Lanzamiento de la sonda Fobos-Grunt

Por fin. Después de quince años, Rusia vuelve a lanzar una sonda espacial a otro planeta. Hoy martes 8 de noviembre a las 20:16 UTC ha despegado la sonda Fobos-Grunt (Фобос-Грунт/Phobos-Grunt) a bordo de un cohete Zenit-2SB (Zenit-2M/Zenit-2SB41.1) desde la rampa PU-1 del Área 45 del cosmódromo de Baikonur (NIIP-5/GIK-5). Si todo va bien, en agosto de 2014 Fobos-Grunt traerá de vuelta a la Tierra una cápsula con 200 gramos de muestras provenientes de Fobos, la mayor luna de Marte. Junto con Fobos-Grunt viaja la primera sonda interplanetaria china, Yinghuo-1.

Actualización 9 de noviembre: la sonda no ha logrado encender el motor principal de su etapa MDU y se ha quedado varada en órbita baja por culpa de un fallo del ordenador de a bordo. Aparentemente, el control de la misión intentará un nuevo encendido en los próximos tres días. Es el tiempo que tienen para actualizar el software antes de que se agoten las baterías. Precisamente, el desarrollo del ordenador principal de la nave (BKU) fue uno de los motivos que obligaron a retrasar el lanzamiento de 2009 a 2011.

Actualización 10 de noviembre: Fobos-Grunt sigue en órbita terrestre. Los informes sobre el estado de la sonda y sus posibilidades de éxito son confusos y contradictorios. No está claro si se trata de un problema en el sistema de control de actitud o, lo más probable, un fallo del BKU. Tampoco se ha podido confirmar que la sonda esté transmitiendo su telemetría normalmente. Algunos informes señalan que la nave orbita en silencio y que se ha intentado reiniciar el ordenador en dos ocasiones. Lo peor del caso es que aparentemente sólo una de las estaciones de tierra (la estación Saturn de Baikonur) puede transmitir órdenes a la sonda.

Fobos-Grunt

Fobos-Grunt es una sonda para el estudio de Marte y Fobos construida por NPO Lávochkin en colaboración con el IKI (Instituto de Investigaciones Espaciales). Tiene una masa al lanzamiento de 13505 kg (combustible incluido), con 50 kg de instrumentos científicos.

Partes de Fobos-Grunt (Roskosmos).

Está dividida en tres partes:

1- Etapa propulsiva MDU (МДУ, Маршевая Двигательная Установка): es la encargada de efectuar las maniobras cruciales para abandonar la órbita terrestre y alcanzar la órbita marciana. Su diseño está basado en la etapa superior Fregat-SB (también fabricada por NPO Lávochkin)y tiene una masa en seco de 735 kg. Es capaz de transportar hasta 7150 kg de combustibles hipergólicos (UDMH y tetróxido de nitrógeno) y empleará un motor principal de 19,78 kN de empuje. Dispone además de varios propulsores auxiliares para control de actitud capaces de generar un empuje total de 20-25 kgf. A diferencia de la etapa Fregat, que cuenta con su propio ordenador, la MDU está controlada por un ordenador central situado en la sonda (BKU). Además, el sistema de control térmico (SOTR) de la etapa ha tenido que ser mejorado considerablemente. La etapa MDU hace la doble función de servir como etapa superior para situar la sonda en una trayectoria hacia Marte y de realizar la maniobra de inserción en una órbita marciana.

2- Módulo de vuelo PM (ПМ, Перелетный Модуль) o etapa Flagman: es la sección principal de la sonda y alberga el ordenador principal del vehículo (BKU, Бортовой Комплекс Управления), diseñado por NPO Lávochkin. Cuenta con dos paneles solares con una superficie de 10 metros cuadrados, la mayor parte de instrumentos científicos y el tren de aterrizaje. Tiene una masa en seco de 350 kg y puede transportar hasta 1050 kg de combustible. El motor principal tiene un empuje de 1,53 kN. La etapa PM transporta además el sistema de comunicaciones (BRK, Бортовой Радио Комплекс), los sensores estelares y solares para controlar la posición BOKZ-MF (Блок Определения Координат Звёзд) y OSD (Оптический Слнечный Датчик), un sistema de televisión y navegación (TSNN), así como el sistema de navegación inercial BIB-FG (Бесплатформенный Инерциальный Блок). Con el fin de controlar el aterrizaje en la superficie de Fobos, la plataforma PM incluye un radar Doppler de 13 kg desarrollado por la empresa Vega denominado DISD. Para analizar y recoger muestras, la etapa de vuelo PM va dotada de un brazo robot (GZU) y un sistema de transporte de muestras hasta la cápsula (GPU).

