Programa Chandrayaan

Según el acuerdo, ISRO tenía la responsabilidad de lanzar, orbitar y desplegar el rover Pragyan mientras que Roscosmos de Rusia proporcionaría el módulo de aterrizaje. ^{[ 23 ]} El diseño de la nave espacial por ISRO se completó en 2009, ^{[ 24 ]} las cargas útiles también se finalizaron y el lanzamiento se programó para 2013. ^{[ 25 ]} El proyecto luego se topó con un obstáculo cuando Rusia retrasó el desarrollo de su módulo de aterrizaje debido al fracaso de su misión Fobos-Grunt que reveló problemas técnicos en las piezas similares que se usarían en el módulo de aterrizaje lunar. ^{[ 26 ]} Rusia propuso entonces algunos cambios que requerían que ISRO disminuyera la masa de su rover debido al aumento en la masa del módulo de aterrizaje. Un cronograma retrasado y la solicitud rusa de aceptar el riesgo significaron que India tuvo que emprender todo el proyecto de forma independiente. ^{[ 27 ]} Con la ventana de transferencia a Marte llegando en 2013, ISRO reutilizó el hardware no utilizado del orbitador Chandrayaan-2 para la Misión Orbital a Marte . ^{[ 28 ]}

Tras el fracaso del acuerdo con Rusia, India quedó sola y asumió la responsabilidad total del proyecto, incluyendo el desarrollo de la tecnología del módulo de aterrizaje. Para ello, ISRO creó una réplica del sitio de aterrizaje lunar de Chandrayaan-2 en Challakere , con cráteres de 10 m (33 pies) de diámetro y 3 m (9,8 pies) de profundidad. Este sitio se utilizó para probar la electrónica del módulo de aterrizaje y el rover. El proyecto tenía un costo estimado de 600 crore de rupias (62 millones de dólares estadounidenses ) y se esperaba su lanzamiento en el primer trimestre de 2018 a bordo del GSLV MK-II . ^{[ 29 ] [ 30 ]} Posteriormente, en 2017, India firmó un acuerdo con JAXA de Japón para realizar un estudio de viabilidad para otra misión conjunta de exploración lunar denominada Misión de Exploración Lunar Polar (LUPEX). Para esta misión, se requería una demostración técnica de aterrizaje suave con la misión Chandrayaan-2. ^{[ 31 ] [ 32 ]}     

En 2018, la misión sufrió su segundo retraso después de que ISRO realizara cambios de diseño en la nave espacial, así como en su maniobra, en la que el módulo de aterrizaje orbitaría la Luna para evaluar el rendimiento de varios sistemas antes de aterrizar. Esto era contrario al plan anterior, en el que el módulo de aterrizaje descendería directamente tras alcanzar la órbita designada. Se añadió un quinto motor al módulo de aterrizaje, se aumentó el diámetro de las patas de aterrizaje, se añadieron dos tanques de propulsor adicionales y se proporcionaron sistemas de soporte adicionales para la energía, la estructura y el control térmico. Esto aumentó significativamente la masa del material compuesto y obligó a ISRO a actualizar el vehículo GSLV Mk-II, pero los científicos consideraron que sería arriesgado realizar el vuelo de prueba del Mk-II mejorado con la carga útil de Chandrayaan-2, por lo que se optó por un vehículo LVM3 más capaz y que ya había volado . ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Durante una prueba de aterrizaje en febrero de 2019, el módulo de aterrizaje sufrió daños menores en dos de sus patas debido a una orientación defectuosa para la prueba, y el lanzamiento se programó para el segundo trimestre del año. ^{[ 35 ]} El costo final del proyecto Chandrayaan-2 fue de alrededor de ₹ 800 crore (US$83 millones) . 

