¿Cómo eligen los ingenieros aeroespaciales un sistema de aterrizaje? (Rover de la curiosidad)

Tengo mi título en ingeniería espacial (eso es espacio, no aeroespacial; no hay cosas de aviones en mi aprendizaje), así que pensé que debería darle una oportunidad a esta respuesta.

Los ingenieros de la NASA planifican este tipo de sistema de la siguiente manera: después de decidir los parámetros de misión de alto nivel, hacen una lista de varios sistemas de aterrizaje diferentes. Para MSL, esto incluyó el diseño final, el aerofrenado, las bolsas de aire y muchas otras posibilidades. A medida que pasa el tiempo, eliminan las menos viables (por lo general, hay un espacio llamado "nueva tecnología" que permite la nueva tecnología en la que no hemos pensado; esto generalmente se elimina temprano ya que necesitamos algunos años para garantizar la nueva tecnología es TRL8). Las misiones como MSL generalmente están en proceso durante una década antes del lanzamiento, lo que da mucho tiempo para refinar los parámetros de la misión. En algún momento, se determinó que la masa de MSL iba a ser demasiado grande para un despliegue de aerofrenado puro. Además, decidieron que los sistemas de misión crítica eran demasiado delicados para las bolsas de aire, lo que puede afectar seriamente a los equipos finamente calibrados (la pesadez también tenía que ver con el desguace de las bolsas de aire). No hace falta decir que, uno por uno, los sistemas de aterrizaje alternativos finalmente se descartaron como inviables, que no se ajustaban a los requisitos de la misión, imposibles, demasiado costosos o demasiado riesgosos (todo tiene un análisis de riesgo asociado). la línea determinada "demasiado arriesgada", se ha ido). Como se mencionó, muchas de estas alternativas fueron eliminadas debido a una gran cantidad de simulaciones que demostraron que no funcionarían. Y puedo dar fe de que hubo muchas simulaciones. El primero (y luego, lo último) que hacen los ingenieros cuando se les da un nuevo conjunto de parámetros o un nuevo concepto de misión es modelarlo para determinar la viabilidad, las restricciones presupuestarias, los plazos, etc. Y estas simulaciones no se limitan a la NASA; todos los hacen y reportan hallazgos interesantes. Como ejemplo, ahora soy físico, no estoy afiliado a la NASA en lo más mínimo, pero para la próxima misión OSIRIS-REx, ya he realizado cientos de simulaciones relacionadas con patrones orbitales, ángulos de escaneo, tasas de carga de datos, lo que sea. Y he informado de esos hallazgos a la NASA. Para algo tan grande como MSL, tenían físicos e ingenieros de todo el mundo realizando pruebas y retroalimentando datos relevantes. Luego, los ingenieros de la NASA pueden tomar esos datos y reducir la lista de sistemas utilizables. Y estas simulaciones no se limitan a la NASA; todos los hacen y reportan hallazgos interesantes. Como ejemplo, ahora soy físico, no estoy afiliado a la NASA en lo más mínimo, pero para la próxima misión OSIRIS-REx, ya he realizado cientos de simulaciones relacionadas con patrones orbitales, ángulos de escaneo, tasas de carga de datos, lo que sea. Y he informado de esos hallazgos a la NASA. Para algo tan grande como MSL, tenían físicos e ingenieros de todo el mundo realizando pruebas y retroalimentando datos relevantes. Luego, los ingenieros de la NASA pueden tomar esos datos y reducir la lista de sistemas utilizables. Y estas simulaciones no se limitan a la NASA; todos los hacen y reportan hallazgos interesantes. Como ejemplo, ahora soy físico, no estoy afiliado a la NASA en lo más mínimo, pero para la próxima misión OSIRIS-REx, ya he realizado cientos de simulaciones relacionadas con patrones orbitales, ángulos de escaneo, tasas de carga de datos, lo que sea. Y he informado de esos hallazgos a la NASA. Para algo tan grande como MSL, tenían físicos e ingenieros de todo el mundo realizando pruebas y retroalimentando datos relevantes. Luego, los ingenieros de la NASA pueden tomar esos datos y reducir la lista de sistemas utilizables. Ya hemos ejecutado cientos de simulaciones relacionadas con patrones orbitales, ángulos de escaneo, tasas de carga de datos, lo que sea. Y he informado de esos hallazgos a la NASA. Para algo tan grande como MSL, tenían físicos e ingenieros de todo el mundo realizando pruebas y retroalimentando datos relevantes. Luego, los ingenieros de la NASA pueden tomar esos datos y reducir la lista de sistemas utilizables. Ya hemos ejecutado cientos de simulaciones relacionadas con patrones orbitales, ángulos de escaneo, tasas de carga de datos, lo que sea. Y he informado de esos hallazgos a la NASA. Para algo tan grande como MSL, tenían físicos e ingenieros de todo el mundo realizando pruebas y retroalimentando datos relevantes. Luego, los ingenieros de la NASA pueden tomar esos datos y reducir la lista de sistemas utilizables.

