Sistemas EDL del CM de Orion (Paracaídas)
-Sistemas del módulo de comando o módulo de tripulación de la nave Orion-
SISTEMAS DE ENTRADA, DESCENSO Y ATERRIZAJE (EDL)
Este módulo alberga el sistema de paracaídas CPAS (Capsule Parachute Assembly System) de Orion. Los paracaídas permiten un aterrizaje seguro para los astronautas que regresan a la Tierra a altas velocidades en la nave espacial. La atmósfera de la Tierra (que actúa como un freno para Orión) inicialmente reducirá la velocidad de la nave espacial de aproximadamente 40.000 km/h a 520 km/h. Después, el sistema compuesto por 11 paracaídas debe desplegarse en una secuencia precisa para reducir la velocidad de la nave Orión hasta los 30 km/h para amerizar en el Océano. El sistema de paracaídas del vehículo reside debajo de la cubierta de la bahía delantera, instalada en el mamparo delantero y el túnel de la tripulación de la nave espacial.
Forward Bay Cover o FBC
La cubierta de la bahía delantera se utiliza para proteger el equipo instalado sobre el mamparo delantero del módulo de tripulación Orion, que ofrece un gran volumen para la instalación de hardware externo alrededor del túnel de la tripulación de la nave espacial. FBC tiene 2,6 metros de diámetro y pesa 205 kilogramos. La cubierta consiste en seis láminas frontales compuestas con núcleos de nido de abeja de titanio cubiertos con baldosas AETB-8 recubiertas de TUFI (baldosas de alúmina de aislamiento fibroso de fibra mejorada con fibra endurecida y barrera térmica). Protege el equipo instalado debajo, de las temperaturas extremas durante el vuelo espacial y el entorno de temperaturas extremadamente altas durante la reentrada. En agosto de 2008 se lanzó una maqueta de la nave desde un avión C-17 que volaba a 24.700 pies (unos 7.500 metros). Subrayemos que para exponer el sistema de paracaídas, la cubierta de la bahía delantera debe ser desechada por mecanismos confiables a una altitud de 7 kilómetros para que comience la secuencia de apertura del paracaídas¹). En la prueba mencionada los paracaídas iniciales que debían poner la cápsula en posición para la prueba fallaron. Varias pruebas posteriores estuvieron plagadas de fallos en los paracaídas, hasta el año 2012 en que se llevó a cabo una serie de comprobaciones del sistema de frenado por paracaídas en el campo de pruebas del Ejército de EE.UU. en Yuma, Arizona, donde se verificó que Orion podía aterrizar con seguridad incluso si uno de sus paracaídas no se abría durante el descenso. El día 23/04/2014 la prueba no se efectuó simulando la apertura posterior a una reentrada en la atmósfera, sino como si se tratara del procedimiento a realizar luego de un aborto de lanzamiento. Para el 12 de setiembre de 2018, la NASA dio por completada la prueba con los paracaídas. El sistema tiene 11 paracaídas, una serie de morteros tipo cañón, cortadores de pernos pirotécnicos y más de 45 kilómetros de líneas de Kevlar que unen la parte superior de la nave espacial a los 12.000 metros cuadrados de material de dosel de los paracaídas. En aproximadamente 10 minutos de descenso a través de la atmósfera de la Tierra, todo debe desplegarse en una secuencia precisa.