El 22 de julio de 2019, Chandrayaan-2 fue finalmente lanzado en LVM3 , poniendo fin a varios obstáculos que afectaron a la misión durante la década. ^{[ 36 ]} Después de las maniobras de elevación de órbita y finalmente la inyección translunar, Chandrayaan-2 alcanzó la órbita lunar el 20 de agosto. El 6 de septiembre de 2019, durante el descenso a la superficie, se perdió el contacto con el módulo de aterrizaje después de que este se estrellara. Según el presidente K. Sivan , el módulo de aterrizaje estaba funcionando como se esperaba hasta que estaba a solo 2,1 km (1,3 mi) sobre la superficie cuando comenzó a desviarse de la trayectoria prevista. ^{[ 37 ]} Cuatro años después, el presidente de ISRO, S. Somanath, reveló tres razones principales del fallo: la presencia de cinco motores que generaban un empuje mayor, lo que provocó que los errores se acumularan con el tiempo; la incapacidad del módulo de aterrizaje para girar muy rápido, ya que no se esperaba que lo hiciera a una velocidad de giro tan alta; y la razón final fue el pequeño sitio de aterrizaje de 500x500 m elegido, que dejó al módulo de aterrizaje con menos margen de error. ^{[ 38 ]}  

Dos meses después del fracaso de Chandrayaan-2, se propuso la tercera misión con el módulo de aterrizaje y el rover como componentes principales de la misión, a diferencia de la anterior donde el orbitador transportaba una mayor carga útil científica. Chandrayaan-3 sería un nuevo intento para demostrar las capacidades de aterrizaje necesarias para la misión LUPEX, una asociación propuesta con Japón que estaba planificada para el período 2025-26. ^{[ 39 ]} ISRO solicitó ₹ 75 crore (US$7.8 millones) al gobierno como financiamiento inicial para el proyecto Chandrayaan-3 que incluía un módulo de propulsión, un módulo de aterrizaje y un rover. Se esperaba que se lanzara un año después, en noviembre de 2020. ^{[ 40 ] [ 41 ]} El 19 de diciembre de 2019, P Veeramuthuvel fue nombrado director de la misión. ^{[ 42 ]} El trabajo en el proyecto estaba en marcha en enero de 2020 y K. Sivan reveló que el lanzamiento podría ocurrir a principios de 2021 con un costo total del proyecto de ₹ 615 crore (US$64 millones) . ^{[ 43 ]} Más tarde, en marzo, el gobierno confirmó que el lanzamiento podría tener lugar en la primera mitad de 2021. ^{[ 44 ]} La adición anterior del quinto motor en el módulo de aterrizaje de Chandrayaan-2 que causó el empuje adicional ahora se eliminó del diseño de Chandrayaan-3. ^{[ 45 ]} Al igual que Chandrayaan-2, las pruebas para el módulo de aterrizaje se llevarían a cabo en Challakere donde el sitio similar a la Luna construido previamente por ISRO con cráteres se había deteriorado. Se gastó un total de ₹ 24,2 lakh (US$ 25.000) en recrear el sitio con cráteres de dimensiones similares ( 10 m (33 pies) de ancho y 3 m (9,8 pies) de profundidad). ^{[ 46 ]}      

El lanzamiento, que estaba previsto para principios de 2021, se retrasó hasta 2022 debido a la pandemia de COVID-19 en la India . ^{[ 47 ]} El módulo de propulsión, que estaba listo antes de la pandemia, había comenzado sus pruebas, tras las cuales se iban a realizar las pruebas del módulo de aterrizaje y del rover, pero la pandemia retrasó el proyecto y pospuso su fecha de lanzamiento tentativa hasta el tercer trimestre de 2022. ^{[ 48 ]} Algunos cambios más, como el refuerzo de las patas de aterrizaje, la mejora de los instrumentos, una configuración a prueba de fallos y pruebas adicionales, hicieron que el nuevo calendario para el lanzamiento se trasladara al segundo trimestre de 2023. ^{[ 49 ]}

