Fuente: NASA / JPL-Caltech
El helicóptero Ingenuity puede ser el primer vehículo en volar sobre Marte, pero Marte no fue el primer lugar al que ha volado. Antes de empacarlo y enviarlo al Planeta Rojo, los ingenieros de JPL probaron el helicóptero en un túnel de viento especial diseñado con la ayuda de científicos de Caltech.
Para simular el vuelo en un planeta cuya atmósfera es 100 veces más delgada que la de la Tierra, se construyó un túnel de viento personalizado dentro de una cámara de vacío de 25 pies de alto en el JPL que Caltech administra para la NASA. La presión en la cámara se bombeó para aproximarse a la atmósfera marciana, mientras que un conjunto de 441 pares de ventiladores controlados individualmente inflaron el helicóptero para simular un vuelo hacia adelante en un espacio confinado.
El conjunto de ventiladores fue diseñado y construido por ingenieros de JPL con la ayuda de Chris Dougherty y Marcel Veismann de Caltech, que actualmente son Ph.D. estudiantes que trabajan con Mory Gharib, profesor Hans W. Liepmann de aeronáutica e ingeniería bioinspirada y presidente de Booth-Kres en el Centro Caltech Autonomous Systems and Technologies (CAST). Dougherty y Veismann supervisaron previamente el diseño y la instalación de un conjunto similar de 1.296 pares de ventiladores para el túnel de viento Real Weather en CAST, que se inauguró en 2017. disponible).
“Este tipo de túnel de viento fue particularmente adecuado para la aplicación prevista, ya que el concepto de utilizar una serie de ventiladores pequeños y de bajo costo ahorra espacio y ahorra espacio en comparación con los túneles de viento de un solo ventilador”, dice Veismann. “Además, estos tipos de ventiladores son relativamente robustos y seguros de operar, y la modularidad nos permitió probar qué tan bien funcionaría la pared antes de construir una instalación a gran escala”.
Jason Rabinovitch, que era ingeniero mecánico en JPL y trabajaba en pruebas de helicópteros, se puso en contacto con el equipo CAST en 2017. “Hice mi doctorado en GALCIT [the Graduate Aerospace Laboratories of the California Institute of Technology]así que sabía sobre CAST y sus instalaciones ”, dice Rabinovitch, quien ahora es profesor asistente de ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología Stevens en Nueva Jersey.
Diseñar un helicóptero para volar en Marte, que tiene una gravedad más baja y una presión de aire significativamente más baja que la Tierra, presentó un nuevo conjunto de desafíos para los ingenieros del JPL. Probar el helicóptero en sí requirió nuevas instalaciones.
“Incluso en la gran cámara de vacío que era, sería imposible volar hacia adelante de una manera significativa”, dice Dougherty. “Para probar el vuelo hacia adelante, era necesario construir la cámara de vacío más grande hasta ahora, lo que llevaría mucho tiempo y sería costoso, o encontrar una manera de simular las condiciones de vuelo hacia adelante de Marte en un entorno espacial confinado y confinado. Aquí es donde entran nuestras placas de fans “.
Dougherty y Veismann diseñaron un sistema de ventilador CAST para simular las condiciones climáticas reales de la Tierra en un entorno semicerrado, lo que permite a los científicos probar vehículos aéreos no tripulados en condiciones realistas bajo la supervisión de Ghariba. La tabla de 10 pies por 10 pies se encuentra en una arena de drones de tres pisos. Un programa de computadora controla el funcionamiento de más de 2.000 ventiladores individuales, lo que permite a los ingenieros simular casi cualquier estado de viento que pueda encontrar un dron en el mundo real, desde una ligera ráfaga hasta un vendaval.
“Si queremos construir cosas que funcionen en el mundo real, tenemos que probarlas en condiciones reales. Es por eso que en CAST tenemos instalaciones donde los sistemas autónomos enfrentan desafíos realistas ”, dice Gharib, director de CAST.
Más importante aún para un helicóptero marciano, el software de arreglo de ventiladores le da la flexibilidad de generar repetidamente flujos turbulentos realistas bajo demanda, ya que cada ventilador envía y recibe información de segundo a segundo.
“Teníamos muchas preguntas sobre la aerodinámica”, dice Rabinovitch. “Quiere comprender cómo funciona su vehículo en el entorno adecuado. Quieres estar seguro de que el vehículo es estable cuando vuela sobre Marte y de que funciona como se espera durante una amplia gama de maniobras “.