Diseño de la bahía delantera. (NASA)
La secuencia de despliegue de los paracaídas de la cápsula Orion está programada para comenzar dos segundos después del lanzamiento de la cubierta de la bahía delantera. Dos sistemas de mortero neumático utilizan generadores de gas pirotécnicos para poder expulsar los dos paracaídas drogue del Módulo de tripulación Orion que se despliegan de 4.5 a 6.0 kilómetros de altitud cuando la nave espacial ha alcanzado una velocidad de 480 kilómetros por hora. El despliegue de la de éstos se activa en función de los datos de altitud que entrega un filtro Kalman primario²) asistido por GPS. A lo que se adiciona un sistema de respaldo que se vale de tres altímetros barométricos para activar el despliegue de los paracaídas a una presión de aire detectada. Si ambos sistemas fallan, Orion confiaría solo en su Unidad de Medición Inercial, entregando datos del vehículo que son procesados a través de un modelo de gravedad para calcular una estimación aproximada de la altitud en la que se encuentra la nave espacial. Los eventos posteriores, como la implementación de los paracaídas principales, se basan en comandos temporizados, que tienen el despliegue del paracaídas de caída o drogue actuando como tiempo de referencia. Todos los paracaídas de Orion están construidos en Kevlar y nylon, con el objetivo de hacerlos lo más resistentes posible y al mismo tiempo minimizar la masa del sistema en general. El diseño del paracaídas garantiza que los mismos funcionen en el entorno extremo encontrado durante el despliegue inicial, asegurando también que el desgaste normal del material utilizado no afecte las operaciones de los paracaídas. El dosel de los paracaídas está hecho de nylon, mientras que todos los elevadores, líneas y cordones son de Kevlar y acero; todas las líneas de paracaídas son haces de hasta seis cables individuales. La forma de los paracaídas drogue fue diseñada a partir de una forma circular cónica para la cubierta o canopia que a su vez está construido por gores de forma triangular, cada uno de los cuales consiste en una cuadrícula de cintas horizontales y verticales. El paracaídas consta de 24 gores y 55 cintas, tiene un ángulo de cono de 25,7 grados. Airborne Systems ha sido la encargada del diseño y desarrollo del sistema EDL de la Orion, en paralelo con otros sistemas que proveen a las cápsulas CST-100, Dragon y New Shepard.
Prueba de despliegue y estabilidad. Componentes de la bahía delantera.
Las pruebas de los sistemas de despliegue y estabilidad realizadas en las instalaciones de la compañía en Littleton, Colorado, no solo validaron estos mecanismos, sino que también ratificó el modelo de tensión estructural utilizados en el diseño del módulo de tripulación. Cada paracaídas de caída o drogue tiene 7 metros de diámetro y está suspendido en una línea de 10,5 metros y un elevador de 20 metros de largo. Volando bajo las rampas de drogue durante un poco más de un minuto, Orión disminuye la velocidad a 160 kilómetros por hora, disipando también la velocidad horizontal para alcanzar condiciones que son seguras para el despliegue de los paracaídas principales. Los paracaídas drogue son separados por un conjunto de cortador que utiliza una guillotina iniciada pirotécnicamente para lograr separar la línea del paracaídas. Este cortador consiste en una carcasa que porta una cuchilla de acero, un retenedor de pistón, un yunque y pasadores de corte. Se utilizan dos cartuchos de iniciador estándar de la NASA para poder generar un gas en rápida expansión que impulsa la cuchilla hacia adelante tan pronto como los pines son cortados por la presión de salida. Después de aproximadamente 1,5 centímetros de recorrido, la cuchilla golpea el haz de cables y los corta antes de penetrar en el yunque de acero detrás de la línea de paracaídas. Este mecanismo de corte es rápido y potente, generando un empuje equivalente a 11.900 kilopondios o kilogramos de fuerza (26,250 libras de fuerza), lanzando la cubierta delantera de la bahía con todo el hardware con un peso de unos 450 kg (1000 libras) lejos de la cápsula. Durante la separación, la cubierta acelera a una velocidad de casi 48 km/h (30 mph) en poco más de medio segundo.
