Resolviendo misterios de RIME

La Antena RIME en problemas y una solución 

Cuando la antena RIME de la misión Juice de la ESA no se desplegó unos días después del lanzamiento, los equipos de ingeniería se enfrentaron al gran desafío de comprender la falla y corregirla. Así como había sucedido c o n la JUICE podría pasar con otras misiones espaciales.  El Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) de la ESA fue diseñado por Airbus para llevar a cabo una investigación sin precedentes del sistema de Júpiter y sus lunas heladas.

Era de crucial importancia comprender que había sucedido con la Antena Radar for Icy Moon Exploration (RIME), que es parte del conjunto completo de diez instrumentos científicos de JUICE. Desplegar la antena en el sistema joviano comenzaría a revisarse las señales de radar que penatrarian a una profundidad de 9 km y comenzarían a revelar detalles geológicos y únicos para tener idea de cómo habitar estas lunas algún día. Pero para tener éxito en la recopilación de estos datos, los científicos primero tenían que llevar la nave espacial y sus instrumentos al espacio, y eso significaba doblar parte del hardware.

La antena RIME de JUICE, con 16 m de longitud, era demasiado larga para caber dentro del cono de la nariz del cohete Ariane 5 que lanzó Juice al espacio. Por lo tanto, se construyó en dos brazos de cuatro segmentos cada uno. De esos ocho segmentos, tres se desplegarían en un lado de la nave espacial, tres en el otro lado y dos permanecerían fijos en la nave espacial. Para el lanzamiento, los tres segmentos desplegables se plegaron sobre el segmento fijo y se mantuvieron en su lugar mediante dos soportes.

Una vez en el espacio, los dispositivos llamados actuadores no explosivos (NEA) de forma remota fueron activados desde el Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC), Darmstadt, Alemania. Cada NEA quitaría un pasador de sujeción de su soporte, lo que permitiría que esa sección se colocara en su lugar. Fue ahí cuando empezaron los problemas.

El procedimiento se inició el 17 de abril de 2023, tres días después del lanzamiento y habiéndose desarrollado todo sin problemas hasta ese momento. Se utilizaron dos cámaras de monitoreo, montadas a bordo de la nave espacial, para seguir el despliegue de RIME. Entre las imágenes, la NEA había disparado, el pin se había soltado y el segmento de la antena había encajado en su lugar. Una verificación de la imagen de la cámara externa mostró el segmento en su lugar, y los datos de telemetría también lo confirmaron. Mostró que la nave espacial estaba oscilando como se esperaba debido al despliegue repentino del brazo, y que el Sistema de Control de Actitud y Órbita (AOCS) estaba corrigiendo el último de estos movimientos.

Una vez dada la instrucción de disparo, la telemetría y las imágenes mostraban que algo andaba mal, la oscilación esperada no ocurría y el despliegue no sucedido tal y como debea ocurrir.

A la mañana siguiente, con la incredulidad desvanecida de sus mentes, los equipos se reunieron en línea para una teleconferencia para compartir sus ideas y discutir la anomalía. Por un lado, sabían que tenían que encontrar alguna forma de liberar el segmento atascado, pero por el otro sabían que no podían hacer nada que pusiera en peligro el despliegue de los otros segmentos, o incluso del resto de la nave espacial. Lo primero que se les ocurrió a los equipos fue que tal vez se había formado algo de hielo en el pasador que sujetaba el segmento en su lugar.

Cada vez que una nave espacial deja la Tierra, se encuentra en un ambiente frío y sin aire. Esta pérdida repentina y dramática de presión de aire significa que una pequeña cantidad de vapor de agua escapará repentinamente del material utilizado para fabricar la embarcación. Esto luego puede congelarse en las superficies increíblemente frías de la nave espacial.

