Falcon Heavy | Psyche

SpaceX apresta su carguero pesado, el cohete Falcon Heavy, para transportar el la sonda Psyche. A tal fin, el punto de partida previsto es el Complejo de Lanzamiento 39A (LC-39A) del Centro Espacial John F. Kennedy, en Florida, EEUU. Para ello, está programada la fecha del 13 de octubre de 2023 a las 14:19:43 UTC.

Misión Psyche

La misión Psyche busca estudiar el origen de los núcleos planetarios rocosos a partir de la exploración del asteroide Psyche situado en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter.

El objetivo de la NASA es estudiar el asteroide Psyche porque se deduce que es rico en metales y podría ser el núcleo de hierro expuesto de un protoplaneta, aunque solo es una teoría. Su estudio pretende resolver preguntas sobre el origen del sistema solar.

Para llegar hasta él, la sonda Psyche utilizará la asistencia gravitatoria de Marte.

La misión está prevista para una duración de 21 meses de ciencia y de cinco años y diez meses de viaje hasta alcanzar el asteroide y orbitarlo.

La Nave

Esta nave espacial ha sido construida por el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA en colaboración con Maxar (anteriormente Space Systems/Loral) y la Universidad Estatal de Arizona (ASU, siglas en inglés).

El cuerpo principal de la misma está basado en las plataformas de la serie 1300 de la compañía, típicamente utilizado para satélites que operarán en órbita geosincrónica ecuatorial (OGE). Sus medidas son 4,9×2,2×2,4 m y totaliza una masa de 2.747 kg. Cuenta con dos paneles solares cruciformes, que al desplegarse alcanzan una envergadura de ~25 m, con un ancho de 7,3 m.

Cabe destacar que basar la nave en tecnología optimizada para operar en OGE implicó modificaciones. Distintos componentes se ven afectados por la diferencia en el medio en que operarán. Esto se debe, por ejemplo, a que la intensidad lumínica solar será más baja orbitando 16 Psyche que la Tierra.

Ubicación de Componentes

Seguidamente, para ayudarte a visualizar mejor todo lo que mencionamos sobre la sonda Psyche, te presentamos distintas vistas en perspectiva con los componentes referenciados. Recuerda ampliar la imagen para ver con más detalle (lo puedes hacer con casi todas las que ofrecemos).

Propulsión

Al tratarse de una sonda que carece por completo de propulsión química, se dice que utiliza propulsión eléctrica solar. Es decir, sus paneles solares generan la energía para hacer funcionar los cuatro propulsores iónicos SPT-140. Funcionan por medio del efecto Hall, y utilizan gas xenón. Dicho de otro modo, campos electromagnéticos ionizan el gas y luego lo aceleran a velocidades en el orden de los 15.000 m/s.
Estos propulsores conforman el sistema principal, utilizando solamente uno de ellos por vez. Dadas sus características y las de la misión, deberán estar encendidos por semanas. Se espera que funcionen aproximadamente con estos parámetros:

• Empuje: 240 mN*
• Impulso específico: 1.700 s
• Potencia consumida: 0.9 kW

Este sistema, también propiedad de Maxar, debe proveer el empuje que llevará a la sonda hacia el espacio profundo. Contribuye, asimismo, en la orientación de la nave, aunque otro sistema se utilice principalmente a tal fin.

Propulsores Secundarios

Por otro lado, existe un sistema secundario de propulsión. Esto se debe a que, en determinados momentos, Psyche necesita llevar a cabo maniobras críticas, tanto en su tiempo de ejecución, como en su consumo de energía. Entonces, se proveyó a la nave con doce impulsores de gas frío que utilizan nitrógeno.

Sus parámetros de funcionamiento son:

• Empuje: 500 mN*
• Impulso específico: 70 s
• Presión de entrada: 2,4 MPa

Ejemplos específicos de su utilización incluyen la estabilización posteriormente a la separación del cohete, posicionarse para quedar correctamente ubicados respecto del sistema inercial de referencia, apuntar adecuadamete los paneles solares.

(*) La unidad mN se lee milinewton, y vale 0,001 N. Para referencia, 9.8 N equivalen a 1 kgf (kilogramo fuerza). 1 kgf puede entenderse como el peso (que es una fuerza) de un objeto que tiene una masa de 1 kg (kilogramo), cuando se lo pesa en la Tierra. A su vez, 1 kg contiene 1.000 g (gramo); similarmente con kgf y gf. Entonces, 240 mN = ~24,5 gf y 500 mN = ~50,9 gf.

