Explorando nuevos esquemas autónomos en el control de sondas espaciales        

Por: Andy Tomaswick, Universe Today.

09 de abril de 2024

Concepción artística de la misión Lucy a los asteroides troyanos. Crédito de la imagen: NASA.

Las misiones a asteroides y cometas han ido aumentado recientemente, el interés de los científicos planetarios por explorar estos fósiles del Sistema Solar y buscar respuestas sobre los orígenes del sistema planetario sigue siendo tema de investigación. Las visitas de Rosetta, OSIRIS-REx y Hayabusa2 visitaron cuerpos pequeños y, en algunos casos, devolvieron muestras con éxito a la Tierra. Pero a medida que la humanidad comience a acercarse a los asteroides, se encontrará con un problema técnico importante: el ancho de banda.

Hay decenas de miles de asteroides en nuestra vecindad solar, algunos de los cuales podrían ser potencialmente peligrosos. Si lanzáramos una misión para recopilar los datos necesarios sobre cada uno de ellos, nuestra infraestructura de comunicación y control interplanetaria se vería rápidamente abrumada. Entonces, ¿por qué no dejar que nuestros embajadores robóticos lo hagan por sí mismos? Esa es la idea detrás de un nuevo artículo publicado en el Journal of Guidance, Control, and Dynamics y disponible en el servidor de preimpresión arXiv de investigadores de la Universidad Federal de São Paulo y el Instituto Nacional para la Investigación Espacial de Brasil.

El artículo se centra principalmente en el problema de control de qué hacer cuando una nave espacial se acerca a un nuevo asteroide. Las misiones actuales tardan meses en abordarse y requieren retroalimentación constante de los equipos terrestres para garantizar que la nave espacial comprenda los parámetros del asteroide al que se acerca, especialmente la constante gravitacional.

Algunas misiones han tenido más éxito que otras; por ejemplo, Philae, el módulo de aterrizaje que acompañaba a Rosetta, tuvo problemas cuando rebotó en la superficie del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Como señalaron los autores, parte de esa diferencia fue una enorme discrepancia entre la forma real del cometa y la forma observada que los telescopios habían visto antes de que Rosetta llegara allí.

Misiones aún más exitosas, como OSIRIS-REx, requieren meses de preparación para completar maniobras relativamente triviales en el contexto de millones de kilómetros que les lleva su viaje total. Por ejemplo, OSIRIS-REx tardó 20 días en realizar múltiples sobrevuelos a 7 km sobre la superficie del asteroide antes de que el control de su misión considerara seguro entrar en una órbita estable. Una de las limitaciones importantes que estaban analizando los controladores de la misión era si podían calcular con precisión la constante gravitacional del asteroide que estaban visitando. La gravedad es muy difícil de determinar desde lejos, y su error de cálculo provocó problemas con Philae. Entonces, ¿puede un esquema de control resolver todos estos problemas?

En pocas palabras, un esquema de control ágil y eficiente puede permitir que la nave espacial decida qué hacer cuando se acerque a su objetivo. Con un esquema de control bien definido, la probabilidad de que una nave espacial falle debido a alguna consecuencia imprevista es relativamente mínima. Podría reducir drásticamente el tiempo que las misiones dedican a la aproximación y limitar el ancho de banda de comunicación hacia el control de la misión en la Tierra.

Un esquema de este tipo también requeriría solo cuatro sensores relativamente ubicuos y económicos para funcionar de manera efectiva: un LiDAR (similar a los que se encuentran en los automóviles autónomos), dos cámaras ópticas para la percepción de profundidad y una unidad de medición inercial (IMU) que mide parámetros como la orientación, aceleración y campo magnético. El artículo dedica mucho tiempo a detallar las matemáticas complejas que entrarían en el esquema de control, algunas de las cuales implican cálculos estadísticos similares a los modelos de aprendizaje básicos. Los autores también realizan pruebas en dos posibles objetivos de asteroides de interés para ver cómo funcionaría el sistema.

Otra misión de demostración es la dirigida a Eros, el segundo asteroide más grande cerca de la Tierra. Tiene una forma única para un asteroide, ya que es relativamente alargado, lo que podría plantear un desafío apasionante para los sistemas automatizados como los descritos en el artículo. Controlar una nave espacial con el nuevo esquema de encuentro con Eros no tiene las mismas ventajas que un asteroide más tradicional como Bennu. Por ejemplo, tiene una necesidad de empuje y un consumo de combustible mucho mayor. Sin embargo, todavía acorta el tiempo de misión y el ancho de banda necesarios para operarlo.

Los sistemas autónomos son cada vez más populares en la Tierra y en el espacio. Artículos como este impulsan el pensamiento sobre lo que es posible. Supongamos que todo lo que se necesita para eliminar meses de arduo trabajo técnico manual es colocar algunos sensores e implementar un nuevo algoritmo de control. En ese caso, es probable que una de las diversas agencias y empresas que planean encontrarse en breve con un asteroide adopte ese plan.

Fuente:

https://phys.org/news/2024-04-asteroids-spacecraft.html