Dado que no hay calentadores en la nave espacial cerca de RIME, quitar el hielo significaría girar la nave espacial para que la antena mire hacia el Sol. Pero, la superficie de la nave espacial que sostiene a RIME fue diseñada para ser una "cara fría", lo que significa que nunca tuvo la intención de exponerse a la luz solar directa justo después del lanzamiento. Tampoco los componentes, instrumentos y sistemas que se le acoplaron. Después de varios días de estudio, el equipo comenzó a girar gradualmente la nave espacial para iluminar la superficie. “Hicimos ocho giros durante dos semanas para iluminar el soporte RIME”, dice Angela Dietz, gerente de operaciones de naves espaciales en ESOC. Cada vez expusieron la superficie por más tiempo, observando cuidadosamente la telemetría de los sensores a bordo para comprender los límites de esta operación. Al principio, la maniobra duró apenas 25 minutos. Al final, se sintieron cómodos exponiendo la superficie durante 73 minutos cada vez. Simultáneamente, se contemplaban otros posibles escenarios de recuperación. Si no fuera hielo el que mantiene cerrado a RIME y el alfiler simplemente se hubiera atascado, entonces tal vez sacudir la nave espacial la soltaría, aunque la palabra "sacudir" es demasiado extrema para describir el movimiento real.

La nave espacial pesa seis toneladas y los propulsores a bordo solo pueden balancearla de un lado a otro muy suavemente. Sin embargo, los equipos sintieron que valía la pena intentarlo. El pasador atascado probablemente solo necesitaba moverse uno o dos milímetros, pero los equipos debían tener cuidado. No podían arriesgarse a dañar nada más con una sacudida violenta de la nave espacial. Entonces, como el equipo había hecho con la calefacción, comenzaron a probar esta maniobra con cautela. 

Juice está atascado pero se retuerce Antena RIME La antena RIME de Juice está atascada pero se retuerce “Hicimos varios encendidos de propulsores y usamos el motor principal, a menudo vinculado con los giros de calentamiento. Incluso se encendieron los propulsores en una determinada secuencia para intentar sacudir el brazo apilado, pero solo vimos pequeños movimientos dentro del soporte”, dice Angela. Y así el equipo pasó a otras ideas. El fabricante de la antena, la empresa alemana SpaceTech, también propuso un plan de recuperación.

Efectivamente, era seguir desplegando los otros cuatro tramos de la antena como si nada. Sabían que cada NEA disparado produciría un pequeño impacto mecánico en el resto de la antena que podría desalojar el pin atascado. Entonces, el fabricante hizo un gran avance. Los ingenieros de SpaceTech lograron reproducir la anomalía con un modelo de la antena que se había utilizado para las pruebas y confirmaron que el disparo del NEA más cercano generalmente lograba desalojar el pasador atascado. También se identificó que para aumentar las posibilidades de un resultado exitoso, la antena debe calentarse mediante la exposición a la luz solar. Esto se debió a que, aunque el modelo de ingeniería se había probado por completo a las bajas temperaturas del espacio, el modelo de vuelo real no lo había hecho. El equipo llegó a la conclusión de que las condiciones extremadamente frías encontradas durante el lanzamiento fallido de NEA podrían haber sido un factor contribuyente, por lo que el Sol debería calentar la antena antes de todas las actuaciones futuras para acercarla lo más posible a la "temperatura ambiente", donde sabía que funcionaba.

Armados con varias ideas sobre cómo recuperar el instrumento, los equipos decidieron reunirse en persona para decidir el camino a seguir. En un taller técnico realizado en SpaceTech, los equipos decidieron probar primero la calefacción. Si eso no funcionaba, procederían a disparar los otros NEA, habiéndolos calentado primero con la luz del sol.

Ya habían pasado varias semanas desde que ocurrió la anomalía y la presión aumentaba. La misión tenía un cronograma que cumplir y, a pesar de lo importante que es RIME, era solo un instrumento en la nave espacial. “Para mí, esto fue lo más complicado durante la recuperación”, dice Guillaume Chambon, del Equipo de Autoridad Técnica de Airbus. Guillaume fue puesto a cargo de la gestión del lado de Airbus de la recuperación. “Tienes que ser lo suficientemente rápido para actuar porque todos esperan que progreses, pero debes tomarte el tiempo suficiente para considerar todos los efectos secundarios de lo que estás proponiendo”, dice.