En mayo de 2023, la nave espacial se encontraba en la etapa final del ensamblaje de cargas útiles en el Centro de Satélites UR Rao, con el lanzamiento previsto para la primera o segunda semana de julio. ^{[ 50 ]}

El 14 de julio de 2023, Chandrayaan-3 fue lanzado con éxito en el LVM3 y se insertó en la esfera de influencia gravitacional lunar el 5 de agosto de 2023. ^{[ 51 ]} El 23 de agosto de 2023, el módulo de aterrizaje Vikram realizó un aterrizaje suave con éxito en la región del polo sur lunar, logrando el primer aterrizaje suave de la humanidad en la región y convirtiendo a la India en el cuarto país en realizar un aterrizaje suave en la Luna después de la Unión Soviética, Estados Unidos y China. ^{[ 52 ]} Poco después del aterrizaje, el rover Pragyan bajó de la rampa y se desplazó 8 m (26 pies), convirtiendo a la India en el tercer país en operar un rover robótico en la Luna después de la Unión Soviética y China. ^{[ 53 ]}  

Chandrayaan-1, lanzada el 22 de octubre de 2008 a bordo del PSLV-XL, era una nave orbital cúbica alimentada por energía solar que pesaba 1380 kg (3042 lb) junto con la sonda de impacto lunar. Se alimentaba de un panel solar de una sola cara durante el día y de baterías de iones de litio por la noche. La actitud de la nave espacial se controlaba mediante un método de estabilización de tres ejes utilizando dos sensores estelares , giroscopios y cuatro ruedas de reacción . La transmisión de datos científicos se realizaba en frecuencias de banda X , mientras que el seguimiento de telemetría se realizaba en frecuencias de banda S. Para almacenar estos datos, se utilizaron dos grabadoras de estado sólido (SSR): la SSR-1 con una capacidad dedicada de 32 GB para datos científicos y la SSR-2 con una capacidad de 8 GB para el resto de los datos científicos e información de actitud. El Moon Mineralogy Mapper , una carga útil científica estadounidense a bordo, llevaba su propia SSR con una capacidad de 10 GB. ^{[ 55 ]}  

El conjunto orbitador-impactador entró en la esfera de influencia gravitatoria lunar el 8 de noviembre de 2008. Tras maniobras de reducción orbital, alcanzó una órbita polar elíptica de 100 km (62 mi) , sobre la cual se activaron dos de las once cargas útiles científicas: la Cámara de Cartografía del Terreno (TMC), con una resolución espacial de 5 m (16 ft) ^{[ 56 ],} y el Monitor de Dosis de Radiación (RADOM). ^{[ 15 ] [ 57 ]} Tras el despliegue del MIP, el resto de los nueve instrumentos científicos comenzaron a operar. ^{[ 58 ]}    

El 25 de noviembre de 2008, apenas un par de semanas después de entrar en órbita lunar, la temperatura del orbitador aumentó a 50 °C (122 °F) tras recibir la misma cantidad de calor del sol y de la luna (debido a su albedo ). Se realizaron esfuerzos como rotar la nave 20 grados, apagar las computadoras de la misión y aumentar su órbita a 200 km (120 mi) para reducir su temperatura y evitar daños a los instrumentos a bordo. ^{[ 59 ]} Un año después, el problema del sobrecalentamiento provocó el fin de la misión, ya que dañó los sensores estelares que mantenían la orientación de la nave. La orientación se mantuvo entonces a duras penas con la ayuda de giroscopios como medida temporal antes de perder el contacto el 28 de agosto de 2009, lo que puso fin a la misión un año antes de su duración prevista. Sin embargo, se analizó que la misión tuvo un éxito del 95 % en sus operaciones previstas. ^{[ 60 ] [ 61 ]}    

