Un nuevo escudo térmico inflable para viajar a Marte

Suele decirse que Marte es el mundo del Sistema Solar donde resulta más complicado hacer aterrizar de forma segura un vehículo espacial. La presencia de una atmósfera muy tenue obliga a usar un escudo térmico, pero no se puede alcanzar una velocidad de descenso segura empleando paracaídas únicamente. Por eso las sondas marcianas deben echar mano de retrocohetes o airbags para posarse de una pieza. Pero estos sistemas sólo nos permiten poner una tonelada de carga útil en la superficie marciana aproximadamente. Para misiones tripuladas o sondas de mayor tamaño tenemos que inventar un nuevo método si no queremos estrellarnos, ¿pero cuál?

Prototipo de escudo térmico inflable LDSD para viajes a Marte (NASA).

Desde hace años se sabe que el camino para situar cargas de mayores dimensiones en el planeta rojo pasa por el empleo de escudos térmicos de gran tamaño y/o retrocohetes en régimen supersónico. El desarrollo de estas tecnologías es clave para poner un hombre en la superficie de Marte, así que la NASA ha decidido comenzar por lo más sencillo, que lógicamente son los escudos térmicos. En este caso, para lograr nuestro objetivo podemos por un lado emplear grandes cubiertas aerodinámicas que conviertan nuestra nave en un cuerpo sustentador y que permitan además emplear la técnica de aerocaptura. O bien podemos construir escudos convencionales que se desplieguen en el espacio aumentando su superficie y su capacidad de frenado.

Obviamente, esta última opción es la más sencilla y por eso la agencia espacial norteamericana ha desarrollado un nuevo prototipo de escudo térmico inflable denominado LDSD (Low-Density Supersonic Decelerator). En realidad, el proyecto LDSD incluye tres tecnologías distintas. Una es un escudo térmico inflable mediante aire caliente de seis metros de diámetro denominado SIAD-R, mientras que otro es un escudo hinchable de ocho metros llamado SIAD-E que usará aire comprimido (SIAD significa “Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators”). SIAD-R se considera un precursor de escudos para futuras misiones marcianas no tripuladas, mientras que SIAD-E podría servir para desarrollar elementos de una expedición tripulada. El tercer elemento es un paracaídas supersónico de nueva generación de 33,5 metros de diámetro (por comparación, el paracaídas de Curiosity tiene unos 15 metros de diámetro).

Elementos del programa LDSD (NASA).

Técnicamente los escudos inflables son ‘deceleradores’ más que protectores térmicos, ya que se despliegan una vez pasada la fase más dura de la entrada atmosférica, pero esta distinción no es demasiado importante en tanto en cuanto deben incluir materiales ablativos y/o resistentes a las altas temperaturas como un escudo convencional y porque esta tecnología también podría emplearse en el futuro para escudos térmicos ‘de verdad’, especialmente en el caso de escudos de aerocaptura para naves marcianas de gran tamaño.

Modelo a escala 1:3 del nuevo paracaídas marciano de gran tamaño durante pruebas aerodinámicas (NASA).

El centro JPL ya ha probado el despliegue del SIAD-R en tierra usando trineos propulsados por cohetes para alcanzar unos 400 km/h, alcanzando cargas aerodinámicas hasta un 25% superiores a las que se podrían encontrar en un descenso a través de la atmósfera marciana. El próximo junio otro prototipo del LDSD despegará en un globo estratosférico desde una base de la armada en la isla de Kauai (Hawái) y a 36 kilómetros de altura se encenderá un pequeño cohete de combustible sólido Star-48 para lograr velocidades supersónicas y una altura de 55 kilómetros. La poca densidad de la estratosfera la convierte en el campo de pruebas para escudos térmicos marcianos.

Prueba en tierra del escudo térmico inflable SIAD-R (NASA).

Próxima prueba suborbital del proyecto LDSD (NASA).

