Rescatando Integral: ¿Sin empuje? No hay problema

Mission Control, tenemos un problema

En verano de 2020, mientras el Equipo de Control Integral de Vuelo en Alemania se estaban acostumbrando a un entorno de trabajo muy diferente, aprendiendo a volar su misión desde casa mientras lidiaban con la incertidumbre creada por la pandemia Covid-19, la nave espacial decidió lanzar otra llave inglesa a las obras.

Un día, Integral entró en «Modo seguro», cuando los instrumentos se apagan y una nave espacial ejecuta solo sus funciones más básicas, mientras mira al Sol para asegurarse de que recibe toda la potencia, alertando a su equipo de control sobre un problema. Bajo el control del modo seguro, Integral pareció penetrar en un eclipse, un período normal de oscuridad cuando la Tierra se interpone entre la nave espacial y el Sol. Sin embargo, no se programaron eclipses.

“El satélite se había alejado repentinamente del Sol, lo cual fue un evento muy inesperado y extraño. Nunca antes habíamos visto algo así ”, explica Richard Southworth, director de operaciones de la misión.

“Pronto quedó claro que teníamos un problema importante. Hubo un problema general con el sistema de propulsión de Integral. Como ya no podíamos confiar en sus propulsores, tuvimos que salir del modo seguro rápidamente, tomar el control de la nave espacial usando sus ruedas de reacción y luego averiguar qué hacer «.

Por qué los propulsores son importantes para una misión delicada

Dado que Integral ya está en órbita, ¿por qué todavía necesitamos sus propulsores? Para deshacerse del exceso de «momento angular».

Integral a menudo apunta a una sola fuente, por ejemplo, un boquete negro distante, durante muchas horas. Durante este tiempo, está sujeto a fuerzas externas que lo hacen girar, en particular, la presión de radiación del Sol que actúa sobre los enormes paneles solares de 18 metros de la nave espacial.

Para contrarrestar esta fuerza solar y mantener la nave espacial apuntando a su objetivo, el equipo usa « ruedas de reacción », ruedas que almacenan energía a medida que giran y pueden usarse para controlar sutilmente la dirección en la que apunta una nave espacial sin la necesidad de propulsores. Estas ruedas “absorben” la energía extra del Sol, manteniendo al Integral en posición y asegurando que siga siendo el observatorio de rayos gamma más sensible jamás volado.

Durante un par de días, el exceso de energía se acumula en las ruedas de reacción en forma de «momento angular», el equivalente rotacional de una fuerza que va en línea recta, por ejemplo, la energía almacenada mientras gira en una silla giratoria.

Cada dos o tres días, las ruedas de reacción alcanzan una velocidad máxima en cuyo punto no pueden absorber más impulso. Luego, el equipo de control realiza una «descarga de impulso», eliminando el exceso de impulso angular desacelerando los volantes. Para evitar que el satélite gire en la dirección opuesta a medida que las ruedas disminuyen la velocidad, los propulsores de Integral se activan (normalmente), lo que impide que gire.

Inventando el «Z-flip»

Después de días preocupados por el destino de la misión, a dos miembros del equipo se les ocurrió una idea.

“No creí que fuera posible al principio. Verificamos con nuestros colegas de dinámica de vuelo y la teoría indicó que funcionaría. Después de hacer una simulación, la probamos en la nave espacial. Funcionó ”, dice Richard con alivio.

Mediante el uso de una secuencia de maniobras especialmente diseñada, el equipo de control se dio cuenta de que podían redistribuir el momento angular almacenado a bordo del satélite utilizando dos ruedas de reacción diferentes que giraban en direcciones opuestas, lo que hacía que la nave se volteara.

“Entonces, en este punto, sabíamos que podíamos controlar la acumulación de energía absorbida por el Sol, y bautizamos esta nueva maniobra como“ z-flip ”. Hasta donde yo sé, esto nunca se ha hecho antes. Fue un gran logro, pero ¿podríamos seguir haciendo ciencia? ”.

Después de largas e intensas discusiones con colegas en el Centro de Operaciones Científicas en ESAC, Madrid, el equipo de planificadores de misiones científicas ideó una secuencia de objetos para que Integral los observara que encajarían dentro de su nuevo rango de movimiento. Afortunadamente, la misión volvió a las operaciones científicas (algo más limitadas).

Gradualmente, los dos equipos experimentaron con secuencias de observaciones cada vez más complicadas, probando diferentes combinaciones de ruedas giratorias y volteando la nave espacial en varios ángulos nuevos. Con un trabajo en equipo dedicado entre el equipo de control y el equipo de operaciones científicas y muchos otros, la eficiencia científica de Integral se restauró en septiembre de 2020.

Una de las misiones más antiguas y voluminosas de la ESA se vuelve más ágil

Para la mayoría de los observatorios espaciales, los horarios de observación se planifican con mucha antelación. Sin embargo, de vez en cuando sucede algo inesperado en el cielo, como una explosión de supernovas u ondas gravitacionales, y necesitan responder rápidamente para ver lo que sucedió. Esto es particularmente cierto para Integral, ya que los eventos de rayos gamma tienden a ser de corta duración.

“En el pasado, cuando teníamos un sistema de propulsión, replanificamos, calculamos una nueva maniobra hacia el nuevo objeto de interés, descargábamos el impulso y luego preparábamos nuestra nueva secuencia de maniobras. Nuestra técnica de z-flip es, lamentablemente, mucho más lenta ”, explica Richard.

Sin embargo, el equipo de control ha desarrollado una actualización del software a bordo de Integral que debería hacer que el momento angular sea un problema menor al apuntar, girar, la nave espacial.

“Estamos muy contentos de que gracias a esta genial estrategia de ‘z-flip’, Integral pueda seguir vigilando el cielo de alta energía sin problemas”, dice Erik Kuulkers, científico del proyecto Integral.

«Y ahora esperamos con interés los descubrimientos habilitados por el nuevo modo de giro, lo que significa que esta nave espacial de 18 años debería ser aún más rápida en responder y observar eventos energéticos repentinos en todo el Universo que cuando se lanzó hace casi dos décadas».

Escucha la historia

Escuche a Richard contar la historia del rescate y la mejora de Integral y el increíble trabajo en equipo que salvó la misión, en el último episodio de la Podcast de operaciones espaciales de la ESA.