CSP-based Feature Enhancement

Los siguientes aspectos conforman las duras condiciones ambientales que se encuentran las sondas de exploración, cuando llegan al planeta.

Tenue Atmósfera

La atmósfera de Marte supone un problema para el aterrizaje de las sondas espaciales debido a su baja densidad (menos del 1% de la de la Tierra). Esto afecta a la sustentación aerodinámica, que es muy baja y produce que las pérdidas de velocidad por rozamiento no sean muy efectivas. Esto hizo necesario el desarrollo de paracaídas supersónicos en la época de las Viking, para poder frenar las sondas, después de haberse producido el aerofrenado con el escudo de térmico. Este diseño, sigue utilizándose a día de hoy con poquísimas variaciones.

DISEÑO DE UN RADIÓMETRO MINIATURIZADO LA PARA LA EXPLORACIÓN DE MARTE

92 | P á g i n a

Tabla 3-4. Altura y velocidades de las distintas etapas del descenso de Schiaparelli. ESA. Por otra parte, el reducido espesor de la atmósfera hace que el tiempo (o distancia recorrida) de que se dispone para frenar el aterrizador mediante el empleo de un paracaídas, sea limitado. Incluso con los paracaídas más grandes, no se puede obtener un frenado completo. De aquí surgen por un lado el interés en desarrollar paracaídas cada vez más robustos y capaces de abrirse a mayores velocidades (esto es, antes), y por otro la necesidad de utilizar retrocohetes en la última fase del descenso, que permitan mediante su empuje disminuir la velocidad y realizar aterrizajes suaves sobre la superficie.

Radiación en Superficie

Tanto de los modelos de entorno de radiación que se utilizan para los análisis de misión, como de los resultados obtenidos por el instrumento RAD de MSL, se obtiene la conclusión de que la radiación acumulada durante el viaje es muy superior a la que se recibe una vez en la superficie de Marte. Esto se debe a la protección que ofrece el propio planeta, la atmosfera y potencialmente los campos magnéticos locales. En términos de TID, y para blindajes habituales (equivalentes a pocos mm de aluminio), la fase de crucero puede suponer niveles de algún krad, en tanto que la estancia en superficie durante un año se reduce a algunas decenas de rad. Los datos exactos dependen por supuesto de cada misión y del blindaje exacto que sea aplicable. La existencia de un RTG en la sonda puede suponer una diferencia muy apreciable al

CAPÍTULO 3: CONDICIONANTES TECNOLÓGICOS DE UNA MISIÓN A MARTE

93 | P á g i n a

incrementar los niveles de radiación, especialmente durante la fase de operaciones. Este es el caso de los rover de MSL y de Mars2020 (en desarrollo), pero no del programa ExoMars.

Figura 3-10. Figura donde se aprecia la variación de protección de la atmósfera de Marte en función de la presión medida en superficie [HAS 14].

Ciclos Térmicos

El ambiente térmico en la superficie del planeta Marte es muy frio comparado con la Tierra. Esto se debe a su fina atmósfera y a su mayor distancia al Sol. Como se ha visto, la temperatura media en superficie ronda los -63°C y puede tener mínimas de -153° en los polos.

Otra consecuencia que hace la permanencia en la superficie aún más complicada, es la poca inercia que tiene la atmósfera por ser su densidad extremadamente baja. Esto se traduce en que la radiación del Sol que se transmite a la superficie, eleva su temperatura a gran velocidad. Pero de igual forma, la temperatura cae bruscamente cuando el Sol se pone. Esta excursión térmica noche-día, que puede llegar a los 100°C, constituye un mecanismo importante de degradación de materiales y componentes que conforman los sistemas espaciales de superficie, debido al estrés que supone por los efectos de constante dilatación y contracción que provoca.

Esta particularidad de las misiones de superficie ha de tenerse en cuenta desde las primeras fases de diseño, ya que impacta enormemente en el mismo. Por un lado, se deben elegir los materiales para que tengan coeficientes de dilatación cercanos y no

DISEÑO DE UN RADIÓMETRO MINIATURIZADO LA PARA LA EXPLORACIÓN DE MARTE

94 | P á g i n a

se produzcan esfuerzos de fatiga en los interfaces. Por otro lado, los componentes y sistemas que sean de terceros, requerirán completas campañas de calificación en ciclados térmicos (habiéndose validado previamente su correcto funcionamiento a bajas temperaturas). Evidentemente muchos de los equipos o subsistemas de cualquier sonda de superficie se colocan en el interior de cajas acondicionadas térmicamente para reducir el rango de temperaturas a que se ven sometidos.