Chandrayaan-2 fue la segunda misión del programa e incluyó un orbitador, un módulo de aterrizaje y un rover. Tras el fracaso del orbitador Chandrayaan-1, el orbitador Chandrayaan-2 permitió a ISRO realizar investigaciones científicas con cámaras e instrumentos modernos. Los objetivos principales de esta misión fueron realizar un aterrizaje suave en la superficie y operar un rover para estudiar la superficie lunar, su exosfera , minerales y hielo de agua . ^{[ 62 ] [ 63 ]} Mientras que el conjunto Chandrayaan-2 (orbitador, módulo de aterrizaje y rover) pesaba 3850 kg (8490 lb) en total, el orbitador solo pesaba 2379 kg (5245 lb) . Transportaba ocho instrumentos científicos, dos de los cuales eran: La cámara de mapeo de terreno 2 (TMC-2) y el explorador de composición atmosférica Chandrayaan-2 2 (ChACE-2) son versiones mejoradas de la cámara de mapeo de terreno (TMC) y el explorador de composición atmosférica de Chandra (CHACE) a bordo del orbitador Chandrayaan-1 y la sonda de impacto lunar, respectivamente. ^{[ 64 ]}    

El Chandrayaan-2 fue lanzado el 14 de julio de 2019 ^{[ 36 ]} y alcanzó la órbita lunar el 20 de agosto de 2019. ^{[ 65 ]} Después de cinco maniobras de reducción orbital, el compuesto alcanzó una órbita casi circular de 127 km × 119 km (79 mi × 74 mi) , ^{[ 66 ]} a la que siguió la separación de Vikram el 2 de septiembre de 2019. ^{[ 67 ]} El aterrizaje forzoso de Vikram dejó al orbitador como el único componente exitoso de la misión, y su nueva duración de misión se extendió de un año a siete años y medio. La cámara de alta resolución del orbitador (OHRC) durante ese tiempo siguió siendo la cámara más avanzada en la órbita lunar con una resolución espacial de 25 cm (9,8 in) , cuatro veces mayor que la resolución de 1 m (3 ft 3 in) del orbitador Chandrayaan-1 . El orbitador está estudiando actualmente los tubos de lava y las cuevas que fueron avistadas previamente por el orbitador Chandrayaan-1. ^{[ 68 ] [ 69 ]}           

Con el orbitador Chandrayaan-2 ya operativo y la necesidad de demostrar capacidades de aterrizaje, el orbitador de Chandrayaan-3 transportaba solo una carga útil y, para su propósito principal, servía como módulo de propulsión para transportar a Vikram a la Luna. La carga útil de espectropolarimetría de planetas habitables Tierra (SHAPE) se desarrolló para estudiar la atmósfera de la Tierra desde la distancia y ayudaría en el estudio de las atmósferas de exoplanetas , que emplea una técnica similar. ^{[ 70 ]} Chandrayaan-3 fue lanzado el 14 de julio de 2023 a bordo del LVM3 ^{[ 71 ]} y el 16 de agosto de 2023, el compuesto alcanzó una órbita lunar final de 113 km × 157 km (70 mi × 98 mi) . ^{[ 72 ]} Un día después, el orbitador se separó del módulo de aterrizaje y comenzó sus operaciones independientes con SHAPE. ^{[ 73 ]} El orbitador, también conocido como Módulo de Propulsión (PM) de Chandrayaan-3, fue trasladado de su órbita alrededor de la Luna a una órbita alrededor de la Tierra. ^{[ 74 ]} Si bien el plan inicial era operar SHAPE durante aproximadamente tres meses durante la vida útil de la misión del orbitador, la inyección precisa en la órbita terrestre baja por parte del LVM3 y las maniobras óptimas de encendido Tierra/Luna, dieron como resultado la disponibilidad de más de 100 kg (220 lb) de combustible en el orbitador después de más de un mes de operaciones en la órbita lunar. Se decidió utilizar el combustible disponible para obtener información adicional para futuras misiones lunares y demostrar las estrategias de operación de la misión para una misión de retorno de muestras. Para continuar con la carga útil de SHAPE para la observación de la Tierra, se decidió reorbitar el orbitador a una órbita terrestre adecuada. Este plan de misión se elaboró ​​considerando la evitación de colisiones, como evitar que el orbitador se estrellara contra la superficie de la Luna o entrara en el cinturón GEO de la Tierra a 36000 km y órbitas por debajo de eso. Considerando la disponibilidad estimada de combustible y la seguridad de las naves espaciales GEO, la trayectoria óptima de retorno a la Tierra se diseñó para octubre de 2023. ^{[ 74 ]} Estuvo en funcionamiento hasta el 22 de agosto de 2024. ^{[ 75 ]}         

