se mantienen a distancia del módulo de aterrizaje mediante brazos dedicados o se despliegan muy cerca del módulo de aterrizaje (1–2 m) mediante un brazo robótico. Las cargas útiles que analizan muestras de primer plano de regolito recibirán pequeñas cantidades de material recolectado de la vecindad del módulo de aterrizaje por un dispositivo de adquisición en el extremo del brazo robótico.
Estado de la misión
En agosto de 2010, Astrium fue seleccionada como contratista principal para la fase B1 del módulo de aterrizaje lunar, que incluye actividades de tablero en el área de propulsión y navegación. La fase B1 sigue a tres estudios de viabilidad realizados en paralelo por EADS Astrium , OHB y Thales Alenia Space , que concluyeron en 2010.
En el Consejo Ministerial de la ESA en noviembre de 2012, no se asignaron más fondos para el proyecto Lunar Lander. Alemania, que es el principal contribuyente, no pudo encontrar suficiente apoyo financiero para el programa por parte de otros estados miembros. La delegación alemana en el consejo estuvo encabezada por Peter Hintze, quien declaró que Alemania estaba dispuesta a contribuir con el 45% del costo total de la misión, pero no pudo asegurar el respaldo financiero para el 55% restante de otros estados miembros.