De un comunicado de prensa del Centro de Vuelo Espacial Goddard:
Ya casi han llegado.
Tomó un año y medio, más de 90 maniobras en órbita y, maravillosamente, muchos aumentos gravitacionales y solo el más mínimo combustible para mover dos naves espaciales desde su órbita alrededor de la Tierra a su nuevo hogar alrededor de la Luna.
A lo largo de sus viajes, las naves espaciales han pasado por órbitas nunca antes intentadas y han hecho saltos encantadores de una órbita a la siguiente. Este verano, las dos naves espaciales ARTEMIS, que comenzaron sus vidas como parte de la misión THEMIS de cinco naves que estudian la aurora de la Tierra, comenzarán a orbitar la luna. THEMIS es un acrónimo de Time History of Events e Macroscale Interaction durante Substorms spacecraft.
Incluso con las décadas de experiencia en mecánica orbital de la NASA, este viaje no fue tarea fácil. El viaje requirió varias maniobras que nunca antes se habían intentado, incluidos varios meses cuando cada nave se movió en un camino en forma de riñón a cada lado de la luna, bueno, nada más que un punto gravitacional en el espacio marcado por ningún planeta físico u objeto.
"Nadie ha probado esta órbita antes, es una órbita de libración Tierra-Luna", dice David Folta, ingeniero de dinámica de vuelo en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Es una órbita muy inestable que requiere atención diaria y ajustes constantes. . "
El viaje para ARTEMIS, abreviatura de Aceleración, reconexión, turbulencia y electrodinámica de la interacción de la Luna con el Sol, comenzó en 2009, después de que THEMIS había completado unos dos años de recopilación de datos científicos sobre el entorno magnético alrededor de la Tierra, la aurora y cómo estos son afectados por el sol.
La nave espacial funciona con energía solar, pero las órbitas de las dos naves espaciales exteriores THEMIS se habían deslizado con el tiempo y estarían sujetas a períodos regulares de oscuridad de ocho horas. Estas naves espaciales podrían soportar hasta tres horas sin luz solar, pero esta oscuridad pronto dejaría las baterías completamente descargadas.
Los equipos de UC-Berkeley y Goddard se encargaron del control diario de la nave espacial THEMIS. La investigadora principal de la misión, Vassilis Angelopoulos, de la UCLA, habló con los equipos sobre el traslado de las dos naves espaciales a la luna para estudiar el entorno magnético allí. Pero los modelos rápidos de una técnica de impulso convencional mostraron que todo el combustible restante se usaría simplemente en tránsito. No quedaría suficiente para el proceso de ajuste de dirección y velocidad, que necesita mucho combustible, para comenzar realmente a dar vueltas alrededor de la luna.
Entonces Angelopoulos elaboró un nuevo plan de cambio de órbita de varios años más complejo. El movimiento dependería principalmente de las ayudas de gravedad de la luna y la Tierra para mover la nave espacial a su lugar. Presentó su idea a dos ingenieros que habían estado involucrados en el lanzamiento de THEMIS en primer lugar: David Folta y otro ingeniero de vuelo en Goddard, Mark Woodard. La pareja usó sus propios modelos para validar este nuevo diseño, y el plan estaba en marcha.
Primer paso: aumentar el tamaño de las órbitas. Las órbitas originales centradas en la Tierra apenas llegaban a la mitad de la luna. Al usar pequeñas cantidades de combustible para ajustar la velocidad y la dirección en momentos precisos en la órbita, la nave espacial fue catapultada más y más al espacio. Se necesitaron cinco ajustes para ARTEMIS P1 y 27 para ARTEMIS P2.
Siguiente paso: salta desde la órbita de la Tierra a la difícil órbita "Lissajous" en forma de riñón, rodeando lo que se conoce como un punto lagrangiano a cada lado de la luna. Estos puntos son los lugares donde las fuerzas de gravedad entre la Tierra y la luna se equilibran entre sí: el punto en realidad no ofrece una entidad física para circular. ARTEMIS P1 dio el salto, en un hermoso arco debajo y alrededor de la luna, hacia el punto lagrangiano en el otro lado de la luna el 25 de agosto de 2010. La segunda nave dio el salto hacia el lado cercano de la luna el 22 de octubre. Esta transferencia requirió una serie compleja de maniobras que incluían asistencias de gravedad lunar, asistencias de gravedad terrestre y maniobras en el espacio profundo. La combinación de estas maniobras era necesaria no solo para llegar al lugar correcto cerca de la luna, sino también a la hora y velocidad correctas.