El módulo de aterrizaje se llamó Vikram y pesaba 1471 kg (3243 lb) incluyendo el rover de 27 kg (60 lb) llamado Pragyan que albergaba en su interior. ^{[ 76 ]} Vikram tenía ocho propulsores de 58 N (13 lb _f ) para el control de actitud y cinco motores principales líquidos de 800 N (180 lb _f ) que se derivaron de los motores de apogeo líquidos de 400 N (90 lb _f ) de ISRO ^{[ 77 ]} y fue diseñado para aterrizar de forma segura en pendientes de hasta 12°. ^{[ 78 ]} Llevaba cuatro cargas útiles para estudiar la actividad sísmica lunar, medir las temperaturas subsuperficiales lunares y medir la densidad y variación del plasma de la superficie lunar (usando una sonda Langmuir ).          

Después de dos maniobras de desorbitación, Vikram alcanzó una órbita final de 95 km × 119 km (59 mi × 74 mi) después de lo cual comenzó la fase de descenso propulsado el 7 de septiembre de 2019. Durante el descenso y el aterrizaje, las computadoras de a bordo tuvieron control total sobre el módulo de aterrizaje. ^{[ 79 ]} El descenso inicial y los procedimientos de frenado crítico se desarrollaron según lo previsto, pero al alcanzar una altitud de 2,1 km (1,3 mi) , el módulo de aterrizaje comenzó a desviarse y perdió su contacto con el control de la misión después del posterior aterrizaje forzoso. ^{[ 80 ]} Tras el análisis, se descubrió que los motores principales tenían un empuje mayor de lo normal, lo que provocó que se acumularan errores con el tiempo y esto significó que el módulo de aterrizaje no podía cambiar su actitud a un ritmo tan rápido debido a las restricciones de seguridad en la computadora de a bordo que tenía un límite en la velocidad máxima a la que podía cambiar su actitud. La regulación brusca de los motores principales, el error en el cálculo del tiempo restante de la misión y un pequeño lugar de aterrizaje de 500 x 500 m fueron otras de las razones atribuidas al fallo. ^{[ 81 ] [ 82 ]}        

El módulo de aterrizaje Vikram de Chandrayaan-3 había sufrido cambios importantes después del aterrizaje forzoso de su predecesor. ^{[ 83 ] [ 84 ]} Ahora tenía cuatro motores principales en lugar de cinco que proporcionaban 800 N (180 lb _f ) de empuje y tenían capacidades de cambio de velocidad de giro , a diferencia de antes cuando el quinto motor montado centralmente carecía de esa capacidad. Esto permitió al módulo de aterrizaje controlar la actitud y el empuje durante todas las fases del descenso. La tasa de corrección de actitud también se incrementó de 10°/s de Chandrayaan-2 a 25°/s con Chandrayaan-3. Se equipó un velocímetro láser doppler (LDV) adicional que permitía mediciones de actitud en las tres direcciones. ^{[ 85 ] [ 84 ]} Las patas de impacto se hicieron más grandes y resistentes que las de Chandrayaan-2. El OHRC a bordo de Chandrayaan-2 permitió que la misión tuviera un sitio de aterrizaje ampliado con un área de aterrizaje de 10 km ² (3,9 mi² ) . El módulo de aterrizaje se sometió a varias pruebas, incluyendo una prueba de caída desde helicóptero que ayudó a mejorar la rigidez estructural. En caso de fallo durante el descenso y el aterrizaje, se añadieron múltiples sistemas de contingencia para aumentar las probabilidades de supervivencia del módulo. La zona de aterrizaje no sufrió cambios con respecto a la misión anterior, ^{[ 86 ]} aunque el área del nuevo emplazamiento se amplió a 4 km × 2,5 km (2,5 mi × 1,6 mi) desde los 500 m × 500 m (1600 ft × 1600 ft) anteriores . Otros cambios importantes en el nuevo enfoque «basado en fallos» incluyeron la eliminación del quinto motor, un aumento de la capacidad de combustible, un aumento del componente de velocidad vertical y otros cambios de software. ^{[ 87 ]}                 