Potencia Eléctrica

Como mencionamos, Psyche cuenta con dos paneles solares a cada lado de su cuerpo. Cada panel está subdividido en cinco paños idénticos. Estos, a su vez, se componen de 65 filas con 35 celdas solares cada una (excepto algunas de 34, debido a limitaciones de forma). Cada panel tiene la capacidad de rotar gracias a una articulación en el punto de conexión con la nave.

Este derivado del sistema EPS 2.0 de Maxar debe abastecer todas las necesidades energéticas de la nave. Para ello, los paneles producirán entre 2,3 kW y 3,4 kW cuando se encuentren en órbita psiqueana. Dado que, por momentos, los requerimientos eléctricos sobrepasen a la energía producida, utiliza una batería.

Ésta almacena unos 7,2 kW h, que la electrónica de potencia debe encargarse de administrar convenientemente. Otro caso más obvio de utilización de la batería se da cuando Psyche se encuentre en la sombra.

Guiado, Navegación y Control

Mediante rastreadores de estrellas la sonda puede determinar cómo está orientada. Esencialmente, mirando donde están distintas estrellas de referencia se sabe hacia dónde apunta la nave. Por otro lado, giróscopos láser de anillo serán los encargados de medir cualquier rotación del aparato. Esto lo logran gracias medir con mucha precisión la diferencia en tiempo que le toma a dos haces de luz láser recorer simultáneamente el mismo camino, pero en sentidos opuestos.

Pasando al control, primariamente se utilizan cuatro ruedas de reacción dispuestas en forma piramidal. Éstas deben funcionar en todo momento que se lo requiera, incluso con los motores iónicos encendidos. De hecho, estos últimos descargan el momento angular acumulado por las ruedas. Adicionalmente, en ocasiones en particular, entran en juego los impulsores de gas frío.

Este sistema es de vital importancia, ya que permite mantener los paneles solares correctamente apuntados, como también el vector de empuje. En todos los casos, estas operaciones son procesadas por la computadora de vuelo, que trabaja con software desarrollado por el JPL. Por último, este sistema es un esfuerzo conjunto entre dicha institución y Maxar.

Otros Sistemas

Telecomunicaciones: para contactarse con la Tierra, la nave usa la antena de alta ganancia instalada en su cara superior (+Z). Ésta es la que permite la mayor velocidad de transferencia. Sin embargo, Psyche cuenta con otras tres antenas, pero de baja ganancia.

Gestión térmica: se utilizan calefactores para mantener la temperatura adecuada de operación de diferentes elementos. Asimismo, se colocaron radiadores pasivos en las caras -Y y +Y de la nave, a fin de eliminar excesos de calor. La demostración tecnológica DSOC requirió aislación especial en determinados puntos, dada la baja temperatura requerida por algunos componentes.

Instrumentos

La sonda Psyche cuenta con una carga útil de 30 kg formada principalmente por cuatro instrumentos.

– Generador de imágenes multiespectrales: mediante dos cámaras idénticas proporciona imágenes de alta resolución utilizando filtros que permiten diferenciar entre componentes metálicos y de silicato. También brindará información para la navegación óptica, especialmente en cercanías del asteroide.
– Espectómetro de rayos gamma y neutrones: analiza y mapea la composición elemental del asteroide y estudia su superficie.
– Magnetómetro: mide y mapea el campo magnético del asteroide.
– Investigación de la Ciencia de la Gravedad en la Banda X: usa el sistema de radio telecomunicaciones en la banda X (microondas) para medir el campo gravitatorio del asteroide y deducir su estructura interior.

Además, la misión Psyche también servirá como demostración de tecnología, concretamente, experimentando con las comunicaciones ópticas en el espacio profundo, conocido como DSOC (Deep Space Optical Communications, en inglés). Se enviarán y recibirán datos desde la Tierra a través del laser de un laser de infrarrojos capaz de transmitir datos con un ancho de banda de 10 a 100 veces mayor que los sistemas de onda de radio convencionales.

Asteroide Psyche

El asteroide 16 Psyche (que en castellano es Psique) se encuentra en el cinturón de asteroides situado entre Marte y Júpiter y fue descubierto por Annibale de Gasparis (Italia) el 17 de marzo de 1852.

Se ha calculado que su diámetro es de 210 km y compuesto por hierro y níquel, a diferencia de la gran mayoría de asteroides, formados por roca y hielo.

La distancia media de la órbita respecto al Sol es de 2.923 ua (1 ua = 150 millones de km) y su periodo orbital es de 1.825 días.

El Lanzamiento

Para realizar la misión Psyche se utiliza el cohete más poderoso de SpaceX (hasta el momento), un Falcon Heavy.

Perfil de Vuelo

El cohete se lanza desde Florida, como indicamos anteriormente . Con el lanzador ya en dirección al plano orbital buscado, los propulsores laterales se separan. Aquí, con el Falcon Heavy, la subdivisión del cohete es más compleja que en el caso del Falcon 9.