3- Etapa de regreso VA (ВA, Возвращаемый Аппарат): tiene una masa de 139 kg al vacío más 135 kg de combustible, será la encargada de despegar desde la superficie de Fobos con la cápsula de muestras. Está dotada de paneles solares con una superficie de 1,4 metros cuadrados y dispone de un ordenador central parecido al BKU de la etapa PM, pero más pequeño. Al carecer de giróscopos, se estabilizará mediante rotación. La cápsula, de 7,50 kg, contendrá hasta 200 gramos de regolito de Fobos en un espacio de 100 centímetros cúbicos. El motor principal, de combustibles hipergólicos, tiene un empuje de 124,6 N y posee 16 propulsores pequeños para control de actitud a base de nitrógeno. También dispone de versiones a menor escala de varios sistemas de la etapa PM, como por ejemplo BKOZ-MF, OSD y BIB-FG.

Etapa de retorno con la cápsula para las muestras donde viajarán los microbios de los experimentos LIFE y ANABIOS (Roskosmos). 

Sonda Fobos-Grunt (Roskosmos).

La duración de la misión será de unos 34 meses, incluyendo 11,5 meses para el viaje de ida hasta Marte.

Los principales instrumentos científicos son los siguientes:

• LASMA (Laser time-of-flight Mass Reflector): espectrómetro de masas mediante láser para el estudio de la composición del regolito de Fobos. Construido por el IKI y Suecia.
• MANAGA (Time-of-flight Mass Analyzer of Secondary Ions): estudio de iones generados en la superficie de Fobos a partir de la interacción con el viento solar. Construido por el IKI.
• TDA, KhMS y MAL: complejo de cromatógrafos de gases para identificar y analizar volátiles en la superficie de Fobos. Construido entre el IKI, GEOKhI, Francia, Alemania y China.
• FOGS: espectrómetro gamma para estudiar la composición de Fobos construido por GEOKhI en el rango de energías 0,3-9 MeV.
• KhEND: espectrómetro de neutrones construido por el IKI y la ESA para el rango de energías 0,4 eV - 15 MeV. también puede detectar rayos gamma de 100 keV - 10 MeV.
• MS (Mössbauer Spectrometer): espectrómetro Mössbauer construido entre el IKI y Alemania.
• AOST: espectrómetro Fourier de 4 kg del IKI en el rango 2,5-25 micras.
• TIMM: espectrómetro de tipo echelle construido por IKI y Francia.
• GRAS-F: instrumento de gravimetría para realizar modelos del interior de Fobos construido por el IKI y GEOKhI.
• MUSS/SEYSMO-1: sismómetro para el estudio del interior de Fobos diseñado por el IKI, IFZ y GEOKhI.
• TERMOFOB: sensor de temperaturas diseñado por GEOKhI e IPM con una resolución de 0,1 K.
• DPR/LWR (Long Wave Radar): radar para el estudio del interior de Fobos diseñado por el IRE. Trabaja en el rango 125-175 MHz y posee una resolución espacial de 2 metros.
• FPMS (Plasma Magnetic Suite): instrumentos para el estudio del plasma del viento solar construidos por el IKI, Francia, Suecia y Ucrania. Incluye un sensor sueco para detectar iones en el rango de 10 eV - 15 keV y otro ruso de 3 eV - 3 keV.
• METEOR-F: detector de polvo interplanetario del GEOKhI capaz de detectar partículas con velocidades de 3-35 km/s.
• USO: oscilador ultraestable del IKI para cálculo preciso de las efemérides orbitales de Fobos usando el sistema de telecomunicaciones de la sonda.
• LIBRATSIYA: estudio de las libraciones de Fobos mediante sensores solares y estelares construido por el IKI, LITMO e INFRATRON.
• TSNN: sistema de televisión principal para la navegación con dos objetivos ópticos. En el modo de gran angular tiene una focal de 18 mm y un campo de 23,2º x 23,2º. Como cámara de pequeño angular su focal es de 500 mm y el campo es de 0,85º x 0,85º. Utiliza una CCD Kodak-1020. El brazo robot de la sonda incluye además una cámara de 12,4 mm de focal similar a la empleada en la misión Rosetta de la ESA y una cámara estéreo de 80 mm de focal.
• BIOPHOBOS: dos experimentos para estudiar los efectos del espacio interplanetario en los seres vivos formado por el experimento LIFE de The Planetary Society y ANABIOS del IKI.

