La Agencia Espacial Europea (ESA) ha probado el sistema de medición basado en láser que mantendrá la nave espacial doble de la misión Proba-3 en posición durante horas seguidas. Estos satélites se convertirán en los objetos controlados con mayor precisión en el espacio, manteniendo una distancia establecida entre sí con una precisión de nivel milimétrico.
“Debido a su lanzamiento en 2024, Proba-3 es la misión de vuelo en formación con mayor precisión de la ESA”, comenta Damien Galano, director del proyecto Proba-3 de la ESA. “Al mantener su posición relativa entre sí durante hasta seis horas por órbita a una distancia nominal de 144 metros, la nave espacial Occulter proyectará una sombra sobre su contraparte Coronagraph para formar un eclipse solar artificial en el espacio, de modo que la tenue atmósfera exterior o corona del Sol se pueda estudiar libremente”, explica el director.
«Pero el par de satélites requiere un sistema de metrología sofisticado para mantenerlos en posición y necesitábamos probar el hardware de vuelo del elemento más preciso de este sistema multifacético, el sistema de ‘metrología óptica fina’ basado en láser», comenta Galano.
El proyecto solicitó el apoyo del Laboratorio de Metrología del Centro de Pruebas ESTEC de la ESA en los Países Bajos, parte de la instalación de prueba de satélites más grande de Europa, operada para la Agencia por European Test Services. Ramon Vink, del laboratorio, explica que «nuestro desafío era encontrar una sala limpia lo suficientemente larga como para abarcar la gama completa de distancias involucradas para el láser y su retrorreflector, con una separación de hasta 250 metros».
El equipo se decidió por la sala limpia de la cámara de prueba de vacío-1.5. Steven Sablerolle del Laboratorio de Metrología, asegura que “con 60 metros de longitud, la sala limpia VTC-15 era demasiado pequeña, por lo que instalaron una serie de espejos plegables que podían hacer rebotar el rayo láser alrededor de la cámara para cruzar el rango completo de distancia requerida.
Jorg Versluys, ingeniero de sistemas de Proba-3, agrega que “el laboratorio de metrología del centro de pruebas nos ayudó a alinear y mapear con precisión las posiciones de los espejos, usando sus propios rastreadores láser. La campaña de prueba tomó alrededor de seis semanas, principalmente durante la noche para minimizar las perturbaciones no deseadas del resto del sitio ocupado; incluso un camión que pasa por la carretera podría aparecer en nuestros resultados. Esta prueba marcó la primera vez que las diversas partes de este sistema de metrología óptica fina se operaron juntas, pero los resultados estuvieron en línea con nuestros modelos anteriores”.
Para la prueba, el cabezal óptico generador de láser de Proba-3 se integró en el banco óptico de la misión y luego se colocó sobre una mesa de granito para lograr la máxima estabilidad. El láser se enfocó en un retrorreflector láser, que es un tipo especial de espejo, que se asemeja a los «ojos de gato» reflectantes en una autopista, que posee una reflectividad interna cuidadosamente diseñada para hacer rebotar la luz láser exactamente en la misma dirección de la que proviene.
Luego, un fotodiodo en el cabezal óptico reconoce la luz láser reflejada para calcular el número de oscilaciones de onda que la luz ha tomado para rebotar, para derivar su tiempo de viaje preciso y, por lo tanto, la distancia entre los dos satélites. Un segundo detector, una matriz 2D, adquiere la posición lateral del rayo láser reflejado para identificar el desplazamiento lateral del retrorreflector con respecto al cabezal óptico.
Este es el más preciso de los múltiples métodos de metrología empleados por los dos satélites Proba-3, cada uno con una escala de alrededor de un metro cúbico. Un enlace de radio continuo entre satélites se complementa con receptores del Sistema Global de Navegación por Satélite. Cuando los satélites se encuentren a menos de 250 metros de distancia, las cámaras de la nave espacial Occulter generarán imágenes y detectarán los LED montados en la nave espacial Coronagraph. Luego, el sistema basado en láser se utilizará para mantener una alineación satelital precisa.
“Nuestras pruebas nos permitieron mapear cómo responde el sistema de metrología cuando el objetivo se mueve ligeramente hacia arriba o hacia abajo o de lado a lado”, agrega Jorg. “Así que terminamos con una base de datos completa del movimiento de las dos unidades en una escala de píxeles por milímetro que podemos emplear de verdad cuando lleguemos al espacio”.
