¿Cómo llega un módulo de aterrizaje a Marte a un lugar de aterrizaje elegido?

Por lo general, hay cinco maniobras de corrección de trayectoria planificadas en el camino a Marte, denominadas TCM-1 a TCM-5. (También hay una ranura para un TCM-6 de emergencia unas horas antes de la entrada, pero no se espera que se use). También a veces me refiero al lanzamiento como TCM-0. Esa es la TCM realmente grande.

TCM-0 proporciona la energía para colocar el afelio de la nave espacial a la distancia de la órbita de Marte, y está programado y dirigido para llegar allí cuando Marte esté allí. Casi. Debido a los requisitos de protección planetaria de que la etapa final del vehículo de lanzamiento no impacte en Marte, TCM-0 en realidad está diseñado para pasar por alto a Marte.

TCM-1 es de unos diez días después del lanzamiento. Su trabajo es a) eliminar el sesgo de protección planetaria yb) corregir los errores de inyección del vehículo de lanzamiento. Esa maniobra es del orden de 10 m/s. Debido a la incertidumbre de ejecución en esa maniobra, es posible que la nave espacial ni siquiera esté en una trayectoria de impacto en Marte después de TCM-1. Pero ahora está mucho más cerca de la trayectoria deseada.

TCM-2 es de aproximadamente dos meses después del lanzamiento. Es del orden de 1 m/s y corrige errores en TCM-1, acercando la nave espacial al punto de entrada deseado y al tiempo en la atmósfera marciana. Si bien el lanzamiento generalmente apuntará a la hora de llegada deseada para obtener la longitud de aterrizaje seleccionada, esto puede variar por horas en TCM-2, como se hizo para Spirit, debido a decisiones tardías sobre el lugar de aterrizaje. Tenga en cuenta que con meses para el final, cambiar la hora de llegada por unas pocas horas sigue siendo una pequeña cantidad de$\Delta V$en el momento de TCM-2.

Además de la latitud y longitud de aterrizaje (esta última determinada por el tiempo de entrada), el ángulo de la ruta de vuelo también debe ser una fracción de grado del objetivo, para que el escudo térmico experimente el entorno diseñado en tanto la tasa de calor máxima como la carga de calor total. No estoy seguro de lo que quiere decir con "aterrizar en el borde", pero es posible que se refiera a apuntar al punto de entrada para que esté apenas dentro del círculo de impacto. Eso es necesario para tener el ángulo de trayectoria de vuelo de entrada superficial diseñado, por ejemplo, –11,5° para MER. El objetivo del ángulo de trayectoria de vuelo es fijo. No se modifica para golpear un lugar de aterrizaje, levantando la entrada o no. La trayectoria se modifica para alcanzar el lugar de aterrizaje y el ángulo de trayectoria de vuelo de entrada deseado.

Los TCM restantes afinan la trayectoria y son pequeños o incluso cero, es decir, cancelados. TCM-3 es aproximadamente dos meses antes de la entrada, TCM-4 es una semana antes de la entrada y TCM-5 es dos días antes de la entrada. Para Opportunity, se cancelaron TCM-3 y TCM-5.

Al final, el punto de entrada en la atmósfera se alcanza dentro de aproximadamente un kilómetro del objetivo, y el tiempo de entrada dentro de aproximadamente un segundo. El ángulo de la trayectoria de vuelo de entrada está entonces dentro de una décima de grado del objetivo. Ahí es donde estoy de acuerdo con tu comentario "mágico". Es bastante sorprendente, y se debe en gran parte al seguimiento radiométrico de banda X de increíblemente alta precisión utilizando Doppler, rango e interferometría de línea de base muy larga.

La respuesta de @Mark Adler aborda la guía de cruceros. Esta respuesta aborda la orientación durante la entrada del rover Curiosity.

Durante la entrada, el rover Curiosity utilizó una guía activa. Al igual que las cápsulas Apolo, tenía un centro de gravedad (COG) desplazado y luego realizaba giros inclinados durante la entrada para dirigir la nave espacial.

Durante el crucero, la nave espacial tenía un COG equilibrado. Antes de la entrada, expulsó dos masas de equilibrio de crucero para lograr el COG compensado necesario para el aterrizaje.

La entrada guiada comenzó con la "fase de control de rango", que comenzó a 0,2 g:

Durante la fase de control de alcance, la computadora móvil predijo la distancia de alcance descendente que volaría y ajustó la sustentación según fuera necesario para alcanzar el alcance correcto... la forma en que la nave espacial ajustó su alcance fue realizando una serie de giros inclinados, rotando su centro de gravedad alrededor del eje de su nariz roma. Su punto de entrada inicial estaba sesgado hacia la izquierda (norte) del lugar de aterrizaje previsto, por lo que comenzó con un giro inclinado hacia la derecha. La computadora monitoreó la deriva de rango cruzado de la nave espacial y ordenó una inversión de banco cuando la deriva pasó un umbral. - El Diseño y la Ingeniería de la Curiosidad por Emily Lakdawallaibid , p. 79

Después de eso, la nave espacial cambió a la fase de "alineación de rumbo":

A una altitud de 14 kilómetros y una velocidad de 1,1 kilómetros por segundo, la nave espacial pasó a la fase de "alineación de rumbo" de entrada guiada. La nave espacial se inclinó hacia la izquierda para corregir su rumbo cruzado, probablemente para compensar un viento cruzado de 10 metros por segundo. Voló hacia abajo durante 100 segundos a una altitud casi constante, girando suavemente para llegar a la ubicación óptima para el despliegue del paracaídas. - ibíd., pág. 83

El centro de gravedad desplazado se logró mediante el uso de "masas de equilibrio de entrada". Al final de la fase de alineación del rumbo, la nave espacial expulsó las masas de equilibrio de entrada para centrar el COG en preparación para el despliegue del paracaídas.

Ver también:

• Cómo aterrizará el Curiosity en Marte, Parte 1: Entrada de Emily Lakdawalla

• Diseño de guía de entrada y rendimiento posterior al vuelo para la misión Mars Science Laboratory de 2011 (Journal of Spacecraft and Rockets 51:4, pago)