El 23 de agosto de 2023, el módulo de aterrizaje que previamente había reducido su órbita a 25 km × 134 km (16 mi × 83 mi) mediante maniobras de desorbitación, ^{[ 88 ]} comenzó a descender utilizando sus cuatro motores después de alcanzar cerca de su periselene a 30 km (19 mi ) . Aproximadamente después de once minutos de descenso propulsado, el módulo de aterrizaje mantuvo la altitud de 7,5 km (4,7 mi) durante 10 segundos antes de cambiar su actitud a una posición vertical para la fase final de descenso vertical. Luego utilizó dos de sus cuatro motores para frenar su descenso a 150 m (490 ft) y luego se mantuvo suspendido dos veces durante unos treinta segundos antes de aterrizar en el punto óptimo elegido. ^{[ 89 ]}            

El 3 de septiembre de 2023, antes de poner a Vikram en modo de reposo, ISRO realizó un salto en la superficie lunar encendiendo sus motores, lo que le permitió desplazarse 40 cm (16 pulgadas) vertical y lateralmente antes de volver a aterrizar. Este experimento resultó ser la prueba más significativa realizada por ISRO, ya que los datos recopilados serían útiles para futuras misiones de retorno de muestras del programa. ISRO también logró un récord único al realizar su primer despegue y aterrizaje vertical en una superficie extraterrestre antes que en la Tierra; esto estaba previsto para su programa de demostración de tecnología reutilizable . ^{[ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]}  

El rover llamado Pragyan transportaba dos cargas útiles científicas que se utilizarían para determinar la composición elemental y su abundancia cerca del lugar de aterrizaje. ^{[ 64 ]} Fue diseñado para viajar a una velocidad de 1 cm/s (0,39 in/s) y podría recorrer hasta 500 m (1600 ft) durante su vida útil. Se esperaba que tanto el módulo de aterrizaje como el rover funcionaran durante un día lunar, ya que carecían de una unidad de calentamiento de radioisótopos (RHU) y dependían completamente de la energía solar para su funcionamiento. ^{[ 93 ]} El Pragyaan de Chandrayaan-2 quedó excluido de sus operaciones después del aterrizaje forzoso de su portador Vikram .    

A diferencia del módulo de aterrizaje, no se hicieron cambios en el rover Pragyan excepto por el cambio del logotipo de ISRO por el Emblema de la India en las ruedas izquierda y derecha, respectivamente, que los imprimirían en el regolito. Los objetivos científicos también permanecieron sin cambios desde la misión anterior. El 23 de agosto de 2023, unas horas después del aterrizaje suave, se desplegó la rampa para que el Pragyan aterrizara y comenzara sus operaciones en la superficie. ^{[ 94 ]} Unos días más tarde, se encendieron los instrumentos y el rover se movió 8 m (26 pies) en la superficie, logrando así el objetivo principal de la misión. ^{[ 95 ]} El 3 de septiembre de 2023, con la noche lunar acercándose, el rover se apagó y se puso en 'modo de suspensión'.