SENER y EIPSA, ingeniería civil pegada a la realidad PORTADA /Al día

El sistema GNC de IXV, el cerebro que controló la trayectoria de la misión

Vehículo IXV instalado en el adaptador de la carga de pago.

Vehículo IXV instalado en el adaptador de la carga de pago.

El vehículo IXV (en inglés Intermediate eXperimental Vehicle), demostrador de reentrada atmosférica de la Agencia Espacial Europea (ESA), despegó exitosamente a bordo del lanzador europeo VEGA desde el Centro Espacial de Kourou, en la Guayana Francesa, en febrero. Tal y como estaba previsto, ascendió 413 km, situándose fuera de la atmósfera terrestre, y, pocos minutos después, el autopiloto condujo el vehículo de nuevo hacia la Tierra a través de una trayectoria segura de reentrada hasta los 26 km. A esta altitud se inició el despliegue de una secuencia de tres paracaídas que redujeron la velocidad de IXV hasta su amerizaje, alrededor de una hora y 42 minutos después, en el océano Pacífico. Un sistema de flotadores permitió la recuperación completa del vehículo por el buque Aries.

Se trata de un hito muy reseñable para la ESA, pues la misión tenía por objetivo demostrar, en un vehículo hipersónico con cuerpo sustentador, tecnologías de reentrada que son vitales en misiones que requieren el regreso seguro a la Tierra, tanto tripuladas como autónomas. En concreto, la misión IXV realizó una trayectoria representativa de la vuelta de una nave espacial desde baja órbita (por ejemplo, desde la estación espacial internacional ISS), con velocidades por encima de 26.700 km/h. Durante el viaje, probó modernas tecnologías europeas para vuelo hipersónico y supersónico en condiciones reales, tales como las de aerotermodinámica, sistemas de protección térmica o sistemas de guiado, navegación y control.

Dentro de estas tecnologías, fue especialmente relevante el sistema de guiado, navegación y control (GNC), la aplicación más crítica de la misión, que incorporaba un control de vuelo autónomo basado en la actuación de superficies aerodinámicas o flaps con apoyo de motores cohete de control de actitud. Así, SENER y Elecnor DEIMOS fueron responsables de lo que puede considerarse la inteligencia de la nave que pilota el vehículo desde la separación del lanzador VEGA hasta el despliegue de paracaídas. SENER lideró el consorcio -integrado también por GMV como responsable del diseño de la función de navegación- que llevó a cabo el proceso completo de diseño detallado, integración y verificación del GNC, bajo la coordinación de Thales Alenia Space Italia (TAS-I) como contratista principal de la misión. EL GNC de IXV ha sido el resultado de un acuerdo marco entre SENER y Elecnor DEIMOS, que ha aprovechado las capacidades tecnológicas de ambas empresas.

Funcionamiento del GNC

El GNC de IXV tuvo en cuenta unos requerimientos técnicos muy demandantes, propios de esta misión de reentrada: el vehículo IXV tenía un fuselaje sustentador sin alas, una masa máxima de 1.957 kg y una eficiencia aerodinámica de 0,7. Durante su viaje, siguió una trayectoria suborbital ecuatorial de 5º de inclinación con 412 km de altitud en el apogeo y la fase de reentrada, que duró unos 21 minutos, fue controlada mediante el uso combinado de motores de reacción y actuadores aerodinámicos hasta reducir la velocidad a 1,6 veces la velocidad del sonido (Mach de 1,6). En ese instante se inició la apertura progresiva de varios paracaídas y, finalmente, el vehículo cayó en el lugar previsto en el Océano Pacífico.

Para llevar a cabo el pilotaje de semejante misión, el vehículo contaba con una configuración de sensores y actuadores integrada por: cuatro motores de reacción de 400 Newton de empuje cada uno; dos actuadores aerodinámicos (flaps) situados en la parte trasera del vehículo; una unidad de medida inercial con giróscopos y acelerómetros (IMU); un receptor GPS; y un sistema de frenado de descenso y recuperación (DRS) formado por un conjunto de paracaídas y flotadores, así como por una unidad de localización.

El sistema de control de vuelo se encargó de gestionar las funciones de GNC de acuerdo con las fases de vuelo preprogramadas y las estimaciones de distintos parámetros que fue proporcionando la función de Navegación (medidas de aceleración y actitud de la IMU, posición y velocidad del GPS, y un algoritmo de mejora de estimación de la altitud durante el black-out basado en la estimación a bordo de la resistencia aerodinámica o Drag Derived Altitude).

La función de Guiado calculó la consigna de actitud que siguió el control del vehículo para volar la trayectoria deseada hasta alcanzar la posición donde se debía iniciar la apertura de los paracaídas. Por su parte, el sistema de Control de vuelo utilizó los motores de reacción para corregir la actitud del vehículo durante la fase orbital y el ángulo de guiñada (ángulo de desvío lateral de la nave) durante la reentrada. Los flaps aerodinámicos sirvieron para controlar el vehículo durante la reentrada en los ejes de cabeceo y balance.

El GNC fue, sin duda, uno de los componentes más complejos del vehículo y su correcto funcionamiento constituyó uno de los motivos del éxito de la misión. SENER consiguió esta responsabilidad en IXV por su experiencia anterior en misiones como Minisat o Planck, en una progresión que ha llevado a la empresa de ser subcontratista del sistema de control de actitud (AOCS) de Planck, a contratista principal del GNC de IXV y, actualmente, contratista principal del AOCS del satélite Euclid o de la misión completa de Proba-3.

La importancia de la misión IXV

A pesar de ser un vehículo experimental y de bajo coste, IXV es un vehículo pionero del tipo fuselaje sustentador (pure Lifting Body), pues ha sido el primero en realizar una reentrada sustendadora y controlada autónomamente, frente a vehículos de reentrada balísticos y con menor sustentación (cápsulas), o vehículo alados y tripulados mucho más complejos y costosos (como el Space Shuttle) que han sido utilizados hasta la fecha por otras agencias espaciales.

Este proyecto de la ESA ha situado a Europa a la vanguardia de las tecnologías de reentrada, necesarias para seguir dando pasos en la exploración del sistema solar, con lo que se podrán realizar misiones que contemplen el regreso a la Tierra de muestras recogidas en entornos lejanos como Marte, asteroides, cometas o satélites de otros planetas.

España, gracias a la competitividad de su tejido industrial y a un importante esfuerzo presupuestario, ha jugado un papel particularmente relevante en el programa IXV. Ha sido, de hecho, el segundo país en la misión tanto por su contribución tecnológica como por su aportación, en torno al 18 %. En la actualidad, España es la quinta potencia espacial europea con un alto grado de especialización como proveedora de equipos, instrumentos y sistemas de satélites.

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