En el caso del sensor DREAMS se realizaron distintas campañas de test en este sentido, calificando desde materiales ópticos, PCBs (Printed Circuit Board – Tarjeta de Circuito Impreso), soldantes para los componentes, pegamentos y montajes, así como todos y cada uno de los componentes electrónicos utilizados en el sensor (ver Capítulo 6). Estos test, son los denominados PQV (Packaging Qualification Verification) que NASA formalizó a partir de la misión MER [RAM 10] y que tan buen resultado han ofrecido: el robot Opportunity se mantuvo operativo durante 5.111 soles, cuando su objetivo eran 90, y MSL ya ha superado su misión principal después de siete años sobre la superficie de Marte. En estos test de calificación, se verifica la compatibilidad de todos los elementos integrados en el sistema espacial con el entorno térmico que sufrirán en Marte, realizándose un ciclado térmico equivalente a la misión en soles (ciclos), multiplicado por un factor de seguridad de 3. En estas simulaciones se recrean las estaciones verano/invierno, siendo sus valores máximos y mínimos, aquellos que resultan como los peores de los modelos utilizados de entorno térmico de operación.

CAPÍTULO 3: CONDICIONANTES TECNOLÓGICOS DE UNA MISIÓN A MARTE

95 | P á g i n a

Figura 3-11. Definición de la prueba PQV desarrollada por el INTA para misiones Mars2020 y ExoMars. INTA.

La selección de estos componentes en base a los distintos test realizados, es parte de esta investigación (véase Capitulo 6). Este trabajo ha permitido que, para los siguientes proyectos desarrollados en el INTA en el Área de Ingeniería de Sensores Espaciales, se pudiera realizar con éxito una completísima campaña de calificación de tecnologías que, en su mayor parte, fueron utilizadas en el sensor DREAMS-SIS [APE 15].

Polvo en Suspensión

El polvo es sin duda el elemento más significativo en la atmosfera de Marte. El planeta es extremadamente seco y como se ha visto en el capítulo anterior, esto provoca que exista polvo suspendido en la atmósfera durante todo el año marciano que se acrecienta en las primaveras y veranos del hemisferio sur, época conocida como de las tormentas de polvo.

La composición de este polvo ha sido estudiada en diversas localizaciones, resultando mineralógicamente de tipo basáltico, enriquecido con S, Cl y npOx (nanophase iron oxides – oxidos de hierro con tamaño menor de 100 nm) lo que lo confiere características ferromagnéticas [MOR 06]. El tamaño de partícula se sitúa mayoritariamente entre 1-3 µm, si bien la exacta determinación de su distribución de

DISEÑO DE UN RADIÓMETRO MINIATURIZADO LA PARA LA EXPLORACIÓN DE MARTE

96 | P á g i n a

tamaños es un importante campo de estudio en la actualidad, con formas irregulares [LEM 04] pero con los bordes redondeados a causa de la erosión eólica.

Desde el punto de vista tecnológico, estas características se han de tener muy en cuenta en el diseño de los sistemas e instrumentos en superficie. El pequeño tamaño de las partículas permite que se puedan introducir en cualquier cavidad interior que no esté protegida por un filtro HEPA (High Efficiency Particulate Air). Todas las partes móviles han de ser diseñadas cuidadosamente para que el polvo no pueda bloquearlas, como es el caso de los rodamientos, en los que se implementan distintas soluciones como la inclusión de juntas especiales, laberintos, fieltros impregnados de lubricantes o combinaciones de todas ellas [KOS 90].

El polvo, debido a su composición, es susceptible también de cargarse electroestáticamente quedando adherido a todas las superficies. Esto puede introducir complicaciones en los sistemas de control térmico y en los paneles solares [STE 05]. Si hablamos de la óptica de un instrumento, puede llegar a ser un problema mayor, por lo que los diseños se optimizan para evitar esta degradación. Para las cámaras de los distintos rovers y landers que han explorado el planeta, se han utilizado referencias de calibración (calibration targets) instalados en su campo de visión (Field of View – FoV) para poder inferir la deposición del polvo y la degradación óptica introducida por éste.

En el caso de DREAMS-SIS se daba por hecho que se iba a ir depositando una capa de polvo en los detectores. El ángulo que tienen los canales laterales con respecto a la vertical ofrece cierta protección, pero no es suficiente. Gracias al retrieval (explotación científica) propuesto y al diseño de los canales laterales, se puede estimar esta degradación incluyéndola en el ajuste entre las señales estimadas por el modelo de transferencia radiativa empleado, y las medidas reales (véase Capítulo 4). En el canal superior, se utilizó un difusor esférico, destinado a proveer medidas absolutas, tratando de minimizar la deposición de polvo sobre su superficie.

CAPÍTULO 3: CONDICIONANTES TECNOLÓGICOS DE UNA MISIÓN A MARTE

97 | P á g i n a