Instrumentos de Fobos-Grunt (Roskosmos).

Yinghuo-1

Yinghuo-1 (YH-1 o 萤火一号) es un minisatélite chino que viaja en el interior de la Fobos-Grunt, en la estructura que conecta la etapa MDU con la PM. Yinghuo-1 tiene una masa de 112 kg y unas dimensiones de 75 x 75 x 60 cm, con una envergadura de 6,85 metros una vez desplegados los paneles solares. Se trata de la primera sonda interplanetaria china y estudiará Marte desde una órbita elíptica de 800 x 80000 km, con una inclinación de 5º. Es un satélite estabilizado en tres ejes y sus paneles generan 90-180 W de potencia. Dispone de una antena de alta ganancia de 950 mm de diámetro en banda S con un transmisor de 12 W en dos frecuencias (8,4 y 7,17 GHz), con una tasa de transferencia de datos de 8 bps y 16 kbps. La antena de baja ganancia dispone de una velocidad de transmisión de 80 bit/s. Incluye cuatro instrumentos principales:

• Instrumentos para el estudio del plasma, formado por dos sensores de iones y un espectrómetro de masa. trabajará en el rango de energías 20 eV - 10 keV con una resolución en la dirección de 15º y una resolución temporal de 8 segundos.
• Magnetómetro con una resolución de 0,01 nanotesla.
• Experimento de ocultación por radio para estudiar la estructura de la atmósfera de Marte. Utilizará como fuente emisora la señal de la sonda Fobos-Grunt.
• Dos cámaras de 4 megapíxel con una resolución de 0,5 metros en periapsis.

Yinghuo-1 dentro de la Fobos-Grunt (Roskosmos).

 

Yinghuo-1.

Vídeo de la Yinghuo-1:

Misión

Después de situarse en una órbita baja con una inclinación de 51,4º, la sonda seguirá una trayectoria pasiva durante 2,5 horas (1,7 vueltas a nuestro planeta). El primer encendido de la etapa MDU elevará el apogeo de la órbita hasta los 4520 km, mientras que el perigeo permanecerá en los 237 km. Tras la separación del depósito de combustible adicional de la etapa propulsiva, el vehículo completará una órbita entera antes de volver a encender el motor principal para alcanzar la velocidad de escape rumbo a Marte. Durante esta fase, la sonda realizará varias maniobras de corrección y se comunicará con la Tierra mediante las estaciones rusas de espacio profundo Ussuriysk y Medvezhi Ozyora. La primera corrección se efectuará entre los 5 y los 10 primeros días de vuelo y tendrá una Delta-V estimada de unos 85 m/s. La segunda corrección tendrá lugar 65 días después del lanzamiento, con una Delta-V de 10 m/s. La tercera y última corrección se llevará a cabo dos o cuatro semanas antes de llegar a Marte y tendrá una Delta-V de 35 m/s. Al alcanzar el planeta rojo, el error en la trayectoria no debe superar los 400 km en el periastro.

Configuración de lanzamiento y órbita inicial de Fobos-Grunt (NPO Lavochkin).

Trayectoria de vuelo hacia Marte (NPO Lavochkin).

Tras la inserción en órbita de Marte, la etapa propulsiva MDU y la sonda china Yinghuo-1 se separará de la sonda (NPO Lavochkin).

En verano de 2012 (entre el 25 de agosto y el 26 de septiembre), la sonda sobrevolará Marte a una distancia mínima de 400-1200 km con una inclinación de 20º-36º y una velocidad de 2,8 km/s. El motor de la etapa MDU se encenderá durante 2,2 minutos para situar la Fobos-Grunt en una órbita inicial altamente excéntrica con un periastro de 400-800 km, un apoastro de 79000 km y un periodo de tres días. La Delta-V de esta maniobra crucial alcanzará los 945 m/s. Tras realizar una o dos correcciones orbitales menores, la etapa MDU se separará de la nave 10-15 después de la inserción orbital. Poco después se desplegará la sonda china Yinghuo-1 de tal forma que su periastro no supere los 1000 km.