Por otro lado, luego de la separación de los propulsores laterales, podría considerarse que un Falcon 9 continúa «entero» y en ascenso. Como dijimos, estas etapas continúan llevando la carga hacia su punto de despliegue, pero con anterioridad se separa la etapa central de la segunda etapa.

En una operatoria que SpaceX ha realizados algunas veces recientemente, se deja caer intencionalmente la central hasta estrellarse contra el mar. Paralelamente, los propulsores laterales realizan tres encendidos más: retorno, entrada y aterrizaje. De este modo se posan en tierra, en las zonas destinadas a ello (LZ-1 y LZ-2), que se hallan a unos 14 km de donde despegaron.

Prosigue el ascenso la segunda etapa, que un tiempo más tarde debe eyectar las cofias. Una vez finalizadas las maniobras para posicionarse correctamente con varios encendidos, el satélite se suelta en una órbita inicial. Éste luego ascenderá hasta la OGE por sus propios medios. Por otro lado, la segunda etapa queda en órbita.

Línea Temporal

[h:min:s] [Evento]
Los tiempos son aproximados y pueden variar
-00:53:00 Dir. de lanzamiento de SpaceX, verificación «go»: carga de propelentes.
-00:50:00 Inicio carga de RP-1, 1.ª etapa y laterales.
-00:45:00 Inicio carga de LOx, 1.ª etapa y laterales.
-00:35:00 Inicio carga de RP-1, 2.ª etapa.
-00:18:30 Inicio carga de LOx, 2.ª etapa.
-00:07:00 Inicio refrigeración de motores prelanzamiento.
-00:00:59 Comp. de comando de vuelo, inicio chequeos finales prelanzamiento.
-00:00:45 Dir. de lanzamiento de SpaceX, verificación «go»: lanzamiento.
-00:00:20 Inicio presurización, tanques de propelente a presión de vuelo.
-00:00:06 Controlador de motores, inicio secuencia de ignición de motores.
 00:00:00 ¡Despegue del Falcon Heavy!
+0:01:09 Max Q (momento de máxima tensión mecánica en el cohete).
+0:02:25 Corte motor principal, propulsores laterales (BECO).
+0:02:28 Separación, propulsores laterales.
+0:02:40 Inicio, encendido de retorno, propulsores laterales.
+0:03:51 Fin, encendido de retorno, propulsores laterales.
+0:03:55 Corte motor principal, 1.ª etapa (MECO).
+0:03:59 Separación 1.ª y 2.ª etapas.
+0:04:04 Encendido #1 motor, 2.ª etapa (SES-1).
+0:04:24 Eyección de cofias.
+0:06:47 Inicio, encendido de entrada, propulsores laterales.
+0:07:04 Fin, encendido de entrada, propulsores laterales.
+0:08:00 Inicio, encendido de aterrizaje, propulsores laterales.
+0:08:17 Aterrizaje, propulsores laterales.
+0:08:26 Corte #1 motor, 2.ª etapa (SECO-1).
+0:54:00 Encendido #2 motor, 2.ª etapa (SES-2).
+0:56:12 Corte #2 motor, 2.ª etapa (SECO-2).
+1:02:24 Despliegue de Psyche.

Falcon Heavy

SpaceX cuenta con un vehículo de lanzamiento de carga pesada: el Falcon Heavy. En gran medida, este vehículo está conformado por tres primeras etapas de Falcon 9. Si bien existen diferencias entre un vehículo y el otro, son mínimas.

Éstas tienen que ver con el mecanismo, o estructura, que mantiene unido los tres «núcleos» (así los denomina SpaceX; «cores», en inglés). Asimismo, existe un sistema de entrecruzamiento en la alimentación de propelente, de forma que el «núcleo» central pueda utilizar los tanques de los laterales.

Te dejamos el enlace a la ficha técnica del Falcon Heavy, para que puedas aprender más sobre el mismo.

B1079, B1064 y B1065

El primero de estos «boosters» es el central y realiza su primer y único vuelo. Los otros dos son los laterales, que realizan su cuarto vuelo ambos. Por lo tanto, sus denominaciones completas son: B1079-1, B1064-4 y B1064-4. De los dos últimos podemos decir que no tendrán interetapa, sino un cono de nariz, y serán recuperados en esta misión.

Con anterioridad, estos propulsores laterales fueron utilizados en dos misiones que listamos seguidamente:

B1064-4 y B1065-4

1. USSF-44
2. USSF-67
3. Echostar-24

Flota de Recuperación

La embarcación Bob será la encargada de recuperar las cofias que se posarán sobre la superficie del mar.