En cuanto a cómo calculan las fuerzas de impacto, etc. Tenemos una idea bastante buena de las condiciones atmosféricas, el mapa de gravedad y otras características importantes de Marte. Los muchos cientos de personas que hacen cientos de simulaciones que mencioné cubren todo. La NASA utiliza una especie de "Google Mars" para elegir una serie de sitios de aterrizaje potenciales y una serie de sistemas potenciales y luego publica esa información. Luego, las simulaciones se ejecutan para cada sistema en cada ubicación utilizando las características específicas de esa ubicación. Para nuestro resultado final, conocíamos el mapa de gravedad y la densidad de presión. Además, podemos estimar fácilmente la velocidad de empuje, la velocidad de aproximación y una miríada de otros parámetros. Luego, lo que queda que no sabemos, lo aproximamos (no es broma, a veces nada describe mejor la realidad que adivinar a ciegas). A menudo, Usando física newtoniana simple y algunas computadoras poderosas, podemos simular casi exactamente lo que sucederá. Por supuesto, en algún momento saldremos y probaremos un modelo analógico en la Tierra.

Dicho todo esto, todavía hay algunas incógnitas. Muy pocas cosas se han usado antes en Marte, así que cada vez que enviamos una nueva sonda, estamos probando un nuevo sistema allí. Si bien MSL aterrizó sin problemas, no todo lo hace. Dirijo la atención al módulo de aterrizaje Beagle II Mars (adecuadamente apodado Mars Polar Crasher), que impactó contra la superficie sin disminuir la velocidad. No obstante, en todos los casos, nos aseguramos de que el sistema de aterrizaje elegido sea el más adecuado para el trabajo.

A primera vista, esta es más una pregunta de ingeniería que de física, el comentario de Lurscher en realidad la respondió: los ingenieros piensan en las posibles soluciones y sus implicaciones, prueban algunas de ellas en simulaciones y finalmente prueban algunas en la vida real o con modelos. Tenga en cuenta que 'pensar en sus implicaciones' en realidad significa hacer toneladas de cálculos, hacer ingeniería básica y de detalle, etc.

Sin embargo, existen limitaciones físicas, dmckee y aman mencionaron algunas. El problema se reduce a la escala. El Curiosity más pesado necesitaría bolsas de aire mucho más pesadas, o mucho más combustible (que tiene que ser enviado a Marte) para retroceder en una columna de fuego, o enormes paracaídas/escudos de freno para aerofrenado.

NOTA: Esto se puede mejorar en gran medida elaborando los problemas de escala, tal vez regrese más tarde. A partir de ahora, esto es algo suave.

Editar: ¡Esta es una gran pregunta para el próximo Space Exploration SE !

Mi respuesta posiblemente debería satisfacerte, creo. Esta es la concepción de un artista de la Entrada, el Descenso y el Aterrizaje del Laboratorio de Ciencias de Marte...

Curiosity es de gran tamaño ya que cuenta con 10 instrumentos científicos para encontrar la disponibilidad de vida en Marte. También utiliza un generador térmico de radioisótopos multimisión como combustible. Por lo tanto, las bolsas de aire no se pueden usar para manejar un peso tan grande, ya que se debe suministrar más combustible para transportarlas y tampoco se puede esperar un aterrizaje tan suave. Incluso aerofrenadono ayuda al aterrizaje como @dmckee ya ha dicho al respecto. Además, se utilizaron tres satélites, como el Mars Express Orbiter de la Agencia Espacial Europea, el Mars Reconnaissance Orbiter y el Viking Orbiter de la NASA, para estudiar el entorno de Marte para el aterrizaje seguro de Curiosity. Después de la entrada del rover en la atmósfera de Marte, los procesos como el despliegue del paracaídas, la separación del escudo térmico, la recopilación de datos del radar, la separación del Aeroshell y el uso de los propulsores propulsados ​​por cohetes llamados Sky Crane e incluso el aterrizaje están a cargo de Curiosity. . Por lo tanto, la NASA mencionó esto como siete minutos de terror .

Los propulsores impulsados ​​por cohetes son un nuevo tipo de sistema de aterrizaje que proporciona suficiente empuje hacia arriba para superar la gravedad de Marte y la fuerza ejercida sobre el rover durante la entrada. Este es un sistema de aterrizaje propuesto porque hay tres orbitadores para actualizar cada situación. Pero incluso después de estas precauciones, la cuenta regresiva del aterrizaje del Curiosity no fue la adecuada como se esperaba. El Rover aterrizó unos minutos más tarde de lo previsto debido a graves problemas en la atmósfera durante su entrada.

Y no puedo responder a su tercera pregunta ya que otros ya la han comentado. Y sí, son muy ciertas. Los científicos han realizado millones de simulaciones y pruebas antes de tomar un sistema de aterrizaje tan arriesgado .

Bueno, uno de los factores que tiene un impacto en el sistema de aterrizaje es el tamaño del rover. El sistema de bolsas de aire es factible para rovers de pequeño tamaño. El rover Curiosity es del tamaño de un automóvil, por lo que era demasiado pesado para el método de la bolsa de aire.

Los sistemas de aterrizaje integrados también son una gran restricción de diseño que requiere sus propios sensores, actuadores y fuente de energía. Dado que el sistema de aterrizaje se usa una vez y solo una vez, se puede considerar una ventaja de diseño separarlo y perder ese peso adicional y responsabilidad.