El reciente fracaso de la sonda Phobos-Grunt de Rusia destaca que es difícil llegar a Marte. Incluso la NASA solamente tiene un promedio de éxito en el 65% de las misiones a Marte.

Lo complejo no radica únicamente en la mecánica misma de los vehículos. Es cierto que un vehículo para explorar Marte debe ser una máquina increíblemente compleja cargada con un gran número de computadoras a bordo, instrumentos y sensores, pero de la misma forma también lo es un Cadillac CTS-V o un Boeing 777. Sin embargo, un vehículo explorador de Marte presenta retos muy particulares.

La mayoría de los fabricantes/armadoras tienen la ventaja de ser capaces de reemplazar una pieza si algo sale mal. Incluso pueden emitir un retiro del mercado, o hacer una sencilla recomendación para cambiar el filtro de aceite del coche durante el servicio regular.

"Nosotros no tenemos ese tipo de lujos", señala Bill Allen, ingeniero de diseño mecánico del Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA en Pasadena, CA. "Nosotros no tenemos la oportunidad de intentarlo nuevamente o reconstruirlo, tampoco podemos darle servicio ni rediseñarlo. Tenemos una sola oportunidad - y generalmente resulta haciendo algo que nunca antes hemos hecho. Estamos tratando de utilizar las herramientas y los procesos existentes para llevar a cabo un diseño muy particular.

Para otro mundo

Estos diseños únicos se enfrentan a entornos sumamente complejos y condiciones adversas. Claro está que aquí tenemos una diferencia muy marcada de temperatura entre Oslo en el invierno y Phoenix en el verano, pero eso no es nada en comparación a las diferencias térmicas que hay en el espacio.

"Cuando se trata de un desarrollo hecho en la Tierra, uno no tiene el rango de cargas dinámicas y térmicas que experimentará un vehículo que va a salir de nuestro planeta y aterrizará en otro planeta. viajar por meses para aterrizar en otro", comentó Art Ávila de JPL. "Tenemos que equilibrar el riesgo, costo, volumen [y masa] en un ámbito muy diferente a como lo haríamos con un automóvil o un avión aquí en la Tierra."

El punto aquí es que el MSL (Mars Science Laboratory), el más reciente Rover de la NASA para explorar la superficie del planeta rojo, debe llegar a Marte en agosto de este año.

Ávila, un veterano con 27 años de experiencia en JPL, fue el encargado de la Sección de Ingeniería Térmica y Criogénica del MSL. Ellos crearon el sistema de control térmico para el rover, que mantiene todos los componentes del vehículo dentro de los rangos especificados de temperatura durante cada etapa de la misión.

"Aquí debemos considerar todo lo que son las operaciones de exploración terrestre", comentó Ávila, "Así como la parte del ascenso, la cual tiene una gran cantidad de condiciones ambientales – como lo es el calentamiento molecular libre, la despresurización, y todas las situaciones que causan cambios drásticos ya sea rápidos o lentos en la temperatura del vehículo. Luego, por supuesto, debemos considerar la etapa de crucero en el espacio exterior hacia Marte.”

En si la parte realmente difícil todavía está por venir.

Entrada, Descenso y Aterrizaje

El MSL habrá pasado ocho meses y medio completamente al vacío, flotando a través del frío absoluto del espacio exterior. Entonces nuestro primer desafío es mantenerlo caliente. Después llegará a la atmósfera marciana, en este momento el escudo térmico alcanzará temperaturas superiores a los 2,700 ° F (1,482 ° C). La carga G y la vibración serán mucho peores a los que se enfrentarán durante el lanzamiento.

Una vez que el vehículo reduce su velocidad aproximadamente a Mach 2, un paracaídas se despliega y el escudo de calor es expulsado, exponiendo el rover en esta etapa de descenso a la helada provocada por el dióxido de carbono (CO2), y los vientos de la atmósfera superior de Marte. Luego de haber tenido una caída a través de un severo infierno, la nave entonces se enfría por convección al momento que desciende debajo de su paracaídas.

A continuación, la cubierta trasera y el paracaídas se expulsan y la estación de descenso enciende sus cohetes. Para este entonces ya ha sido demasiado el ajetreo para efectuar el aterrizaje mediante las bolsas de aire empleadas por los anteriores Rovers de Exploración a Marte, por ello el rover MSL es bajado mediante cables. Cuando el vehículo aterriza, los cables se separan y la estación de descenso es expulsada a lo lejos para ser desechada, y el vehículo se deja en la superficie marciana listo para llevar a cabo la exploración.

Considere que han pasado menos de 20 minutos desde que el vehículo estaba en caída libre, luego de haber estado en el vacío del espacio exterior. Por el momento pongamos a un lado las complejidades mecánicas tan asombrosas para llevar a cabo esta etapa, piense en la enorme cantidad de condiciones y diferencias ambientales a las que el rover ha sido expuesto a través de un breve espacio de tiempo - vacío, re-presurización, viento, vibraciones, ruido, la carga gravitacional, el calor abrazador, y la helada - es alucinante.

"Es una interesante combinación de ambientes contrastantes", comenta Ávila. "Esto no sólo es un reto para el diseño, sino también un reto muy difícil para verificar y validar el desempeño."

Validación del Modelo

Para validar los diseños, el rover se deja caer desde grúas, es sacudido en mesas de prueba, expuesto al vacío y se hornea bajo condiciones solares artificiales para probar a fondo y evaluar los componentes.

