MONTE Python: una herramienta de excelencia para el diseño y operación de misiones espaciales

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2017-06-07


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Fig. 1. Concepción artística de la nave New Horizons sobrevolando Plutón. Cortesía NASA.

¿Alguna vez te has preguntado cómo es posible conocer con precisión el estado de una nave que surca el espacio profundo para llevar a cabo una misión como la del New Horizons, la nave robótica que sobrevoló Plutón el año pasado y que ahora está navegando en los límites del sistema solar?

 

La navegación por el espacio profundo requiere de un gran esfuerzo coordinado de muchas personas y la utilización de sistemas para localizar a las naves con mucha precisión en el espacio y predecir su movimiento. Para hacer esto se requiere de conocer las fuerzas que actúan sobre el vehículo espacial en todo momento y resolver las ecuaciones del movimiento con respecto a un sistema de referencia conveniente. La mayoría de las fuerzas que actúan sobre el vehículo se deben a interacciones gravitatorias de los cuerpos celestes como el sol y los planetas, pero también se pueden deber a la radiación solar o al arrastre atmosférico al estar en la vecindad de un planeta. Todas estas interacciones se deben modelar con precisión para predecir las trayectorias de la nave espacial, por lo que es necesario conocer también las posiciones del sol y los planetas.

 

La trayectoria de una nave en una misión de espacio profundo es bastante complicada y difícil de determinar ya que nos tiene que asegurar que la nave espacial llegará a su destino en un lugar y momento preciso. Es como querer lanzar una flecha desde un carrousel que está girando para dar en el blanco en un objeto que también está en movimiento. Es por eso que antes de lanzar una nave al espacio hay que planear la misión y hacer muchos cálculos para determinar la trayectoria más apropiada de la nave. Esto requiere en la mayoría de los casos de muchas iteraciones debido a que, en la mayoría de los casos, también es deseable optimizar una función de costo tal como el gasto de combustible para asegurarnos de que utilizaremos la cantidad mínima de combustible con objeto de hacer más fácil y barato el lanzamiento.

 

Una vez que estamos conformes con una trayectoria determinada hay que lanzar el vehículo. Y aunque se supone que en el diseño de la trayectoria tomamos en cuenta todas las interacciones sobre la nave como la gravedad de los cuerpos celestes, el arrastre atmosférico, y la radiación solar, entre otras, una vez que la nave está en su curso, debemos tomar mediciones de su posición, velocidad y orientación para determinar su trayectoria real. Debido a que el conocimiento de las fuerzas que afectan el vuelo del vehículo tiene incertidumbres, es muy probable que durante el vuelo la nave se desvíe de la trayectoria planeada más allá de lo tolerable, por lo que hay que realizar maniobras para corregirla. Estas maniobras se realizan activando propulsores que aplican fuerzas correctivas durante tiempos precisos y en una dirección determinada. Este proceso de corrección se repite cuantas veces sea necesario hasta que la nave llegue a su destino.

 

MONTE Python

 

De la discusión anterior podemos ver que requerimos de grandes recursos de modelado y cálculo para llevar a cabo misiones espaciales.  Uno de los sistemas más completos que existen en la actualidad para modelar misiones espaciales se llama afectuosamente ´MONTE Python´, en honor a un grupo de cómicos ingleses, o Mission-analysis, Operations, and Navigation Toolkit Environment, (el Python proviene de que está escrito en lenguaje Python).

 

MONTE es un desarrollo del JPL o Jet Propulsion Lab, un centro de investigación espacial administrado por el Caltech bajo contrato con la NASA. El JPL está localizado en Pasadena, California, y sus contribuciones a la exploración espacial son sobresalientes. Como antecedente de MONTE, en los años 60´s del siglo pasado, un grupo de ingenieros de JPL liderados por Ted Moyer se dedicaron a desarrollar un programa de cómputo llamado Double Precision Trajectory and Orbit Determination Program o DPTO/DP, el cual se empleó en el cálculo de las trayectorias de muchas misiones de exploración del sistema solar importantes como Pioneer, Voyager y Viking, entre otras. DPTO/DP sufrió una evolución natural ya que reescribió en diferentes lenguajes de programación de su tiempo como Fortran V y Fortran 77, entre otros.

 

Fig. 2. Concepción artística de la nave Pioneer.

 

 

Con el tiempo, los ingenieros del JPL se dieron cuenta de que era necesario hacer una actualización completa del sistema y fue así como se creó MONTE. MONTE se escribió originalmente en C++ para luego presentarlo al usuario a través de una interfaz de programación (API) escrita en el lenguaje Python.

 

MONTE se utilizó por primera vez en 2007 en la misión Phoenix Mars y durante algún tiempo se estuvo utilizando en conjunto con otros sistemas de navegación más antiguos. A partir de 2012 MONTE se ha utilizado en todas las misiones del JPL como la Dawn, Juno, Maven, MRO y seguramente se usará en las siguientes misiones que JPL desarrollará en la próxima década.

 

MONTE es uno de los sistemas de modelado de misiones espaciales más completos que existen y permite realizar cálculos de astro navegación con la precisión requerida para guiar a las naves en el espacio profundo, sin embargo, nada impide que utilicemos MONTE para hacer cálculos para la operación de satélites de órbita baja.


Recientemente MONTE se excluyó de la regulación ITAR (International Traffic in Arms Regulations), una ley que impide la salida de Estados Unidos de productos que podrían ser utilizados como armas. Por esta razón, ahora el JPL puede licenciar MONTE a particulares, en especial para usos educativos. Por todas sus características, MONTE constituye una excelente plataforma para la enseñanza de la astrodinámica, por lo que podría ser adoptado por centros educativos interesados en la enseñanza de la ingeniería aeroespacial. Los lectores interesados en contar con más detalles sobre MONTE, pueden consultar la siguiente página: https://montepy.jpl.nasa.gov/

 

 

TAGS: MONTE Python, Dawn, Juno, Maven, MRO,,

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnologia espacial de la Agencia espacial Méxicana.