Una vez que la señal de aterrizaje se ha proporcionado por intermedio de las mediciones del Sistema de Navegación Inercial, las líneas de los paracaídas principales se cortarán utilizando sistemas similares para evitar que las rampas arrastren la cápsula a una posición boca abajo. Los tres paracaídas principales se encuentran embalados en bolsas instaladas en compartimentos ubicados a esos efectos en la cubierta de la bahía delantera del módulo de tripulación. El despliegue de éstos se realiza utilizando tres paracaídas piloto que se expulsan de morteros neumáticos utilizando generadores de gas pirotécnicos. A diferencia de los paracaídas de drogue, los paracaídas piloto emplean un diseño de ranura de anillo que consta de 12 gores y cuatro cintas que crean un diámetro total de 3,0 metros. Las líneas del paracaídas piloto tienen 3,45 metros de largo, mientras que las elevadoras miden 17,4 metros de longitud.
A continuación de que los paracaídas piloto están inflados, generan suficiente fuerza para sacar los paracaídas principales de las bolsas. Una vez que entran en el flujo de aire, los tres paracaídas principales, cada una con un peso de 136 kilogramos, se van inflando en etapas, mantenidas a un cierto nivel de apertura para una serie de secuencias. La condición inicial de secuencias permite que los paracaídas se abran a aproximadamente 3.5% para continuar ralentizando la cápsula. Una vez que se corta el primer conjunto de líneas, las rampas se abren al 11% de su capacidad, sostenidas por otro conjunto de líneas. Después de un vuelo estable en la segunda etapa de secuencia, las líneas finales se cortan y los paracaídas se abren hasta su diámetro total de 35,4 metros. Descendiendo bajo las rampas principales blancas y rojas, Orión disminuye la velocidad a una velocidad de aterrizaje de menos de 30 kilómetros por hora para un amerizaje en el océano. Orión puede tolerar la falla de uno de los tres paracaídas principales y aun así regresar a una velocidad de aterrizaje benigna.
(Las figuras 1 y 2 son cortesía de Airborne Systems)
Secuencia de apertura del sistema de paracaídas. (NASA)
(Fuente: Chutes.nl)
Después del aterrizaje, una serie de cinco globos de helio del sistema CMUS (Crew Module Uprighting System) (Sistema de elevación del módulo de tripulación) que están unidos a la bahía delantera del módulo de tripulación se inflan como parte del sistema de posición vertical del módulo de tripulación del vehículo que permitiría a la nave volver a una postura erguida después de descansar de lado o incluso boca abajo.
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¹)- La cubierta de la bahía delantera interactúa con los refuerzos de la bahía delantera en tres puntos utilizando pernos de separación que cortan la conexión estructural cuando lo ordena el controlador de la nave espacial. Al disparar los pernos de separación, se inicia el encendido de tres propulsores para alejar la cubierta de la nave espacial y garantizar una separación limpia sin que se produzca un contacto con la parte que se desechó. Evitar el contacto con ésta fue una consideración muy importante debido al flujo inverso inestable en la estela de la cápsula descendente a velocidades de separación alrededor de Mach 0.5. Los propulsores están destinados a crear una separación limpia de la cubierta de la bahía delantera que luego despliega tres paracaídas.
²)- Es importante entender de que se trata este algoritmo pues reiteraremos su mención y es uno de los algoritmos de estimación más importantes y comunes. Hablar del filtro de Kalman primario, implica la existencia de otro, el denominado extendido. Ya este racionamiento por el cual deducimos la existencia de otro podría inducirnos a entender un tanto cual es la esencia de este algoritmo, mediante un dato deducir otro incierto. Creando estimaciones de variables ocultas basadas en mediciones inexactas e inciertas, proporciona una predicción del estado futuro del sistema, basado en estimaciones pasadas. Por la situación bélica actual en Ucrania accedemos diariamente a noticias de como por ejemplo es importante la rápida movilización de la artillería, mientras que todavía tenemos en las retinas como los iraquíes en las guerras del golfo utilizaban algunos de sus tanques enterrados en la arena como artillería fija alternativa. Este cambio sea hecho necesario por el desarrollo de los radares de seguimientos de armas o de contrabatería. Pero el filtro de Kalman no solo se utiliza en el presente en objetivos de seguimiento, sino también en sistemas de localización y navegación, sistemas de control, gráficos por computadora y mucho más.
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