El helicóptero Ingenuity puede ser el primer vehículo en volar a Marte, pero Marte no fue el primer lugar al que ha volado. Antes de empaquetarlo y enviarlo al Planeta Rojo, Los ingenieros de JPL probaron el helicóptero en un túnel de viento especial diseñado con la ayuda de investigadores de Caltech.

Para simular volar en un planeta donde la atmósfera es 100 veces más delgada que la de la Tierra, se construyó un túnel de viento personalizado dentro de un Cámara de vacío de 25 pies de diámetro en JPL, que Caltech administra para la NASA. La presión en la cámara se bombeó hacia abajo para aproximarse a la atmósfera marciana, mientras que una serie de 441 pares de ventiladores controlables individualmente soplaron en el helicóptero para simular un vuelo hacia adelante en el espacio cerrado.

El conjunto de ventiladores fue diseñado y construido por ingenieros de JPL con aportes de Chris Dougherty y Marcel Veismann de Caltech, que actualmente son Ph.D. estudiantes que trabajan con Mory Gharib, Hans W. Liepmann Profesor de Aeronáutica e Ingeniería Bioinspirada y Presidente de Liderazgo de Booth-Kresa del Centro de Sistemas y Tecnologías Autónomos de Caltech (CAST). Dougherty y Veismann habían supervisado previamente el diseño y ensamblaje de una matriz similar de 1, 296 pares de ventiladores para el túnel de viento Real Weather en CAST, que se inauguró en 2017. Su diseño utiliza ventiladores de enfriamiento de computadora listos para usar (aunque los más potentes disponibles actualmente).

"Este tipo de túnel de viento era especialmente adecuado para las aplicaciones previstas, porque el concepto de usar una matriz de pequeños, Los ventiladores baratos ofrecen una solución rentable y que ahorra espacio en comparación con los túneles de viento de un solo ventilador, "Veismann dice." 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 la instalación a gran escala ".

Jason Rabinovitch, que era un ingeniero mecánico en JPL que trabajaba en las pruebas del helicóptero, contacté al equipo CAST en 2017. "Obtuve mi doctorado en GALCIT [los Laboratorios Aeroespaciales para Graduados del Instituto de Tecnología de California], así que estaba al tanto de 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 mucho más baja que la Tierra, presentó un nuevo conjunto de desafíos para los ingenieros de JPL. Simplemente probar el helicóptero requirió nuevas instalaciones.

"Incluso en una gran cámara de vacío, cual era esto, Sería imposible volar libremente hacia adelante de una manera significativa, "Dice Dougherty." Así que para probar el vuelo hacia adelante, fue construir la cámara de vacío más grande de todos los tiempos, lo que sería prohibitivo en términos de tiempo y costo, o encontrar una manera de simular las condiciones de vuelo hacia adelante de Marte en un entorno sellado y confinado en el espacio. Ahí es donde entran nuestros conjuntos de ventiladores ".

Dougherty y Veismann diseñaron el conjunto de ventiladores de CAST para simular las condiciones climáticas terrestres del mundo real en un entorno parcialmente cerrado, permitiendo a los investigadores probar vehículos aéreos no tripulados en condiciones realistas bajo la supervisión de Gharib. La matriz de 10 pies por 10 pies se encuentra en una arena de drones de tres pisos de altura. Un programa de computadora controla la acción de más de 2, 000 aficionados individuales, permitiendo a los ingenieros simular casi cualquier condición de viento que pueda encontrar un dron en el mundo real, de una ligera ráfaga a un vendaval.

"Si queremos construir cosas que funcionen en el mundo real, necesitamos probarlos en condiciones del mundo real. Por eso en CAST, contamos con instalaciones donde los sistemas autónomos enfrentan desafíos realistas, "dice Gharib, director de CAST.

Más importante aún para el helicóptero Mars, El software del arreglo de ventiladores le brinda la flexibilidad de generar de manera reproducible flujos turbulentos realistas a pedido, ya que cada ventilador envía y recibe información segundo a segundo.

"Tuvimos muchas preguntas aerodinámicas, ", Dice Rabinovitch." Quieres comprender el rendimiento del vehículo en un entorno relevante. Quiere asegurarse de que el vehículo sea estable cuando vuele en Marte, y que se comporta como se espera durante una amplia gama de maniobras ".