Contrariamente a la intuición, era importante que la instalación de pruebas de ingenio pudiera generar vientos estables a baja velocidad. Los túneles de viento tradicionales que tienen un ventilador gigante están diseñados para generar vientos muy rápidos para probar aviones que volarán a cientos de millas por hora. El equipo investigó la posibilidad de utilizar el Túnel de Dinámica Transónica (TDT) en el Centro de Investigación Langley de la NASA, que es un túnel de viento que crea flujo para probar aviones que viajan más rápido que la velocidad del sonido a grandes altitudes. Tierra. El helicóptero Ingenuity, por otro lado, vuela a una velocidad de unos 10 metros por segundo, o unas 20 millas por hora.
Un helicóptero de la NASA Ingenuity Mars tomó esta foto, capturando su propia sombra mientras flotaba sobre la superficie de Marte el 19 de abril de 2021, durante el primer caso de vuelo controlado y motorizado en otro planeta. Fuente: NASA / JPL-Caltech
“Si fuéramos a Langley, tendrían que reducir la velocidad del ventilador para obtener la velocidad que estábamos buscando”, dice Amiee Quon, ingeniera de integración mecánica en JPL, que ayudó a probar el helicóptero.
El equipo de JPL Mars Helicopter aseguró el uso de una de las cámaras de vacío de JPL más grandes para el proyecto. La cámara tiene 85 pies de alto y 25 pies de diámetro. Se necesitan unas dos horas para bombear el aire para recrear la atmósfera marciana.
Construir una serie de ventiladores controlados individualmente dentro de una cámara de vacío no es tan simple como simplemente ensamblar las unidades y encenderlas. En primer lugar, la propia naturaleza de la cámara de vacío, el hecho de que esté sellada, significa que no pueden entrar y salir muchos cables. Todos los datos de entrada y salida debían ser optimizados y limitados
La instalación en sí era importante para la misión del JPL en Marte. “Esta es la cámara donde realizamos las principales pruebas de vacío térmico para todos los rovers de Marte que simulan el espacio bombeando todo el aire y pasando por altas y bajas temperaturas. Teníamos que mantenerlo limpio ”, dice Quon. “Estábamos preocupados por la suciedad, pero también nos preocupaba la desgasificación de los componentes del ventilador”. Debido a los requisitos de control de la contaminación, el equipo de JPL tuvo que reescribir los ventiladores de conductos estándar de cloruro de polivinilo (PVC) a conductos de teflón, que liberan menos gases químicos al aire.
“Fue muy divertido, pero había muchos detalles a considerar”, dice Quon. “Elegimos un objeto que no estaba destinado para ninguna prueba en el túnel de viento y lo convertimos en un túnel de viento por primera vez”.
Debido al tiempo que tomó bombear la cámara para imitar la presión atmosférica extremadamente baja de Marte, cualquier error que ocurriera debía remediarse de forma remota. Con este fin, Dougherty y Veismann contaron con la ayuda de Alejandro Stefan-Zavala, un estudiante de la beca de investigación de pregrado de verano de Caltech (SURF).
El dron quadrotor se cierne frente a la pared del ventilador en el aeropuerto CAST. Fuente: Instituto de Tecnología de California
“Los tipos de ventiladores que usamos aquí tienen un sensor incorporado que les dice qué tan rápido están girando, y tienes que escribir software para acceder a ese sensor”, dice Stefan-Zavala. “Con 441 pares de ventiladores, hay muchos sensores y desea saber en tiempo real lo que está sucediendo para poder diagnosticar si algo no funciona correctamente”.
Si no está en una cámara de vacío, es un proceso simple: simplemente conecte el cable USB al componente defectuoso y conéctelo a su computadora portátil. Realizar este tipo de corrección de errores en una cámara de vacío requeriría 80 líneas USB separadas para transportar suficientes datos para controlar los ventiladores.
En cambio, Stefan-Zavala desarrolló su propio software que monitoreaba de forma remota a los ventiladores y les indicaba que se reprogramen automáticamente si fuera necesario.
El estudio de viabilidad para el proyecto comenzó en 2017 y las pruebas se completaron a mediados de septiembre de 2018. Dada la necesidad continua de una cámara de vacío para la simulación espacial (los científicos del JPL la utilizan como simulador espacial), el equipo tenía muy poco Es hora de ensamblar la matriz de ventiladores, ejecutarla, ejecutar pruebas y luego descomponer todo.
Después de todo, el conjunto de ventiladores solo permaneció ensamblado durante unas pocas semanas. “Fue estrecho. Trabajamos muchas noches y fines de semana ”, dice Rabinowicz.
Rabinovitch dice que no le sorprendió que el conocimiento técnico excepcional necesario para diseñar el primer túnel de viento de su tipo para probar una tecnología completamente nueva para Marte provenga de los estudiantes. “Eran ex alumnos de Caltech”, dice. “No me sorprendió este nivel de conocimiento”.
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California