Para la fase de crucero por el espacio exterior se hace una prueba en una cámara de vacío congelada a -292 ° F (-180 ° C). La superficie de Marte no puede ser simulada de manera sencilla – la gravedad marciana de tan solo el 38% de la gravedad normal de la Tierra es verdaderamente un obstáculo - pero JPL hace lo mejor que puede. El rover entra en una gran cámara con una atmósfera de 8 torr de CO2, un piso y paredesa frías que simulan la superficie Marciana y el cielo, y un simulador solar que alumbra.

"Lo expusimos a pruebas de resistencia térmica muy controladas", comenta Ávila. "Tenemos la temperatura, la presión y la medida de radiación cuando estamos utilizando nuestro simulador solar. El rover tiene sus propios sensores de vuelo, que se suman a los cientos de sensores de temperatura de prueba que aumentamos para darnos todos los detalles adicionales que necesitamos para comprender el comportamiento del sistema dentro de la cámara de pruebas”.

Los resultados son cuidadosamente monitoreados y alimentados a los importantes modelos del Rover que tenemos en computadora, los cuales han sido desarrollados con el software NX de Siemens PLM Software.

"Una vez que logremos alcanzar un buen acuerdo con nuestros modelos matemáticos", dice Ávila, "nos sentimos muy positivos de que podemos simular cosas que no podemos probar en el terreno. A través de la simulación hacemos la magia térmica adecuada, la cual se convierte en nuestro modelo de análisis térmico.

"Estamos muy entusiasmados de poder contribuir con JPL mediante la implementación de la suite NX la solución de software CAD / CAM / CAE y Teamcenter en el proyecto del Mars Rover", dijo Jon Heidorn, vicepresidente de marketing de Siemens PLM Software Américas. "NX ayuda éxitosamente a JPL en crear la geometría y generar el modelo térmico, mientras que Teamcenter de manera eficiente captura y mantiene los datos del diseño. Esto permite una integración mucho más rápida de las nuevas características de diseño en su entorno CAE para actualizar los modelos y realizar el análisis de manera ágil”.

Este modelo se somete a una revisión continua, ya que el proyecto pasa de los estudios de diseño a la validación y pruebas y, eventualmente, a la propia misión. Ahora mismo se está usando para las operaciones de vuelo. También proporcionará conocimiento valioso que ha sido difícil de recabar para las misiones futuras.

Y Ahora, ¿Dónde puse la Hélice?

"Durante todo el desarrollo del programa de Marte", comenta Ávila, "desde tiempos del Mars Pathfinder a mediados de los 90, mostramos ciertas tecnologías y enfoques de diseño, los cuales luego de ser implementados, infundimos en la siguiente misión.

"El problema era que durante la mayor parte del tiempo, tuvimos un conjunto muy diverso de herramientas de modelado y administración de datos, principalmente en los archivos personales de las personas", continúa. "Necesitábamos una solución para revertir eso y debíamos encontrar un software que nos permitiera tener un ambiente a prueba de futuro para asegurar la continuidad en el desarrollo".

Debido a que algunos de los proyectos del equipo dependen en gran medida del consumo de datos de arriba hacia abajo, Ávila dice, "se hizo evidente que teníamos que ser muy cuidadosos sobre la forma en cómo se transfieren y se traducen los datos, así como el manejo de la configuración. Los errores se producen cuando la gente usa sus lápices en este ámbito. Con una arquitectura perfecta, con el respaldo de más interfaces de software a software, logramos tener un mejor control en la entrega y la recepción de los datos - con esto esperamos reducir al mínimo los posibles “imprevistos”.

Con el enfoque actual para el modelado de JPL, Avila explica," Hemos sido capaces de capturar toda la misión del MSL. Para misiones futuras, ahora somos capaces de obtener una gran cantidad de diseños o características del diseño: una hélice o un sistema particular de rechazo de calor. Tenemos todo eso ahora en una base de datos administrada, y eso es lo que realmente nos va a ayudar en términos de eficiencia, administración de la configuración y a retener el conocimiento para el futuro”.

¿Centralizado Suavemente?

Entonces, ¿eso significa que el software de JPL está completamente integrado ahora? "Me gustaría decir que sí", Allen expresa con una sonrisa. "La centralización es nuestra meta, pero siempre es un reto. Estamos bastante bien centralizados, especialmente en el ámbito mecánico.”

En cuanto a las herramientas de Siemens, para la actividad empresarial, JPL esta migrando del Teamcenter Enterprise al Teamcenter Unified Architecture, el cual se utiliza para la administración de datos de ingeniería mecánica de JPL.

"Pero aun así existen feudos diferentes dentro de nuestra organización los cuales utilizan herramientas diferentes por diversas razones ", explica Allen. "Puede ser una tarea especializada donde se necesita cierta herramienta especial. Y se vuelve un blanco en movimiento: Lo que fue mejor ayer quizás no sea lo mejor para hoy... "Afortunadamente JPL es muy eficaz para enfrentar y manejar entornos en constante cambio.

Nota: Este artículo fue previamente publicado por la revista Desktop Engineering en el mes de febrero.

El editor y colaborador Mark Clarkson es el experto de DE (Desktop Engineering) en visualización, animación por computadora y gráficos. Su libro más reciente se llama "Photoshop Elements by Example" Puedes contactarlo para saber más sobre este artículo en markclarkson.com.

PARA MAYOR INFORMACIÓN VISITE: Siemens.com / PLMmarsprogram.jpl.nasa. gov / msl /

Marte Imagen Marte Crédito de la Imagen: NASA / JPL-Caltech