Contraintuitivamente, Era importante que la instalación de pruebas de Ingenuity pudiera generar vientos estables a baja velocidad. Túneles de viento tradicionales, que tienen un ventilador gigante, están diseñados para generar vientos de alta velocidad para probar aviones que volarán a cientos de millas por hora. El equipo investigó la posibilidad de utilizar el Túnel de Dinámica Transónica (TDT) ubicado en el Centro de Investigación Langley de la NASA. que es un túnel de viento que es capaz de producir condiciones de flujo para probar aeronaves que viajan más rápido que la velocidad del sonido a grandes altitudes en la tierra. El helicóptero Ingenuity, a diferencia de, viaja a unos 10 metros por segundo, o alrededor de 20 millas por hora.

"Si hubiéramos ido a Langley, habrían tenido que apagar su ventilador para obtener la velocidad del viento que estábamos buscando, "dice Amiee Quon, un ingeniero 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 más grandes de JPL para el proyecto. La cámara tiene 85 pies de alto y 25 pies de diámetro. Se necesitan aproximadamente dos horas para bombear el aire interior para recrear las condiciones de la atmósfera marciana.

Construir una variedad de ventiladores controlables individualmente dentro de una cámara de vacío no es tan simple como ensamblar las unidades y encenderlas. Por una cosa, La naturaleza misma de una cámara de vacío, el hecho de que esté sellada herméticamente, significa que no puede haber varios cables entrando y saliendo. Todas las entradas y salidas debían racionalizarse y reducirse

La instalación en sí ha sido importante para las misiones del JPL a Marte. "Esta es la cámara donde hicimos 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. Tuvimos que mantenerlo limpio "Quon dice." Nos preocupaba la suciedad, pero también nos preocupaba la emisión de gases de los componentes de los ventiladores ". Debido a los requisitos de control de la contaminación, el equipo de JPL tuvo que volver a cablear los ventiladores, intercambiando sus cubiertas de cableado de cloruro de polivinilo (PVC) por otras de teflón que liberan menos gases químicos en el aire.

"Fue muy divertido, pero había muchos detalles a considerar, ", dice Quon." Tomamos una instalación que no está diseñada para pruebas de túnel de viento y la convertimos en un túnel de viento por primera vez ".

Debido al tiempo necesario para bombear la cámara hacia abajo para imitar la presión atmosférica extremadamente baja de Marte, cualquier error que se produjera debía solucionarse de forma remota. Para eso, Dougherty y Veismann solicitaron la ayuda del estudiante de la Beca de Investigación de Pregrado de Verano de Caltech (SURF) Alejandro Stefan-Zavala.

"El tipo de ventiladores que usamos aquí tiene un sensor integrado que le indica qué tan rápido están girando, y tienes que escribir algún software para acceder a ese sensor, "Dice Stefan-Zavala." Con 441 pares de fans, hay muchos sensores, y desea saber en tiempo real lo que está sucediendo para poder diagnosticar si algo no funciona correctamente ".

Cuando no está dentro de una cámara de vacío, Ese es un proceso simple:uno simplemente conecta una línea USB en el componente defectuoso y lo conecta a una computadora portátil. Para lograr este tipo de corrección de errores dentro de una cámara de vacío, se necesitarían 80 líneas USB individuales para transportar suficientes datos para controlar los ventiladores.

En lugar de, Stefan-Zavala desarrolló un software personalizado que monitoreaba remotamente a los ventiladores, y, si es necesario, les ordenó que se reprogramen automáticamente.

El estudio de viabilidad del proyecto comenzó en 2017 y las pruebas se completaron a mediados de septiembre de 2018. Dada la demanda constante de la cámara de vacío para simular el entorno espacial (los investigadores del JPL la utilizan como simulador espacial), el equipo tuvo muy poco tiempo para ensamblar la matriz de ventiladores, hazlo funcionar, haz las pruebas, y luego descomponerlo todo.

En el final, el conjunto de ventiladores permaneció ensamblado durante solo unas semanas. "Fue estrecho. Trabajábamos muchas noches y fines de semana, "Dice Rabinovitch.

Rabinovitch dice que no le sorprendió que los conocimientos técnicos excepcionales necesarios para diseñar un túnel de viento único en su tipo para probar una tecnología nueva para Marte provengan de los estudiantes. "Estos eran estudiantes graduados de Caltech, ", dice." No me sorprendió ese nivel de experiencia ".