En el transcurso de dos proyectos, los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign investigaron el uso de un concepto de propulsión conocido como propulsión multimodo para llevar naves espaciales a la Luna y desarrollaron una técnica para diseñar transferencias multimodo óptimas.
La NASA proporcionó al equipo cuatro escenarios de misión reales. El objetivo era explorar cómo un sistema de propulsión multimodo que integra tanto un modo químico de alto empuje como un modo eléctrico de bajo empuje, mientras se utiliza el mismo propulsor, puede tener éxito. Examinaron el uso de un CubeSat estándar de 12 unidades para lograr cuatro misiones distintas.
«Mostramos por primera vez la viabilidad de utilizar la propulsión multimodo en misiones lunares relevantes para la NASA, particularmente con CubeSats», dijo el estudiante de doctorado en ingeniería aeroespacial Bryan Cline. «Otros estudios utilizaron problemas arbitrarios, lo que es un gran punto de partida. El nuestro es el primer análisis de alta fidelidad del diseño de misiones multimodo para misiones lunares relevantes para la NASA».
El estudio, que analizó cuatro trayectorias lunares relevantes para la NASA, «Lunar SmallSat Missions with Chemical-Electrospray Multimode Propulsion», es obra de Cline y Joshua Rovey de la Universidad de Illinois, Khary Parker y José J. Rosales del Goddard Space Flight Center de la NASA, y Stephen West de Space Exploration Engineering. Se publicó en el Journal of Spacecraft and Rockets.
Cline dijo que una de las ventajas de la propulsión multimodo sobre un sistema híbrido es que puede haber un gran ahorro en la masa seca de la nave espacial. Necesitar solo un tanque de combustible, por ejemplo, ahorra masa y volumen.
«Los sistemas de propulsión multimodo también amplían el rango de rendimiento», dijo. «Los describimos como flexibles y adaptables. Puedo elegir un modo químico de alto empuje para llegar a algún lugar rápidamente y un modo electropulverizador de bajo empuje para hacer maniobras más pequeñas para permanecer en la órbita deseada. Tener múltiples modos disponibles tiene el potencial de reducir el consumo de combustible o reducir el tiempo para completar el objetivo de la misión».
También existen ventajas sobre los sistemas de propulsión híbridos, que tienen múltiples modos de propulsión pero cada uno utiliza un propulsor diferente.
«Puedo elegir usar un empuje alto en cualquier momento y un empuje bajo en cualquier momento, y no importa lo que haya hecho en el pasado. Con un sistema híbrido, cuando un tanque está vacío, no puedo elegir esa opción».
Cline dijo que, para completar cada una de las misiones de referencia de diseño para este proyecto, tomaron todas las decisiones manualmente, es decir, cuándo usar un empuje alto y cuándo usar un empuje bajo. Como todo era manual, las trayectorias no eran óptimas. Después de este trabajo, Cline desarrolló un algoritmo, un conjunto de ecuaciones, para seleccionar automáticamente cuándo usar un empuje alto y un empuje bajo para garantizar que la trayectoria resultante sea óptima.
«Este fue un proyecto completamente diferente, en el que el enfoque se centró en el desarrollo del método, en lugar de en los resultados específicos que se muestran en el artículo. Desarrollamos la primera técnica de control óptimo indirecto específicamente para el diseño de misiones multimodo. Como resultado, podemos desarrollar transferencias que obedecen las leyes de la física y al mismo tiempo logran un objetivo específico, como minimizar el consumo de combustible o el tiempo de transferencia», dijo Cline.
Cline primero resolvió una transferencia bidimensional simple entre la Tierra y Marte que decide los momentos óptimos para usar alto empuje, bajo empuje o simplemente marcha por inercia. Luego resolvió una transferencia tridimensional a la órbita geoestacionaria que minimiza el consumo de combustible.
El estudio que desarrolló el método, «Técnicas de control óptimo indirecto para el diseño de misiones de propulsión multimodo», es de Cline y Alex Pascarella, y sus asesores académicos, Robyn Woollands y Joshua Rovey. Está publicado en la revista Acta Astronautica.
«Mostramos que el método funciona en una misión que es relevante para la comunidad científica», dijo. «Ahora se puede utilizar para resolver todo tipo de problemas de diseño de misiones. Las matemáticas son independientes de la misión específica. Y como el método utiliza cálculo variacional, lo que llamamos una técnica de control óptimo indirecto, garantiza que se obtendrá al menos una solución óptima a nivel local».
Cline dijo que la propulsión multimodo está surgiendo, facilitando y mejorando. «Es una tecnología emergente porque todavía se está desarrollando en el lado del hardware. Es facilitadora en el sentido de que podemos lograr todo tipo de misiones que no podríamos hacer sin ella. Y es mejor porque si tienes un concepto de misión determinado, puedes hacer más con la propulsión multimodo. Tienes más flexibilidad. Tienes más adaptabilidad.
«Creo que este es un momento emocionante para trabajar en la propulsión multimodo, tanto desde una perspectiva de hardware como desde una perspectiva de diseño de misiones. Estamos desarrollando herramientas y técnicas para tomar esta tecnología de algo que probamos en el sótano de Talbot Lab y convertirla en algo que puede tener un impacto real en la comunidad espacial».
Con información de Journal of Spacecraft and Rockets
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