Utilizando una serie de ayudas de gravedad terrestre y lunar, y solo el más mínimo combustible, la nave espacial ARTEMIS entró en órbita alrededor de los puntos lagrangianos de la luna en el invierno de 2010. Crédito: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA / Estudio de visualización científica
Se hizo historia. Numerosos satélites orbitan puntos lagrangianos entre la Tierra y el Sol, pero, aunque esta órbita se había estudiado ampliamente, nunca antes se había intentado.
No solo era una hazaña de ingeniería en sí misma, sino que la nave espacial estaba ahora en un lugar ideal para estudiar el magnetismo a cierta distancia de la luna. En esta posición, pudieron detectar cómo el viento solar, compuesto de gas ionizado conocido como plasma, fluye más allá de la Luna e intenta llenar el vacío en el otro lado. Una tarea complicada ya que los campos magnéticos obligan al plasma a recorrer ciertos caminos.
"Es un verdadero zoológico de fenómenos de plasma", dice David Sibeck, gerente de proyectos de THEMIS y ARTEMIS en Goddard. "La Luna esculpe una cavidad en el viento solar, y luego podemos ver cómo se llena. Es todo menos aburrido. Hay microfísica y física de partículas y la interacción de partículas de onda y límites y capas. Todas las cosas que no hemos tenido la oportunidad de estudiar antes en el plasma ".
La vida de los ingenieros de vuelo era cualquier cosa menos aburrida también. Mantener algo en órbita alrededor de un punto que tiene poco que marcar, excepto el equilibrio de la gravedad, no es una tarea sencilla. La nave espacial requería correcciones regulares para mantenerla en el camino y Folta y Woodard la observaban a diario.
"Recibiríamos información actualizada sobre la órbita alrededor de las 9 a.m. todos los días", dice Woodard. "Lo ejecutaremos a través de nuestro software y obtendremos una estimación de cuál debería ser nuestra próxima maniobra. Íbamos y veníamos con Berkeley y juntos validamos una maniobra hasta que supiéramos que iba a funcionar y nos mantendría volando durante otra semana ".
El equipo aprendió de la experiencia. Los ajustes leves a menudo tuvieron mayores consecuencias de lo esperado. Finalmente encontraron los lugares óptimos donde las correcciones parecían requerir menos ajustes posteriores. Estos puntos dulces llegaron cada vez que la nave espacial cruzó una línea imaginaria que unía la Tierra y la Luna, aunque nada en las teorías había predicho tal cosa.
La vigilancia diaria resultó ser crucial. El 14 de octubre, la órbita y la actitud de la nave espacial P1 cambiaron inesperadamente. El primer pensamiento fue que el sistema de seguimiento podría haber fallado, pero ese no parecía ser el problema. Sin embargo, el equipo de ARTEMIS también notó que toda la nave había comenzado a girar alrededor de 0.001 revoluciones por minuto más rápido. Uno de los instrumentos que mide los campos eléctricos también dejó de funcionar. ¿Mejor conjetura? La esfera al final de la pluma de 82 pies de ese instrumento se había roto, tal vez porque fue golpeada por algo. Esa esfera pesaba solo tres onzas en una nave espacial que pesaba casi 190 libras, pero ajustó la velocidad de ARTEMIS P1 lo suficiente como para haber detectado la anomalía incluso unos días después habrían tenido que desperdiciar una cantidad prohibitiva de combustible para volver a su curso.
Tal como están las cosas, ARTEMIS llegará a la luna con incluso más combustible del que se estimó originalmente. Habrá suficiente combustible para correcciones de órbita durante siete a 10 años y luego sobrará suficiente para llevar a las dos naves a la luna.
"Estamos encantados con el trabajo de los planificadores de misiones", dice Sibeck. “Nos acercarán mucho más a la luna de lo que podríamos haber esperado. Eso es crucial para proporcionar datos de alta calidad sobre el interior de la luna, su composición de superficie y si hay focos de magnetismo allí ".
El 9 de enero de 2011, ARTEMIS P1 saltó sobre la luna y se unió a ARTEMIS P2 en el lado de la Luna más cercano a la Tierra. Ahora los últimos pasos están a punto de comenzar.
El 27 de junio, P1 irá en espiral hacia la luna y entrará en la órbita lunar. El 17 de julio, P2 seguirá. P2 viajará en la misma dirección con la Luna, o en prograde; P1 viajará en la dirección opuesta, en retrógrado.
"Hemos estado monitoreando ARTEMIS todos los días y desarrollando maniobras cada semana. Ha sido un desafío, pero hemos descubierto algunas cosas geniales ", dice Folta, quien ahora centrará su atención en otros vuelos de la NASA, como la misión MAVEN a Marte que está programada para lanzarse en 2013." Pero pronto estaremos terminado con esta maniobra final y, bueno, volveremos a ser solo consultores de ARTEMIS ".
Vea imágenes y videos adicionales de ARTEMIS en este enlace.
Escrito por Karen C. Fox en GSFC.