Recuerde que la antena RIME está compuesta por seis segmentos desplegables, tres a cada lado de la nave espacial. En el escenario de despliegue nominal, se dispararía un NEA primero en un lado de la antena y luego en el otro. Sin embargo, si hicieran esto ahora y la sección atascada se liberara, entonces los dos lados de la antena se desplegarían juntos en direcciones opuestas y podrían chocar.

Entonces, los equipos acordaron reordenar la secuencia de despliegue y comenzaron los intentos de recuperación. Primero, la nave espacial se calentó para eliminar el hielo, pero la antena permaneció fija. Y así se hizo evidente que la única posibilidad de recuperar la antena era calentar la antena nuevamente y luego continuar con el despliegue con la esperanza de que los golpes de los otros NEA destrabaran el pin. Su análisis les había demostrado que esto les daría la mejor oportunidad de éxito, pero cada NEA solo podía dispararse una vez. En otras palabras, era todo o nada.

La parte atascada de la antena finalmente se despliega. Éxito total. Los tres segmentos de la antena que debían desplegarse, fueron desplegados. “En el equipo de operaciones adquirimos una tranquila confianza”, dice Angela.

Pero el trabajo aún no había terminado. Solo estaban a la mitad del procedimiento de despliegue completo. Todavía era necesario disparar otro NEA para desplegar el segundo brazo antes de que RIME pudiera asumir su configuración operativa final. Y en todo caso, la presión que sentían algunos en el equipo era aún mayor que antes porque ahora el equipo sabía que era posible que los bolos se atascaran. Y ahora que solo quedaba un alfiler, era el más crítico de todos.

Si alguno de los anteriores se hubiera atascado, el equipo podría haber disparado el siguiente en secuencia y esperaba que el choque terminara el trabajo, como lo había hecho con el segmento atascado original. Pero ahora, no había más NEA para disparar. Justo en la línea de meta, aún podrían ser derrotados si el pasador se atascara.

Fue en ese momento cuando Cyril Cavel, el gerente de proyectos de Juice para Airbus, se encontró pensando en los científicos que dependían de ellos. Algunos incluso habían estado trabajando en la antena durante décadas. “RIME fue una entrega industrial a esta gente. Sin esta antena, el experimento del radar sería muy reducido o incluso muerto. Sería mucho más que una vergüenza”, dice.

De hecho, la oportunidad de aprender realmente qué había debajo de las superficies heladas de esas lunas encantadoras podría haber disminuido significativamente o incluso haberse perdido para la generación actual de científicos planetarios. Como resultado, el equipo tomó una precaución final. A estas alturas, el grupo final había estado a la luz del sol durante su tiempo máximo permitido ese día de 73 minutos.

Como resultado, su temperatura era más alta que la temperatura ambiente a la que se había probado en los laboratorios de Alemania. Para reproducir las condiciones de ese laboratorio lo más fielmente posible, el equipo tomó la decisión de rotar la nave espacial, alejando la antena del Sol, y esperar de tres a cuatro horas para que baje la temperatura.

Al final de la espera, cuando las condiciones eran las adecuadas, se envió el comando. El NEA se activó, la telemetría mostró a Juice oscilando mientras se desplegaba el segmento final, el AOCS intervino y estabilizó la nave espacial. Finalmente, las cámaras confirmaron la victoria de los equipos, RIME ahora estaba en su configuración completamente desplegada.

Para Ronan, el alivio al ver el despliegue estaba teñido de una familiar sensación de incredulidad. “Fue un poco como el primer día del incidente. Hubo una sensación de incredulidad porque cuatro semanas de una enorme cantidad de presión desaparecieron repentinamente. No podía creerlo, a pesar de ver las fotos”, dice.

Una vez que se bebió el burbujeante y el equipo descansó adecuadamente, los controladores de vuelo en ESOC pasaron a las otras implementaciones necesarias en la nave espacial, las cuales ahora se han completado con éxito. Y los equipos de anomalías RIME de la ESA, Airbus y SpaceTech están acabando de comprender la causa original para que pueda evitarse en el futuro en sistemas similares.  Y la misión de Juice en sí está una vez más en el camino hacia el éxito total.

Información original en Inglés:

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice/Solving_the_RIME_deployment_mystery