En diciembre de 2012, la sonda usará el motor de la etapa PM para elevar su periastro hasta los 9910 km y cambiar la inclinación de tal forma que coincida con el plano orbital de Fobos. Para ello, el motor de la Fobos-Grunt deberá funcionar durante 4,8 minutos. Durante este encendido, la Delta-V alcanzada será de 220 m/s. Posteriormente se procederá a situar la nave en una órbita circular de 9910 km -unos 535 km por encima de la órbita de Fobos- con un periodo de 8,3 horas gracias a un encendido de 12,3 minutos y una Delta-V de 705 m/s.

Desde esta órbita de observación, la sonda efectuará el seguimiento de Fobos y realizará las correcciones orbitales necesarias para preparar el encuentro con el satélite entre enero y febrero de 2013. De este modo, la distancia mínima entre la sonda y Fobos será de 50-130 km. El acercamiento final se llevará a cabo mediante dos encendidos de 45 y 20 m/s en un periodo de dos días, aunque se cree que serán necesarias algunas correcciones adicionales con una Delta-V de 1-2 m/s. Finalmente, la sonda quedará situada en una órbita de 300-350 km sobre Fobos.

Maniobras para situarse cerca de la órbita de Fobos (NPO Lavochkin).

El aterrizaje en Fobos está planeado para febrero de 2013, aunque el descenso hacia la superficie será una maniobra muy complicada. Debido a las irregularidades del campo gravitatorio de Fobos y a la lejanía de la Tierra, la sonda deberá efectuar esta fase de forma completamente autónoma usando los datos proporcionados por un radar Doppler y un altímetro láser. Durante el descenso, el ángulo entre la nave, Fobos y el Sol deberá ser de 20º-70º, mientras que la velocidad de aterrizaje será de 1,5-2 m/s. Tras analizar la superficie de la luna, la sonda comenzará a recoger los 200 gramos de muestras para guardarlas en la pequeña cápsula de la etapa superior.

Sitios de aterrizaje propuestos para Fobos-Grunt (Roskosmos).

Aterrizaje desde la QSO: se realizarán dos encendidos antes de comenzar el descenso vertical (IKI/Roskosmos).

La ventana de lanzamiento para el retorno de muestras a la Tierra se mantendrá desde el 3 al 23 de septiembre de 2013. El viaje de retorno tendrá una duración de 11-11,5 meses, estimándose que la llegada a la Tierra de la cápsula con muestras tendrá lugar entre el 15 y el 18 de agosto de 2014. Para ello, la etapa superior deberá realizar una serie de maniobras muy similares a las efectuadas en la etapa inicial de la misión, pero al revés. En total, la etapa superior con las muestras tendrá que llevar a cabo 15 encendidos de su motor para poder dirigirse a la Tierra. La primera maniobra, el despegue desde Fobos, está previsto que tenga lugar entre abril y agosto de 2013. Primero, la etapa superior se separará del PM y ascenderá con una velocidad de 1 m/s para no dañar al resto de la sonda. 50-60 segundos más tarde, encenderá de nuevo su motor durante 16 segundos para alejarse de Fobos a 10 m/s. Unos mil segundos después, la etapa superior se encontrará a 10 km de Fobos y procederá a orientarse con el Sol, momento en el que encenderá su motor durante 32 segundos para aumentar la velocidad a 20 m/s, situándose así en la primera órbita intermedia para regresar a casa.

Maniobras para retorno a la Tierra (NPO Lavochkin).

Si todo va bien, la cápsula reentrará en la atmósfera terrestre a 12,1 km/s y con un ángulo de ataque de 33º-45º. Para reducir la masa de la nave, la cápsula no va equipada con ningún sistema de paracaídas, por lo que se estrellará contra el suelo en Sary-Shagan, Kazajistán (46º 15' N, 72º 10' E), con una velocidad terminal de descenso cercana a los 70 m/s. La zona de caída tendrá forma elíptica con un semieje mayor de unos 30 km como máximo.