Frenar naves de mayor masa en la atmósfera marciana significa que debemos comenzar a frenarlas antes, a mayor altura y a mayor velocidad. Actualmente la etapa de frenado comienza cuando la nave viaja a una velocidad de Mach 2, pero para vehículos más grandes esta etapa debería comenzar a Mach 3 o Mach 4. De ahí la importancia de estas tecnologías. Los escudos SIAD se desplegarán a Mach 3-4 y frenarán el vehículo hasta Mach 2 para que puede abrirse un paracaídas supersónico.

Ahora bien, el proyecto LDSD no es el primero que desarrolla escudos térmicos inflables. Tanto Japón como Estados Unidos ya han realizado varias pruebas de este tipo de escudos térmicos durante vuelos suborbitales. No obstante, hasta la fecha solo Rusia ha lanzado escudos térmicos inflables -que en ruso se denominan NTU- en vuelos orbitales. Hablamos, claro está, de las subsondas de la malograda nave Mars 96 y del proyecto IRDT (Inflatable Re-entry and Descent Technology Demonstrator) -o simplemente Demonstrator- desarrollado conjuntamente entre la ESA y la empresa rusa NPO Lávochkin.

Fases del inflado de los escudos rusos IRDT (NPO Lávochkin).

Diseño del escudo inflable norteamericano IRVE (NPO Lávochkin).

La ventaja del uso de estos escudos inflables es enorme y nos permitirán romper la barrera de los 1500 kg de los sistemas actuales. Dependiendo del diseño final, una misión dotada con un decelerador de estas características podrá situar entre 2 y 3 toneladas en la superficie de Marte. Y no sólo eso. También nos permitirán acceder a partes del planeta rojo situadas entre dos y tres kilómetros por encima de las que hemos explorado hasta la fecha e incluso podrán aumentar la precisión del aterrizaje hasta los tres kilómetros. No está nada mal, ¿no?

Lista de pruebas de escudos inflables:

• Mars 96 (16 noviembre 1996): dos penetradores de 130 kg cada uno dotados de deceleradores inflables de 22,4 kg. El diámetro del escudo era de 2,3 metros y se inflaba hasta los 3,8 metros. Las sondas se perdieron con el resto de la sonda por un fallo del lanzador tras el despegue.
• IRDT-1 (9 febrero 2000): lanzado mediante un cohete Soyuz en trayectoria orbital junto con la primera etapa Fregat. La masa del sistema era de 147 kg, de los cuales 33,3 kg correspondían al escudo. Sus dimensiones eran similares a los escudos de la Mars-96.
• IRDT/Fregat (9 febrero 2000): otro IRDT que protegía la etapa Fregat. No se recuperó. La masa del sistema era de 1830 kg y la del escudo 673 kg. El diámetro era de 6 metros, 14 metros una vez inflado.
• IRDT/Cosmos-1 (20 julio 2001): prueba de un IRDT junto con la vela solar Cosmos-1 desde el submarino K-496. La carga útil no se separó del cohete.
• IRDT-2 (12 julio 2002): lanzado mediante un cohete Volná en trayectoria suborbital desde el submarino K-44. El cohete falló. Masa: 146 kg.
• IRDT-2R (6 octubre 2005): repetición del IRDT-2 desde el K-496. La prueba se cree que fue un éxito, pero el vehículo no fue recuperado.
• IRVE-1 (6 septiembre 2007): lanzamiento suborbital del primer IRVE mediante un cohete sonda Terrier Orion desde Wallops Island.
• IRVE-2 (17 agosto 2009): lanzamiento del primer IRVE mediante el cohete sonda Black Brant 9 desde Wallops Island.
• IRVE-3 (23 julio 2012): lanzamiento del primer IRVE mediante el cohete sonda Black Brant 11 desde Wallops Island.
• S-130-41 (7 agosto 2012): prueba de un escudo inflable japonés en la misión suborbital S-130-41.

Propuesta de nave marciana tripulada rusa con un escudo inflable para aerocpatura (NPO Lávochkin).

Vídeo cool sobre el proyecto LDSD: