Articulo de referencia

Proyecto Morfeo

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El Proyecto Morpheus fue un proyecto de la NASA que comenzó en 2010 para desarrollar un vehículo de prueba de despegue y aterrizaje vertical ( VTVL ) llamado Morpheus Lander . Su objetivo es demostrar un nuevo sistema de propulsión para naves espaciales no tóxico (metano y oxígeno) y una tecnología de aterrizaje autónomo y detección de peligros. El prototipo de módulo de aterrizaje planetario es capaz de volar de forma autónoma, incluyendo despegues y aterrizajes verticales. Los vehículos son módulos de aterrizaje robóticos diseñados por la NASA que podrán aterrizar y despegar con 500 kg de carga en la Luna . [ 7 ] La ​​perspectiva es un motor que funcione de manera confiable con propulsores que no solo son más baratos y seguros aquí en la Tierra, sino que también podrían fabricarse potencialmente en la Luna y Marte . [ 8 ] [ 9 ] (Véase: Utilización de recursos in situ ).

El prototipo de módulo de aterrizaje Alpha fue fabricado y ensamblado en el Centro Espacial Johnson (JSC) de la NASA y en las instalaciones de Armadillo Aerospace cerca de Dallas. [ 7 ] El prototipo de módulo de aterrizaje es una "nave espacial" de aproximadamente 3,7 m (12 pies ) de diámetro, pesa aproximadamente 1100 kg (2400 lb) y consta de cuatro tanques esféricos plateados de propulsor cubiertos por cajas de aviónica y una red de cables. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]    

El proyecto está probando prácticas de ingeniería de "desarrollo lean" que ahorran costos y tiempo. Otras actividades del proyecto incluyen operaciones terrestres apropiadas, operaciones de vuelo, seguridad del campo de tiro y la instauración de procedimientos de desarrollo de software. También se construyeron plataformas de aterrizaje y centros de control. [ 7 ] Desde el inicio del proyecto en julio de 2010, se gastaron alrededor de $14 millones en materiales en los siguientes 4 años; por lo que el proyecto Morpheus se considera lean y de bajo costo para la NASA. [ 11 ] [ 13 ] En 2012 el proyecto empleó a 25 miembros del equipo de tiempo completo, [ 14 ] y 60 estudiantes. [ 15 ] [ 16 ] En cualquier momento, un promedio de 40 personas trabajaban en el proyecto. [ 2 ] El proyecto Morpheus diseñó y utilizó procesos y prácticas optimizados. [ 17 ] El último vuelo del Morpheus Lander fue en diciembre de 2014. Como no había fondos para más vuelos, el módulo de aterrizaje fue devuelto al JSC en febrero de 2015. [ 18 ] El proyecto produjo seis documentos formales. Al final de la revisión del proyecto el 12 de marzo de 2015, se estimó que se habían ahorrado 50 millones de dólares gracias a los métodos de desarrollo lean, la minimización de la documentación y la compra de piezas a Home Depot , MSC Industrial Direct y WW Grainger . [ 2 ]

Módulo de aterrizaje Morpheus en posición de lanzamiento

Historia

El Proyecto Morpheus comenzó en julio de 2010 y recibió su nombre de Morfeo , el dios griego de los sueños. [ 19 ] La nave espacial Morpheus se derivó del módulo de aterrizaje experimental producido por el Proyecto M con la asistencia de Armadillo Aerospace . El Proyecto M (NASA) fue una iniciativa de la NASA para diseñar, desarrollar y aterrizar un robot humanoide en la superficie lunar en 1000 días. [ 20 ] El trabajo en algunos de los sistemas del módulo de aterrizaje comenzó en 2006, cuando el programa Constellation de la NASA planeó un regreso humano a la Luna. [ 11 ]

En el mismo año 2006, Armadillo Aerospace presentó el primer módulo de aterrizaje del cohete Pixel en el Lunar Lander Challenge, parte de los Centennial Challenges de la NASA . [ 21 ]

El vehículo de prueba Morpheus #1 Unidad A fue encendido por primera vez el 15 de abril de 2011. [ 22 ]

El nuevo motor de Morpheus, de 4200 libras de fuerza (19 000 N) [ 23 ], permitió a la NASA realizar vuelos de mayor duración al elevar más propelente al aire. El motor se actualizó nuevamente en 2013 a 5000 lbf (22 000 N), alcanzando finalmente los 5400 lbf (24 000 N) . [ 4 ] [ 24 ] Un nuevo diseño del tren de aterrizaje formó parte de las modificaciones mecánicas. La NASA también reemplazó la aviónica, incluyendo la distribución y el almacenamiento de energía, la instrumentación, la computadora de vuelo, las comunicaciones y el software. El sistema de aterrizaje mejorado permite a Morpheus, a diferencia de los Pixel, despegar, volar y aterrizar sin la ayuda de un piloto. [ 25 ]     

A efectos de seguridad en el campo de tiro, el prototipo Morpheus#1 se clasifica como cohete suborbital reutilizable guiado. [ 26 ] : p. 11

En julio de 2012, el prototipo del módulo de aterrizaje fue enviado al Centro Espacial Kennedy para realizar pruebas de vuelo libre y se invitó a los medios de comunicación a ver el módulo de aterrizaje Morpheus. [ 27 ] El 9 de agosto de 2012, el prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus n.° 1, unidad A (Alpha), se estrelló durante el despegue, mientras realizaba su segundo vuelo sin ataduras en el Centro Espacial Kennedy. No hubo heridos ni daños materiales, pero el vehículo quedó dañado irreparablemente. El proyecto investigó la causa y continuó construyendo la unidad B. [ 28 ] En la segunda mitad de 2012, los equipos del Proyecto Morpheus y ALHAT se fusionaron. [ 6 ]

El 7 de febrero de 2013, el equipo del Proyecto Morpheus publicó en su blog que habían construido los vehículos Morpheus 1.5B y 1.5C. Los vehículos se sometieron a una serie de pruebas estáticas de encendido y pruebas dinámicas de vuelo con amarre en el Centro Espacial Johnson en la primavera de 2013, como preparación para volver a las pruebas de vuelo libre en el Centro Espacial Kennedy ese mismo año. [ 6 ] [ 29 ]

Proyecto Morpheus: Pruebas del motor principal de cohete HD4 de la NASA en el Centro Espacial Stennis de la NASA [ 30 ]
Cámara de combustión para el Proyecto Morpheus, diseñada por estudiantes de la Universidad de Purdue, que está siendo probada en los laboratorios Zucrow de Purdue.

El 1 de mayo de 2013, el banco de pruebas de reemplazo Morpheus #1.5 Unidad B fue encendido en caliente en el Centro Espacial Johnson. Las mejoras del reemplazo incluyen un motor principal de empuje de 5400 libras-fuerza (24 000 N) y un sistema de control de reacción de oxígeno/metano (RCS) integrado, lo que lo convierte en el primer vehículo de oxígeno/metano con motores principal y RCS que extraen propulsor de los mismos tanques y el primer vehículo en usar un RCS criogénico. [ 4 ] [ 24 ] El 14 de junio de 2013, se demostró la reutilización rápida al realizar dos vuelos con el mismo módulo de aterrizaje el mismo día. [ 31 ] En julio de 2013, el equipo ALHAT se integró y se probó con el módulo de aterrizaje. [ 32 ] El 26 de septiembre de 2013, los vehículos realizaron 20 encendidos cortos de motor en una variedad de condiciones mientras estaban sujetos al suelo. [ 33 ] 

En noviembre de 2013, el módulo de aterrizaje Bravo fue llevado al Centro Espacial Kennedy (KSC), Florida, para realizar pruebas de vuelo libre. [ 34 ] [ 35 ] Se compraron piezas por valor de 750 000 dólares para fabricar el módulo de aterrizaje de reemplazo. El KSC limitó las vibraciones y el ruido del módulo de aterrizaje durante el despegue mediante el diseño de una plataforma de lanzamiento móvil con una fosa de contención de llamas incorporada. [ 16 ]

El vuelo libre 9, realizado el 11 de marzo de 2014, fue el último vuelo antes de la integración de los sensores ALHAT en el vehículo Bravo. [ 36 ] El vuelo libre 14, realizado el 28 de mayo de 2014, se llevó a cabo de noche con el ALHAT como sistema de guiado principal. Los peligros en el campo de peligro se evitaron automáticamente. [ 37 ]

En mayo de 2014, el Proyecto Morpheus formó parte del material de referencia para la iniciativa Lunar CATALYST de la NASA . [ 38 ]

En 2013 se publicó un artículo que revelaba las lecciones aprendidas durante el desarrollo, que pueden ser útiles para proyectos futuros. [ 39 ] En 2014 se publicó un artículo que describía la campaña de pruebas integrada, incluidos los vuelos gratuitos. [ 40 ]

Un artículo que ofrece una breve historia del proyecto se publicó en RocketSTEM el 11 de julio de 2014. [ 41 ]

En noviembre de 2014, el módulo de aterrizaje Morpheus fue equipado con sensores ALHAT adicionales. La nueva óptica permite que el lidar Doppler de navegación mida con precisión la velocidad del vehículo con respecto al suelo. [ 42 ]

Objetivos

Los objetivos principales del proyecto Morpheus eran demostrar:

  • el rendimiento del sistema integrado del sistema autónomo de Guía, Navegación y Control (GN&C),
  • sensores para evitar peligros del terreno,
  • el acoplamiento de los sensores con el GN&C,
  • la utilización de un sistema integrado de propulsión de oxígeno líquido y metano líquido para el motor principal/RCS . [ 3 ] [ 43 ] [Nota a]

En concreto, el proyecto Morpheus y el proyecto de Tecnología Autónoma para la Evitación de Peligros en el Aterrizaje (ALHAT) proporcionan las bases tecnológicas para los componentes clave necesarios para transportar humanos más allá de la órbita terrestre baja . [ 7 ]

El banco de pruebas puede equiparse opcionalmente con una carga de hasta 1000 lb, lo que permite la instalación del equipo de Tecnología Autónoma de Aterrizaje para Evitar Peligros (ALHAT) de 400 lb, que permite aterrizajes sin interacción del operador. [ 10 ] [ 44 ] ALHAT permite que el módulo de aterrizaje vuele a una ubicación específica con alta precisión y evite automáticamente peligros, incluyendo pendientes mayores de 5 grados y rocas de más de 30  cm de altura. [ 45 ]

En junio de 2013, el equipo comentó sobre el potencial de ampliar el  módulo de aterrizaje de carga útil de 500 kg a uno capaz de aterrizar un módulo habitable con una tripulación en lugares como la Luna. [ 46 ]

Especificaciones de hardware

El vehículo del Proyecto Morpheus, denominado «Morpheus», es un vehículo a escala real que la NASA pretende que sea capaz de aterrizar el Robonaut o una carga útil de tamaño similar en la superficie lunar. La nave espacial realizará todas las maniobras de propulsión después de la inyección translunar. [ 7 ] [ 51 ]

La navegación es completamente autónoma desde la órbita lunar hasta el aterrizaje. Las actualizaciones de navegación provienen de la altimetría láser TRN y de los rastreadores de estrellas después de la maniobra de desorbitación. La navegación en el espacio profundo se basa en sistemas radiométricos y rastreadores de estrellas. [ 52 ]

Para ahorrar dinero y tiempo, los prototipos de los módulos de aterrizaje Morpheus son prototipos de "cadena única", lo que significa que, a diferencia de una nave espacial diseñada para vuelos espaciales reales, no cuentan con sistemas redundantes. Las excepciones se indican a continuación. [ 14 ]

Morfeo #1.5 Unidad A
  • El motor quema los propelentes ecológicos metano y oxígeno, [ 3 ] presurizados por helio [ 7 ].
  • El motor Morpheus HD4 producía un empuje de 4200 libras-fuerza (19 000 N) [ 23 ] compatible con la etapa de ascenso Altair [ 43 ] (posteriormente mejorado para las Unidades B y C, ver más abajo). 
  • El motor tiene un impulso específico máximo (Isp) durante el vuelo espacial de 321 segundos. [ 5 ]
  • El motor criogénico alimentado a presión admite una regulación de estrangulamiento de 4:1 y utiliza un diseño de inyector de elemento de impacto. [ 4 ]
  • El motor está montado sobre cardán mediante dos actuadores electromecánicos (EMA) ortogonales para proporcionar control vectorial de empuje de la traslación lateral y de las actitudes de cabeceo y guiñada. [ 5 ]
  • Tiene cuatro tanques de 48 pulgadas (1200 mm) de diámetro, 2 para metano líquido y 2 para oxígeno líquido, capaces de contener aproximadamente 2900 kg (6400 lb) de propulsor [ 3 ].    
  • La masa seca aproximada es de 2400 lb (1100 kg) . [ 10 ]  
  • Tamaño aproximado 12 pies x 12 pies x 12 pies ( 3,7 m x 3,7 m x 3,7 m ). [ 12 ]

Se pueden enviar comandos mediante radios de ultra alta frecuencia (UHF) independientes al sistema de terminación de empuje (TTS). El uso del TTS por parte del personal de seguridad del campo de tiro cerrará dos válvulas motorizadas que cortan el flujo de oxígeno líquido y metano al motor, terminando así el empuje del motor. Estas válvulas del TTS son completamente independientes del resto de los sistemas del vehículo. El TTS también impide que el láser del sistema de detección de peligros del ALHAT se dispare, ya que los láseres de tipo IV no son seguros para la vista. [ 5 ] [ 57 ]

Para obtener más detalles, consulte el artículo "Morpheus: Tecnologías avanzadas para la exploración humana". [ 5 ]

Morfeo #1.5 Unidad B
El motor principal del módulo de aterrizaje Morpheus sobre la mini Trinchera de Llamas en el Centro Espacial Johnson de la NASA.

El prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus #1 Unidad B utiliza el mismo diseño que el prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus #1.5 Unidad A con los siguientes cambios: [ 14 ]

  • Se añadieron sistemas de respaldo para la Unidad de Medición Inercial [ 14 ].
  • 70 mejoras diferentes en los sistemas del vehículo y de tierra para abordar posibles factores que contribuyeron al fallo de la prueba, y también para mejorar la operatividad y el mantenimiento. [ 24 ] Estas incluyen:
    • capacidad avanzada de rendimiento del motor,
    • protocolos de comunicación mejorados,
    • instrumentación redundante cuando sea apropiado,
    • mayores márgenes estructurales,
    • y entornos vibroacústicos de lanzamiento mitigados. [ 24 ]
  • Los motores HD4 y HD5 Morpheus mejorados producen un empuje de 5400 libras-fuerza (24 000 N) . [ 4 ] : pág. 4 
  • El proyecto estima que el nuevo motor podría elevar la etapa de ascenso de un módulo de aterrizaje tripulado con 3-4 personas a la órbita lunar [ 58 ].
  • Los conectores fueron reemplazados por versiones con especificaciones militares. [ 59 ]
  • Reutilización rápida, que permite múltiples vuelos en un día. [ 31 ]
  • El módulo de aterrizaje puede soportar vientos de aproximadamente 10 millas por hora (16 km/h) . [ 60 ] 
  • Para reducir los problemas de lanzamiento vibroacústicos durante las pruebas de amarre, el módulo de aterrizaje se elevó 4,6 metros (15 pies ) sobre el suelo y se utilizó un cordón ligero que se funde para sujetarlo. [ 40 ] : pág. 4 
  • La unidad B también se denomina vehículo Bravo. [ 29 ]
Morfeo #1.5 Unidad C

El prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus #1 Unidad C utiliza el mismo diseño que el prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus #1.5 Unidad A con los siguientes cambios: [ 14 ]

  • Mejoras como en la Unidad B anterior. Este vehículo nunca voló. [ 14 ]

Tecnología de evitación de peligros en el aterrizaje autónomo

El equipo opcional de Tecnología Autónoma de Evitación de Peligros en el Aterrizaje (ALHAT) permite aterrizajes sin interacción del operador. [ 44 ] ALHAT permite que el módulo de aterrizaje vuele a una ubicación específica con alta precisión y evite automáticamente peligros, incluyendo pendientes mayores de 5 grados y rocas de más de 30  cm de altura. [ 45 ] Los sensores activos incluyen un LIDAR de flash , un velocímetro Doppler lidar y un altímetro láser. [ 49 ] [ 61 ]

Software

La sala de control de Morpheus se prepara para lanzar el módulo de aterrizaje.

La filosofía de desarrollo ágil del proyecto Morpheus dio como resultado el uso de una combinación de software nuevo y previamente existente. El software se utiliza en:

  • el banco de pruebas vertical (aterrizador). [ 62 ] El software de vuelo principal (CFS) desarrollado por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA se ha mejorado con software de aplicaciones específicas y aplicaciones de E/S y sensores personalizados.
  • desarrollo de hardware. [ 63 ] Incluyendo el uso del paquete OVERFLOW (y pruebas en túnel de viento).
  • el entorno terrestre, incluido el control de la misión. [ 64 ] Mission Control Technologies se ha utilizado para mostrar las presiones del tanque de propulsor y otros parámetros durante el disparo de prueba. [ 65 ]
  • el sistema ALHAT . [ 66 ]
  • Simulación de vuelo, tanto fuera de línea como conectada al hardware de vuelo. [ 67 ] Los paquetes utilizados incluyen JSC Trick Simulation Environment, el paquete JSC Engineering Orbital Dynamics (JEOD) y el paquete de modelos genéricos JSC Valkyrie. Los parámetros se han ajustado para reflejar el hardware de vuelo de Morpheus, como los actuadores y los datos obtenidos de los vuelos de prueba con cable.
  • El paquete Microsoft SharePoint fue utilizado por los ingenieros y gerentes para planificar, compartir documentos y proporcionar un método de control de cambios de configuración. [ 68 ]
  • Los documentos se escribían frecuentemente utilizando Microsoft Office. [ 68 ]

Pruebas en banco de pruebas

Zona de peligro al final de la pista del transbordador espacial en el Centro Espacial Kennedy.
2011

A partir de abril de 2011, el objetivo principal del banco de pruebas es demostrar un sistema integrado de propulsión y guiado, navegación y control ( GN&C ) basado en inercia que pueda volar un perfil de descenso lunar, poniendo a prueba la tecnología de aterrizaje autónomo y evitación de peligros (ALHAT), los sensores de aterrizaje seguro y el sistema de control de vuelo de bucle cerrado. [ 43 ]

Los objetivos adicionales incluyen demostraciones tecnológicas como materiales y fabricación de tanques, propulsores de control de reacción, mejoras en el rendimiento del motor principal, sistemas de presurización de helio, operaciones en tierra, operaciones de vuelo, seguridad del alcance, software y arquitectura de aviónica. [ 7 ]

El Complejo de Vuelo de Pruebas Verticales (VTB) del JSC ha estado utilizando con éxito el software Mission Control Technologies (MCT), desarrollado en el Centro Ames de la NASA, para controlar los vuelos de prueba del módulo de aterrizaje Morpheus. Entre los parámetros mostrados se incluyen las presiones de los tanques de propulsor. [ 69 ]

Se diseñó un conjunto de vuelos de prueba integrados para el vehículo Morpheus, que incluían pruebas de encendido de motores, pruebas de vuelo estacionario con sujeción y "vuelos libres" sin sujeción. [ 5 ]

Para proporcionar espacio libre para la columna de escape del vehículo durante las pruebas de encendido, el módulo de aterrizaje se sujetó con un cable a 6,1 m (20 pies) del suelo. Se utilizó una altura de 4,6 m (15 pies) para las pruebas con el cable. [ 40 ] : pág. 4  

Las pruebas, los resultados de las pruebas y las modificaciones de los equipos realizadas durante 2011, hasta la Prueba con Cable 6 inclusive, se publicaron en las actas de la conferencia IEEE Aerospace Conference de 2012 en Big Sky, MT [ 70 ].

2012

Se han publicado vídeos de los vuelos de prueba en el canal Morpheus Lander de YouTube. Esto incluye los vuelos de prueba de regresión de 2012 con el motor V1.5 más potente mientras el módulo de aterrizaje estaba sujeto, y el problemático vuelo de prueba inicial que muestra "Por esto hacemos pruebas". [ 71 ]

El 10 de mayo de 2012, el banco de pruebas superó sus pruebas de vuelo estacionario y aborto suave, mostradas en el video "Morpheus Tether Test 15". [ 71 ] El módulo de aterrizaje fue devuelto al taller para que se le instalara el equipo ALHAT. También se instalaron los propulsores del Sistema de Control de Reacción (RCS). [ 72 ] [ 73 ]

Durante el verano de 2012, la Unidad A del módulo de aterrizaje Morpheus V1.5 fue trasladada al Centro Espacial Kennedy en Florida para realizar pruebas de vuelo sin ataduras. Además, se construyó un "campo de peligro" con obstáculos como rocas y cráteres al final de la pista del transbordador espacial para probar que el sistema ALHAT puede navegar automáticamente hacia un lugar de aterrizaje seguro. [ 74 ] Como se puede apreciar en la fotografía, los amplios espacios abiertos del Centro Espacial Kennedy permiten que toda la trayectoria de vuelo, incluyendo la pista y el campo de peligro, esté rodeada por un cortafuegos que consiste en un foso lleno de agua.

El campo de peligro de 330 por 330 pies (100 por 100 m) incluía cinco posibles plataformas de aterrizaje, 311 montones de rocas y 24 cráteres que imitan un área del polo sur de la Luna. [ 11 ]  

El 20 de julio de 2012, en el 43.º aniversario del alunizaje del Apolo 11, el vehículo de prueba Morpheus llegó al Centro Espacial Kennedy (KSC) para realizar pruebas avanzadas. La versión de alto rendimiento HD5 del motor Morpheus se probó en el Centro Espacial Stennis durante el verano de 2012. Las pruebas y la construcción del campo de pruebas fueron financiadas por el Programa de Sistemas de Exploración Avanzada (AES) de la NASA. [ 53 ]

2013

Durante el otoño de 2012 y principios de 2013, se realizaron pruebas de encendido de un motor cohete de metano/LOX Morpheus de cuarta y quinta generación en el Centro Espacial Stennis . Una prueba de encendido exitosa de larga duración duró 123 segundos. Otras pruebas verificaron las capacidades y los niveles de aceleración. [ 6 ]

El equipo ALHAT se probó utilizando un helicóptero en el campo de peligro del KSC. Se realizaron múltiples vuelos utilizando trayectorias similares a las de Morpheus, que debían tener en cuenta la dirección del viento. [ 6 ]

Los tanques de combustible del módulo de aterrizaje fueron sometidos a una serie de inspecciones y pruebas, incluyendo la verificación de soldaduras para detectar defectos y ciclos de presión para establecer una vida útil mínima esperada. La capacidad de presión máxima se verificó presurizando un tanque de prueba hasta que estalló. [ 6 ]

El equipo de Morpheus prepara el módulo de aterrizaje Bravo para un vuelo de prueba.

El 1 de mayo de 2013, en el JSC, se encendió durante 50 segundos el banco de pruebas Morpheus de la Unidad B, que estaba completamente sujeto. También se encendieron el sistema integrado de control de reacción de metano (RCS) y los propulsores de control de vector de empuje (TVC). Se habían incorporado numerosas mejoras a los sistemas del vehículo y de tierra. [ 24 ]

El 16 de mayo de 2013, en JSC, se activó el banco de pruebas mientras estaba sujeto al suelo, y posteriormente se sujetó a 0,91 m ( 3 pies ) del suelo, seguido de algunas pruebas del sistema de control de reacción. Se reparó una pequeña fuga, lo que permitió que las pruebas de los efectos de la vibración fueran mínimas. Como preparación para las pruebas, se pavimentó el cortafuegos alrededor del área de prueba y se excavó una pequeña zanja de contención de llamas. [ 50 ] [ 75 ]  

El 24 de mayo de 2013, en el JSC, el banco de pruebas V1.5B estaba sujeto con un cable alto. El encendido y el ascenso fueron correctos. Un aborto suave interrumpió el vuelo cuando el vehículo superó un límite interno preestablecido mientras intentaba estabilizarse. [ 58 ]

El 6 de junio de 2013, en el JSC, durante la Prueba de Atado 22, un banco de pruebas atado voló con éxito durante 74 segundos. El vuelo estacionario duró 60 segundos y fue suave. [ 76 ] Se utilizó la IMU principal. [ 77 ]

El 11 de junio de 2013, en una prueba con cable en el JSC, la Unidad de Medición Inercial (IMU) de respaldo superó su prueba de vuelo. El vuelo duró 27 segundos, incluyendo 17 segundos de vuelo estacionario. [ 77 ]

El 14 de junio de 2013 se realizaron dos vuelos con el vehículo sujeto. El primer encendido se interrumpió de forma controlada cuando el vehículo superó su zona de seguridad debido a un desequilibrio en la carga de combustible. El segundo encendido fue exitoso. Esto se considera un reinicio del motor. Durante el segundo vuelo, el vehículo cambió con éxito de su Unidad de Medición Inercial (IMU) principal a la IMU secundaria. [ 31 ]

El 2 de julio de 2013 se realizaron pruebas de integración con un ALHAT acoplado al módulo de aterrizaje Morpheus. Estas pruebas incluyeron pruebas de inclinación en las que las patas del módulo de aterrizaje se elevaron sobre bloques de diferentes alturas para que la orientación no fuera vertical. [ 78 ]

El 11 de julio de 2013 se realizó la primera prueba de vuelo con cable del vehículo Morpheus "Bravo", equipado con sensores láser ALHAT (Tecnología Autónoma de Aterrizaje y Evitación de Peligros) integrados en la parte superior. En el segundo intento se produjo un buen encendido, pero durante el ascenso el vehículo se desplazó hacia la izquierda y superó el límite de seguridad de alcance establecido internamente (+/−4  m) para las pruebas con cable, lo que activó un aborto suave automático. [ 32 ]

El 23 de julio de 2013, se realizó con éxito la Prueba de Atado 26. El módulo de aterrizaje y el ALHAT volaron y se mantuvieron en vuelo estacionario a dos alturas diferentes. Se utilizaron tanto el RCS principal (metano/LOX) como el RCS de reserva (He), logrando un "aterrizaje" exitoso al final del cable. La excursión lateral máxima fue de tan solo ~0,2  m. El seguimiento y la obtención de imágenes del ALHAT fueron nominales, logrando identificar el objetivo peligroso. [ 48 ]

El 27 de julio de 2013, la prueba combinada Morpheus/ALHAT Tethered Test 27 tuvo éxito. El módulo de aterrizaje despegó, realizó imágenes con ALHAT y luego una traslación lateral. [ 79 ]

El 7 de agosto de 2013, se realizó con éxito la Prueba de Vuelo Atado 28. En un vuelo de aproximadamente 80 segundos, el vehículo activó el motor, ascendió, realizó una traslación lateral de 3 metros sobre suelo marciano simulado, se mantuvo en vuelo estacionario durante 40 segundos en el ápice y descendió en ángulo hasta el aterrizaje utilizando guiado de vuelo libre. El suelo marciano simulado fue proporcionado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) como parte de un estudio de la columna de humo. [ 80 ]

El 23 de agosto de 2013, el módulo de aterrizaje Bravo realizó con éxito la Prueba de Atado 29 en el JSC. Durante el vuelo de aproximadamente 50 segundos, las acciones de Bravo incluyeron el encendido, el ascenso y una traslación lateral de 3 metros. Hubo un vuelo estacionario de 10 segundos en el ápice y un descenso inclinado hasta el aterrizaje en la grúa utilizando guiado de vuelo libre. [ 81 ]

El 29 de agosto de 2013, el módulo de aterrizaje Bravo realizó con éxito el vuelo de prueba con sujeción 30 de aproximadamente 63 segundos en el Centro Espacial Johnson (JSC). Tras un ascenso de 5 metros con 15 segundos de vuelo estacionario en el ápice, se realizó una traslación lateral hacia atrás de 3 metros. A continuación, se mantuvieron otros 15 segundos de vuelo estacionario y se inició un descenso inclinado hacia adelante. [ 29 ]

El 18 de septiembre de 2013, en medio de fuertes vientos, el módulo de aterrizaje Bravo realizó con éxito la Prueba de Atado 31. Este vuelo se llevó a cabo rápidamente después de que las pruebas del día anterior se cancelaran. El equipo resolvió varios problemas. [ 60 ]

El 24 de septiembre de 2013, el módulo de aterrizaje fue lanzado desde tierra. Se detectaron varios problemas que provocaron un aborto. Entre los problemas se incluyeron una falsa alerta de "perforación de la tobera del motor" e inestabilidad en el arranque del motor. El 26 de septiembre de 2013, se realizó la prueba HF10. Esta consistió en 20 encendidos cortos del motor el mismo día a diversas presiones, temperaturas y niveles de potencia. La investigación tuvo como objetivo explorar los límites de inestabilidad del motor durante el arranque. [ 33 ] [ 82 ]

Primer vuelo libre exitoso del módulo de aterrizaje del Proyecto Morpheus. El vuelo tuvo lugar en el Centro Espacial Kennedy el martes 10 de diciembre de 2013.

El 29 de octubre de 2013, el módulo de aterrizaje y su motor cohete de metano/LOX realizaron seis  encendidos de 600 ms mientras estaban sobre la trinchera en JSC. No hubo inestabilidades. [ 83 ] El 1 de noviembre de 2013, con todas las mejoras de software y hardware incluidas, el módulo de aterrizaje realizó con éxito una prueba de vuelo con cable. El vehículo realizó un arranque en el aire mientras era sostenido por el cable. [ 84 ] El 7 de noviembre de 2013, el proyecto completó las pruebas del módulo de aterrizaje en JSC con una prueba de despegue y aterrizaje en tierra (GTAL). El vehículo voló nominalmente y aterrizó dentro de 1 pulgada (2,5 cm) de alcance transversal y 6 pulgadas (15 cm) de alcance longitudinal de su objetivo previsto. La prueba GTAL caracterizó el desempeño del vehículo al despegar desde plataformas de lanzamiento en tierra, volar a una altura de 21 pies (6,4 m) , mantener el vuelo estacionario y su perfil de descenso, y aterrizar nuevamente en tierra en una plataforma separada a 10 pies (3,0 m) de su punto de lanzamiento. Esto sugiere que las fallas reveladas por el Incidente 2 a continuación, ocurrido el 9 de agosto de 2012, ya han sido encontradas y corregidas. [ 35 ] [ 85 ]        

El 6 de diciembre de 2013, el vehículo integrado superó la Prueba de Sujeción 33 en el Centro Espacial Kennedy en Florida. Esta fue una repetición de la Prueba de Sujeción 29. La prueba se realizó principalmente para verificar que el módulo de aterrizaje Bravo estuviera en buen estado después de ser transportado desde Texas. [ 86 ] El 10 de diciembre de 2013, se realizó con éxito el primer vuelo libre de un prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus en la Instalación de Aterrizaje del Transbordador del Centro Espacial Kennedy. La prueba de 54 segundos comenzó con el lanzamiento del módulo de aterrizaje Morpheus desde el suelo sobre una zanja de fuego y ascendiendo aproximadamente 50 pies, luego manteniéndose suspendido durante unos 15 segundos. El módulo de aterrizaje voló hacia adelante y aterrizó en su plataforma a unos 23 pies del punto de lanzamiento y a unas 6 pulgadas del punto objetivo. [ 16 ] [ 87 ] [ 88 ]

El 17 de diciembre de 2013, el módulo de aterrizaje Morpheus realizó con éxito el Vuelo Libre 4. La trayectoria preplanificada se ejecutó a la perfección, aterrizando a menos de 8,9 cm de su objetivo previsto. Morpheus ascendió desde el suelo sobre la trinchera de llamas hasta una altitud de aproximadamente 50 m , tras una breve pausa a 25 m para mantener las velocidades de ascenso previstas. A continuación , el vehículo voló hacia adelante, recorriendo unos 47 m en 30 segundos , antes de descender y aterrizar en una plataforma de aterrizaje designada dentro del campo de peligro ALHAT . [ 89 ] [ 90 ]

2014

El 16 de enero de 2014, se realizó con éxito el Vuelo Libre 5 en la Instalación de Aterrizaje del Transbordador del KSC. El vehículo Bravo voló más alto y más rápido que en todos sus vuelos anteriores. La trayectoria preplanificada consistió en ascender rápidamente a 57 m ( 187 pies ), recorrer 47 m ( 154 pies ) durante el descenso y aterrizar aproximadamente a 11 pulgadas del objetivo previsto en el Campo de Peligro, aproximadamente un minuto después del lanzamiento. [ 91 ] El 21 de enero de 2014, Bravo realizó el Vuelo Libre 6. En un vuelo de 64 segundos, el vehículo ascendió a 305 pies (93 m) y luego voló hacia adelante 358 pies (109 m) en 25 segundos. Como estaba previsto, Bravo aterrizó en el Campo de Peligro, a 0,38 m ( 15 pulgadas ) del objetivo. La velocidad máxima de ascenso fue de 11,4 m/s ( 25,5 mph ). [ 92 ]    

El 10 de febrero de 2014, se realizó el vuelo Free Flight 7 en el KSC. Bravo ascendió a 467 pies ( 142 m ) de altitud y luego recorrió 637 pies ( 194 m ) en 30 segundos antes de aterrizar en el campo de peligro. El vehículo siguió su trayectoria preplanificada sin problemas, alcanzando una velocidad máxima de ascenso de 13 m/s y aterrizando en su objetivo previsto 74 segundos después del lanzamiento. [ 93 ] Los ingenieros afirman que la altitud durante las pruebas no es lo importante, sino la experiencia de vuelo adquirida, incluyendo todas las fases de la verificación, la carga en tierra, el vuelo y las operaciones de recuperación. [ 8 ]

El 14 de febrero de 2014 y el 3 de marzo de 2014, se realizaron pruebas de encendido del Sistema de Control de Alabeo (RCS) del módulo de aterrizaje utilizando una variedad de pulsos cortos y largos en el KSC. [ 94 ] [ 95 ] El equipo multicéntrico Morpheus completó con éxito el Vuelo Libre 8 en la Instalación de Aterrizaje del Transbordador (SLF) del Centro Espacial Kennedy (KSC) el miércoles 5 de marzo de 2014. El vehículo Bravo voló a una altitud de 467 pies (142 m) y luego recorrió 637 pies (194 m) en 36 segundos, incluyendo un desvío de rumbo en pleno vuelo, antes de aterrizar en el campo de peligro a 56 pies (17 m) de su objetivo original (simulando la evasión de peligros). El vehículo alcanzó una velocidad máxima de ascenso de 13 m/s y aterrizó aproximadamente a 10 pulgadas de su objetivo previsto 79 segundos después del lanzamiento. [ 96 ]       

El martes 11 de marzo de 2014, el equipo Morpheus completó con éxito el Vuelo Libre 9 (FF9) en el KSC SLF. Este fue el vuelo más alto ( 177 m (581 pies) , más alto que el VAB y el Monumento a Washington), más rápido ( 13,4 m/s (30 mph) en vertical y horizontal) y más lejano ( 255 m (837 pies) ) de Morpheus hasta la fecha. [ 36 ]      

Durante el resto de marzo de 2014, el hardware ALHAT se insertó nuevamente, lo que permitió una prueba de sujeción exitosa del conjunto el 27 de marzo de 2014. La trayectoria de vuelo de la Prueba de Sujeción 34 fue similar a la de TT33 y TT29, con dos vuelos estacionarios y una traslación de 3 m (9,8 pies) durante un ascenso de 3,25 m (10,7 pies) . [ 97 ] El Vuelo Libre 10 (FF10) tuvo lugar el 2 de abril de 2014, con el ALHAT en modo de bucle abierto. El ALHAT capturó imágenes del Campo de Peligro y calculó soluciones de navegación en tiempo real. Morpheus ascendió a una altitud máxima de aproximadamente 804 pies (245 m), luego voló hacia adelante y hacia abajo inicialmente en una senda de planeo de 30 grados, luego nivelándose, cubriendo un total de aproximadamente 1334 pies (406,5 m) horizontalmente en 50 segundos mientras se desviaba a un lugar de aterrizaje a 78 pies (23,8 m) de su objetivo inicial, antes de descender y aterrizar en una plataforma de aterrizaje dedicada en el frente (sur) del Campo de Peligro ALHAT. El tiempo total de vuelo fue de ~96 segundos, el vuelo más largo hasta la fecha. [ 98 ] El Vuelo Libre 11 del 24 de abril de 2014 fue una repetición del Vuelo Libre 10 con algunos cambios en el ALHAT. [ 99 ] El Vuelo Libre 12 del 30 de abril de 2014 fue una repetición del FF10 pero con el ALHAT eligiendo el lugar de aterrizaje. [ 100 ]       

El 22 de mayo de 2014, en vuelo libre, el ALHAT determinó una ubicación segura en el campo de peligro, el lugar de aterrizaje, y voló el módulo de aterrizaje hasta allí. [ 101 ]

El equipo Morpheus/ALHAT completó con éxito el Vuelo Libre 14 (FF14) en el KSC SLF el miércoles 28 de mayo de 2014, el duodécimo vuelo libre de Bravo y el quinto de ALHAT, y el primer vuelo nocturno de la historia. Los datos iniciales indicaron un rendimiento nominal de todos los sistemas del vehículo. El Sistema de Detección de Peligros (HDS) de ALHAT funcionó correctamente, pero identificó un sitio seguro a tan solo 0,5 m (1,6 pies) fuera de los límites establecidos de forma conservadora alrededor del centro de la plataforma de aterrizaje. Posteriormente, ALHAT navegó el vehículo en modo de bucle cerrado durante toda la aproximación, tomando el control de la navegación durante la fase de descenso de la trayectoria, cuando ALHAT ya estaba navegando por estima. Si límites de error de posición menos conservadores hubieran permitido a ALHAT continuar navegando hasta el aterrizaje, el vehículo habría aterrizado igualmente de forma segura en la plataforma.  

El equipo superó algunos problemas previos al vuelo, incluido un fallo de encendido debido a que una temperatura no crítica excedió su límite, lo cual se corrigió para el segundo intento exitoso. [ 37 ]

El 19 de noviembre de 2014, se probó el Morpheus Lander en el KSC. El hardware ALHAT se había mejorado con nuevas ópticas que permiten al lidar Doppler de navegación medir con precisión la velocidad del vehículo con respecto al suelo. [ 42 ] La prueba se abortó debido a una falla en el sistema de control remoto. Hasta el momento, el motor ha estado encendido durante un total de 1134 segundos. [ 102 ] La prueba de amarre 36 (TT36) en el KSC SLF el martes 2 de diciembre de 2014 fue una prueba de regresión. El vehículo Bravo siguió su trayectoria planificada de 40 segundos sin problemas, aunque se identificaron algunas discrepancias. Los datos se revisaron para evaluar estas anomalías y asegurar que el vehículo y los sistemas terrestres estuvieran listos para soportar una prueba de vuelo libre. [ 103 ]

El 15 de diciembre de 2014, el prototipo de módulo de aterrizaje se elevó 800 pies sobre el extremo norte de la Instalación de Aterrizaje del Transbordador en el Centro Espacial Kennedy en Florida, en la prueba de vuelo libre n.° 15. Durante la prueba de 97 segundos, ALHAT inspeccionó el área de peligro en busca de sitios de aterrizaje seguros y luego guió el módulo de aterrizaje hacia adelante y hacia abajo hasta un aterrizaje exitoso. [ 1 ]

Conclusión

En febrero de 2015, se completaron las pruebas planificadas. El módulo de aterrizaje fue llevado de regreso al JSC. [ 18 ] [ 104 ] La revisión del proyecto, incluidas las pruebas, se llevó a cabo el 12 de marzo de 2015. [ 2 ]

Equipos de prueba y operaciones en tierra

Además de las herramientas de ingeniería habituales, se fabricaron o adquirieron varios equipos de prueba. Estos incluyen grúas protegidas contra el calor y los escombros ( pág. 2) , un cable de sujeción, una cuerda elástica para controlarlo ( pág. 7) y un absorbedor de energía. El absorbedor de energía era un tubo metálico relleno de una estructura de panal de aluminio ignífuga ( pág . 3 ) .