Zenit-2SB

El Zenit-2SB (o Zenit-2M) es un cohete de dos etapas capaz de poner 14 toneladas en órbita baja lanzado desde Baikonur. Tiene unas dimensiones de 58,7 x 4,1 metros y una masa de 473 toneladas. El Zenit-2SB es una versión del Zenit-3SLB comercial de tres etapas, que a su vez se basa en el Zenit-3SL de Sea Launch. El Zenit-3SL es la última encarnación del cohete 11K77 Zenit de los años 80. Utiliza queroseno y oxígeno líquido en sus dos etapas. En esta misión, el Zenit-2SB llevaba pintada en su exterior la inscripción Zenit-2FG haciendo referencia a la Fobos-Grunt. Zenit-3SL (Sea Launch).   Zenit-3SL (Land Launch/Roskosmos). Las primeras dos etapas están construidas por PA Yuzhmash en Dnepropetrovsk, Ucrania, según el diseño de KB Yuzhnoe a partir de una aleación de aluminio (AMg-6 NPP) estándar en la industria aeroespacial soviética. La tercera etapa Blok DM-SLB es una versión del Blok DM-2 usado en el Protón y está fabricada en Moscú por la empresa rusa RKK Energía. La primera etapa (11S771, Zenit-2SB80-1) tiene unas dimensiones de 32,9 x 3,9 metros, una masa de 353 toneladas al lanzamiento (33,9 toneladas en seco) y emplea un motor RD-171M de cuatro cámaras de combustión. Fabricado por la empresa rusa NPO Energomash, es el motor de combustible líquido más potente jamás construido. Tiene un empuje de 7259-7908 kN y un impulso específico de 309,5-337,2 segundos. Puede reducir su empuje hasta un 74% del nominal y permite el control del vehículo en sus tres ejes gracias al movimiento de sus toberas, sin necesidad de motores vernier. RD-171 (NPO Energomash) La segunda etapa (11S772, Zenit-2SB80-2) tiene unas dimensiones de 10,4 x 3,9 metros, una masa de 89,5 toneladas (9,3 toneladas en seco) y hace uso del RD-120 (11D123) (no confundir con el RD-0120 empleado en el Energía). Con sus 350 segundos de impulso específico y 834 kN, es uno de los motores de queroseno/LOX para etapas superiores más eficientes y potentes que existen. Fue desarrollado específicamente para el Zenit por NPO Energomash y puede reducir su empuje hasta el 78% del nominal. La segunda etapa usa un motor vernier RD-8 (11D513) de cuatro cámaras con un empuje de 78 kN fabricado por la empresa ucraniana KB Yuzhnoe. El tanque de queroseno de esta fase tiene una curiosa forma toroidal y rodea al motor para ahorrar espacio. Zenit-2SLB y Zenit-3SLB (Land Launch). Características principales del Zenit-3SLB. Cohete Zenit (Sea Launch). Vista en el Google Earth del Área 45 con las dos rampas de lanzamiento del Zenit en Baikonur. Se puede observar la rampa PU-2 destruida en la parte inferior. Rampa PU-1 (Google). Trayectoria de lanzamiento (Land Launch). Fases del lanzamiento T-0: ignición del motor RD-171 de la primera etapa. T+3,9 s: despegue. T+12 s: inicio de la secuencia de cabeceo. T+14 s: giro del cohete para orientarse con el azimut del lanzamiento. T+59 s: máxima presión dinámica. T+1 min 55 s: máxima aceleración. T+1 min 55 s: el RD-171 comienza a funcionar al 74% de potencia. T+2 min 24 s: encendido de los vernier RD-8 de la segunda etapa. T+2 min 27 s: apagado del RD-171. T+2 min 29 s: separación de la primera etapa. T+2 min 34 s: encendido del RD-120 de la segunda etapa. T+5 min 18 s: separación de la cofia. T+7 min 12 s: apagado del motor de la segunda etapa. T+8 min 27 s: apagado de los vernier de la segunda etapa. T+11 min 24 s: separación de la Fobos-Grunt. T+2 horas 28 min: primer encendido de la etapa MDU de la Fobos-Grunt. T+2 horas 38 min: apagado de la etapa MDU. T+3 horas 41 min: segundo encendido de la MDU para situar la sonda en trayectoria hacia Marte. T+3 horas 58 min: finalización del segundo encendido. Procesado de la nave en Baikonur e inserción en la cofia (Roskosmos). Traslado del cohete a la rampa (Roskosmos). Primer y segundo encendido de la etapa MDU. Primer encendido. Segundo encendido. Vídeo del procesado de la sonda en Baikonur: Vídeo del traslado a la rampa: Vídeo del lanzamiento:

Vídeo