Esta ilustración muestra el Ingenuity en Marte durante un vuelo de prueba en Marte. El ingenuity fue llevado al Planeta Rojo atado al vientre del rover Perseverance (visto al fondo). Ingenuity, un experimento tecnológico, fue el primer avión en intentar un vuelo controlado en otro planeta en 2021. Crédito: NASA / JPL-Caltech
En los meses transcurridos desde que volamos por primera vez, hemos aprendido mucho sobre cómo operar un helicóptero en Marte. Hemos explorado las fortalezas y limitaciones de Ingenuity en detalle, aprovechando el primero y trabajando en torno al segundo para ponerlo en funcionamiento como una plataforma de reconocimiento de alta capacidad.
Con el beneficio del conocimiento adquirido, la realización de vuelos en Marte se ha vuelto en muchos aspectos más fácil de lo que era al principio. Pero de una manera importante, en realidad se está volviendo más difícil cada día: estoy hablando de la densidad atmosférica, que ya era extremadamente baja y ahora está cayendo aún más debido a las variaciones estacionales en Marte.
Cuando diseñamos y probamos Ingenuity en la Tierra, esperábamos que la misión de cinco vuelos de Ingenuity se completara en los primeros meses después del aterrizaje de Perseverance en febrero de 2021. Por lo tanto, nos preparamos para vuelos a densidades atmosféricas entre 0.0145 y 0.0185 kg / m 3 , que es equivalente al 1,2-1,5% de la densidad atmosférica de la Tierra al nivel del mar. Sin embargo, con Ingenuity en su sexto mes de funcionamiento, hemos entrado en una temporada en la que las densidades en el cráter Jezero están cayendo a niveles aún más bajos. En los próximos meses, podemos ver densidades tan bajas como 0.012 kg / m 3 (1.0% de la densidad de la Tierra) durante las horas de la tarde que son preferibles para el vuelo.
Mars Helicopter Sol 193 – Cámara de navegación: El helicóptero Ingenuity Mars de la NASA adquirió esta imagen usando su cámara de navegación durante su 13 ° vuelo el 5 de septiembre de 2021 (Sol 193 de la misión del rover Perseverance) a la hora solar media local de 12:06:30 . Créditos: NASA / JPL-Caltech
La diferencia puede parecer pequeña, pero tiene un impacto significativo en la capacidad de volar de Ingenuity. En nuestro límite de diseño inferior para la densidad atmosférica (0,0145 kg / m 3 ), sabemos que Ingenuity tiene un margen de empuje de al menos el 30%. El margen de empuje se refiere al empuje excesivo que el ingenio puede producir más allá de lo que se requiere para flotar. Ese empuje adicional es necesario en despegues y ascensos, durante las maniobras y también al rastrear terrenos con diferentes alturas. Pero si la densidad atmosférica cayera a 0.012 kg / m 3 en los próximos meses, el margen de empuje de nuestro helicóptero podría caer hasta un 8%, lo que significa que el Ingenuity estaría operando cerca de la pérdida aerodinámica (una condición en la que aumenta aún más en El ángulo de ataque de la hoja no produce más sustentación, solo más resistencia).
Afortunadamente, hay una manera de abordar este problema, pero implica hacer girar los rotores incluso más rápido de lo que lo hemos estado haciendo hasta ahora. De hecho, tendrán que girar más rápido de lo que jamás hemos intentado con Ingenuity o cualquiera de nuestros helicópteros de prueba en la Tierra. Esto no es algo que nos tomemos a la ligera, por lo que nuestras próximas operaciones en Marte se centrarán en probar cuidadosamente velocidades de rotor más altas en preparación para vuelos futuros.
Comenzaremos realizando un giro de alta velocidad del rotor sin dejar el suelo, alcanzando una velocidad máxima del rotor de 2.800 rpm (más de un 10% de aumento en relación con nuestra experiencia previa en Marte de 2.537 rpm). Si todo va bien, seguiremos con un breve vuelo de prueba a una velocidad de rotor ligeramente inferior a 2.700 rpm. Este sería nuestro decimocuarto vuelo y (con suerte) uno relativamente aburrido en comparación con cualquiera de nuestros vuelos más recientes , donde volamos largas distancias para adquirir imágenes de interés para el equipo del rover Perseverance. No antes del viernes 17 de septiembre (con datos no antes del sábado por la mañana), el salto corto haría que Ingenuity despegara, subiera a 16 pies (5 metros), realizara una pequeña traslación (movimiento lateral) y luego tierra de nuevo. Y aunque los resultados de un Vuelo 14 deberían ser menos que fascinantes, el aumento significativo en las revoluciones por minuto disponibles (de 2.537 a 2.700) para futuras operaciones de helicópteros nos brindará la opción de realizar misiones de exploración para Perseverancia a densidades atmosféricas más bajas. También deja algo de margen de maniobra si decidimos que se necesita un aumento adicional de rpm más adelante.
Un aumento de velocidad como este conlleva una serie de problemas potenciales. Uno de ellos tiene que ver con la aerodinámica: una velocidad del rotor de 2.800 rpm, en combinación con el viento y el movimiento del helicóptero, podría hacer que las puntas de las palas del rotor topen con el aire a casi 0,8 Mach, es decir, el 80% de la velocidad de un helicóptero. sonido en Marte. (La velocidad del sonido en Marte es algo más baja de lo que estamos acostumbrados, aproximadamente ¾ de la velocidad del sonido en la Tierra). Si las puntas de las palas se acercan lo suficiente a la velocidad del sonido, experimentarán un aumento muy grande en la resistencia aerodinámica que sería prohibitivo para volar. Para el rotor de Ingenuity, no esperamos encontrar este fenómeno hasta números de Mach aún más altos, pero esto nunca se ha confirmado en pruebas en la Tierra.
Otro problema potencial son las resonancias desconocidas en la estructura del helicóptero. Como todos los sistemas mecánicos, Ingenuity tiene resonancias que pueden provocar grandes vibraciones cuando se excitan a frecuencias particulares. Es importante asegurarse de que no haya resonancias significativas a la velocidad del rotor utilizada para el vuelo, ya que esto podría dañar el hardware y provocar un deterioro en las lecturas de los sensores que necesita el sistema de control de vuelo.
También se impondrán demandas adicionales a varios componentes del diseño de Ingenuity: los motores deberán girar más rápido, el sistema eléctrico deberá entregar más potencia y todo el sistema de rotor deberá soportar las cargas más altas que vienen con mayores velocidades de rotor. Todo se suma a un desafío significativo, pero al abordar el problema de manera lenta y metódica, esperamos verificar completamente el sistema a velocidades de rotor más altas y permitir que Ingenuity siga volando en los próximos meses. Estén atentos a las actualizaciones.
Escrito por Håvard Grip, piloto jefe de helicópteros Ingenuity Mars en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.