Se construyeron plataformas de lanzamiento y aterrizaje de hormigón. En el Centro Espacial Kennedy se excavó una pequeña zanja de fuego para lanzamientos terrestres cerca del campo de peligro (construido para probar el ALHAT). Se instalaron cámaras y equipos de grabación. Se utilizaron ordenadores y equipos de radiocomunicaciones. [ 40 ]

Se utilizaron carros para mover el módulo de aterrizaje, las baterías y los consumibles. Se proporcionó ropa de seguridad y protección ocular contra láseres de categoría IV. [ 57 ] [ 105 ]

En un día típico de pruebas, el personal de operaciones en tierra trabaja aproximadamente 10 horas desde el traslado hasta que Morpheus regresa al hangar. Las diferentes partes del día son: Sesión informativa de seguridad y traslado del vehículo, Verificación previa al llenado, Carga de propulsor (oxígeno líquido y metano líquido), Verificación de fugas, Preparación final, Vuelo y Prueba posterior. Las actividades se dividen entre el equipo de la plataforma y el Centro de control. Además de las baterías eléctricas del módulo de aterrizaje para la alimentación en tierra, las grúas, las celdas de carga y los camiones cisterna de propulsor deben trasladarse a las plataformas de lanzamiento. [ 57 ]

Colaboraciones

El Centro Espacial Johnson de la NASA colaboró ​​con varias empresas, instituciones académicas y otros centros de la NASA durante la construcción y las pruebas de los prototipos Alpha y Bravo de los módulos de aterrizaje Morpheus.

Para Morpheus y ALHAT, el JSC tiene alianzas con el Centro Espacial Kennedy (KSC) para las pruebas de vuelo; el Centro Espacial Stennis (SSC) para las pruebas de motores; el Centro de Vuelos Espaciales Marshall (MSFC) para el desarrollo de motores y la experiencia en módulos de aterrizaje; el Centro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC) para el desarrollo del software de vuelo principal; y el Centro de Investigación Langley (LaRC) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) para el desarrollo de ALHAT. Las alianzas comerciales con empresas como Jacobs Engineering, Armadillo Aerospace, Draper Labs y otras han aumentado el desarrollo y la operación de muchos aspectos del proyecto." [ 106 ]

Los laboratorios Zucrow de la Universidad de Purdue colaboraron en el diseño de un prototipo del motor Morpheus. En 2014, se realizaron pruebas en los laboratorios Zucrow de West Lafayette, Indiana, incluyendo varias pruebas de encendido exitosas del motor. Este trabajo se llevó a cabo bajo la dirección del Dr. William Anderson y varios estudiantes de maestría y doctorado. [ 107 ]

Cuestiones de salud y seguridad

Aunque la mezcla bipropelente de oxígeno líquido/metano líquido es considerablemente más fácil y segura de manipular que la hidracina , los propelentes pueden incendiarse y los tanques de combustible criogénico y los Dewars pueden explotar. [ 105 ] [ 108 ]

Incidentes

El módulo de aterrizaje Morpheus se estrelló el 9 de agosto de 2012.
  1. El 1 de junio de 2011, una prueba del módulo de aterrizaje Morpheus provocó un gran incendio de pasto en los terrenos del Centro Espacial Johnson . Fue un incidente menor: nadie resultó herido y el módulo de aterrizaje se encontraba en buen estado. [ 109 ] Posteriormente, se excavó un cortafuegos de 3,0 m (10 pies ) de ancho alrededor del área de prueba para evitar la propagación de posibles incendios de pasto. [ 110 ]  
  2. El 9 de agosto de 2012, el módulo de aterrizaje se volcó, se estrelló, se incendió y explotó dos veces durante su prueba inicial de vuelo libre en el Centro Espacial Kennedy . [ 108 ] El fuego se extinguió después de que los tanques explotaran. Nadie resultó herido, pero el vehículo no quedó en condiciones de ser recuperado. [ 14 ] Tras el accidente, se realizaron unas 70 mejoras diferentes al diseño del vehículo y a los sistemas terrestres, incluyendo la adición de instrumentación redundante y la mitigación del entorno vibroacústico del lanzamiento. [ 24 ] Se han instalado conectores de cable y acopladores de bus de grado militar en los vehículos de reemplazo, así como la creación de una zanja de fuego en la plataforma de lanzamiento para reducir la vibración. [ 59 ] Se publicó un documento que actúa como informe de investigación en la conferencia del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica: SPACE 2013. [ 111 ]

Estado

El módulo de aterrizaje Morpheus en el Centro Espacial Johnson.

El prototipo Morpheus, un sistema de propulsión de oxígeno líquido y metano (LOx/metano), demostró ventajas en rendimiento, simplicidad, fiabilidad y reutilización. [ 112 ] El sistema LOx/metano ofrece nuevas capacidades para utilizar propelentes fabricados en la superficie de Marte para el ascenso y el retorno, e integrarse con los sistemas de energía y soporte vital. Se determinó que el sistema LOx/metano es extensible a naves espaciales tripuladas para muchos elementos de transporte de una arquitectura marciana. Los propelentes ofrecen ventajas significativas para un encendido fiable en el vacío del espacio y para la seguridad o purga fiable de la nave espacial. "Mediante esta prueba, la NASA obtuvo el Nivel 6 del Nivel de Preparación Tecnológica (TRL) relacionado con la tecnología de aterrizaje planetario" [ 113 ].

Las demostraciones de vuelo del módulo de aterrizaje Morpheus llevaron a la propuesta de utilizar LOx/metano para una misión del Programa Discovery , denominada Experimento de Envejecimiento del Regolito Lunar (MARE), para aterrizar una carga útil científica para el Instituto de Investigación del Suroeste en la superficie lunar. [ 112 ] El módulo de aterrizaje de esta misión se llama NAVIS (Vehículo Autónomo de la NASA para la Ciencia In Situ). [ 114 ]

La tecnología desarrollada también se está aplicando al módulo de aterrizaje lunar Nova-C , [ 115 ] que aterrizó en la luna el 22 de febrero de 2024. [ 116 ] [ 117 ]

Véase también

Notas

a. ^ El metano es un propulsor ecológico (es decir, no tóxico) que la NASA espera que reduzca los costos de transporte al producirse in situ ( ISRU ). Por ejemplo, la reacción de Sabatier podría utilizarse para convertir el dióxido de carbono ( CO₂ ) presente en la atmósfera de Marte en metano, utilizando hidrógeno encontrado o transportado desde la Tierra, un catalizador y una fuente de calor. El hidrógeno puede obtenerse a partir de hielo de agua, presente tanto en la Luna como en Marte. [ 8 ]

Referencias

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