¿Cómo probar un helicóptero con destino a Marte?

Los estudiantes graduados del Instituto de Tecnología de California ayudaron al Laboratorio de Propulsión a Chorro a construir un túnel de viento personalizado en la cámara de vacío del helicóptero Mars Innovation.

El Helicóptero Creativity podría ser la primera nave espacial en volar sobre Marte, pero Marte no fue el primer lugar al que voló. Antes de que fuera empaquetado y detonado en el Planeta Rojo, los ingenieros del Laboratorio de Propulsión a Chorro le dieron al helicóptero una prueba de funcionamiento en un túnel de viento especial diseñado con la ayuda de investigadores 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 dedicado dentro de una cámara de vacío de 85 pies de largo y 25 pies de diámetro en el Laboratorio de Propulsión a Chorro, que es administrado por el Instituto de California. de Tecnología para la NASA. Se bombeó presión hacia la cámara para aproximarse a la atmósfera marciana, mientras que un grupo de 441 pares de hélices controlables individualmente explotó en el helicóptero para simular un vuelo hacia adelante en un espacio cerrado.

El conjunto de ventiladores fue diseñado y construido por ingenieros del Laboratorio de Propulsión a Chorro con aportes de Chris Dougherty (MS ’16) de Caltech y Marcel Fisman (MS ’16), dos estudiantes de doctorado que actualmente trabajan con Morey raro (PhD 83), Hans W. Liepmann Catedrático de Aeronáutica y Bioingeniería. Dougherty y Fisman supervisaron previamente el diseño y montaje de un conjunto similar de 1.296 pares de ventiladores para el túnel de viento Real Weather en el Instituto de Tecnología de California. Centro de Tecnologías y Sistemas Independientes (CAST), que se inauguró en 2017. Su diseño utiliza ventiladores de enfriamiento de computadora listos para usar (aunque es el más potente disponible actualmente).

«Este tipo de túnel de viento era particularmente adecuado para las aplicaciones previstas, porque el concepto de utilizar un conjunto de pequeños ventiladores económicos proporciona una solución eficiente en cuanto al espacio y rentable en comparación con los túneles de viento de un solo ventilador», dice Fisman. «Además, estos tipos de ventiladores son relativamente robustos y seguros de operar, y los módulos nos han permitido probar qué tan bien funciona la pared antes de construir la instalación a gran escala».

Jason Rabinowitz (MS ’09, PhD ’14), que era un ingeniero mecánico del JPL que trabajaba en una prueba de helicóptero, se puso en contacto con el equipo CAST en 2017. “Obtuve mi doctorado en GALCIT [the Graduate Aerospace Laboratories of the California Institute of Technology]»Así que estaba al tanto de CAST y sus instalaciones», dice Rabinowitz, quien ahora es profesor asistente de ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología Stevens en Nueva Jersey.

El diseño de un helicóptero para volar en Marte, que tiene menos gravedad y una presión de aire mucho más baja que la Tierra, plantea un nuevo conjunto de desafíos para los ingenieros del JPL. Simplemente probar el helicóptero requiere nuevas instalaciones.

«Incluso en una gran cámara de vacío, como estaba, sería imposible volar libremente hacia adelante de una manera significativa», dice Dougherty. «Entonces, para probar el vuelo hacia adelante, o bien estaba construyendo la cámara de vacío más grande jamás realizada, lo que sería muy costoso en tiempo y costo, o encontrando una manera de simular las condiciones de vuelo hacia adelante de Marte en un entorno de espacio cerrado y confinado. Aquí es donde nuestros grupos de fans entran «.

Dougherty y Fisman diseñaron el conjunto de ventiladores CAST para simular las condiciones meteorológicas terrestres del mundo real en un entorno parcialmente cerrado, lo que permite a los investigadores probar vehículos aéreos no tripulados en condiciones realistas bajo una supervisión extraña. La matriz de 10 pies, 10 pies está ubicada en un patio de drones de tres pisos. El programa de computadora controla el trabajo de más de 2.000 ventiladores individuales, lo que permite a los ingenieros simular cualquier condición de viento que pueda encontrar un dron en el mundo real, desde una tormenta ligera hasta una ráfaga.

«Si queremos construir cosas que funcionen en el mundo real, necesitamos probarlas en condiciones del mundo real. Por eso, en CAST, tenemos instalaciones donde los sistemas autónomos enfrentan desafíos reales», dice Gharib, Director de CAST.

Lo más importante para el helicóptero Mars, el software de matriz de hélice le da la flexibilidad de generar flujos turbulentos realistas a pedido repetidamente, ya que cada ventilador envía y recibe información segundo a segundo.

«Tuvimos muchas preguntas aerodinámicas», dice Rabinowitz. «Desea comprender cómo se está desempeñando el vehículo en un entorno relevante. Quiere asegurarse de que el vehículo esté estable cuando vuela en Marte y de que se desempeñe como se espera durante una amplia gama de maniobras».

El helicóptero Creative Mars de la NASA capturó esta toma, capturando su sombra, mientras flotaba sobre la superficie de Marte el 19 de abril de 2021, durante su primer vuelo con control de energía a otro planeta.

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Crédito: NASA / JPL-Caltech

Al contrario de lo que podría esperarse, era importante que la instalación de pruebas de creatividad pudiera generar vientos estables y de baja velocidad. Los túneles de viento convencionales, que tienen un solo 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 usabilidad del túnel Transonic Dynamics (TDT) ubicado en el Centro de Investigación Langley de la NASA, Un túnel de viento capaz de producir condiciones de flujo para probar aviones supersónicos a gran altura en el suelo. Por el contrario, un helicóptero Creativity viaja a unos 10 metros por segundo, o unas 20 millas por hora.

«Si hubiéramos ido a Langley, habrían tenido que apagar su hélice para obtener la velocidad del viento que estábamos buscando», dice Amiee Quon, ingeniera de integración mecánica en JPL que ayudó a probar el helicóptero.

El equipo de Mars Helicopter en el Jet Propulsion Laboratory aseguró el uso de una de las cámaras de vacío más grandes del JPL para el proyecto. La habitación mide 85 pies de largo y 25 pies de diámetro. Se necesitan aproximadamente dos horas para bombear el aire al interior para recrear las condiciones en la atmósfera marciana.

Construir una serie de ventiladores controlables individualmente dentro de la cámara de vacío no es tan simple como simplemente ensamblar y operar las unidades. Por un lado, la naturaleza de la cámara de vacío, el hecho de que esté sellada, significa que no pueden entrar y salir muchos cables. Todas las entradas y salidas tuvieron que simplificarse y reducirse

La instalación en sí era importante para las misiones a Marte del Laboratorio de Propulsión a Chorro. «Esta es la sala donde hicimos las principales pruebas de vacío térmico para todos los vehículos exploradores de Marte, que simulan el espacio bombeando todo el aire y girando a altas y bajas temperaturas. Teníamos que mantenerlo limpio», dice Quinn. «Estábamos preocupados por la suciedad, pero lo estábamos. También nos preocupa la liberación de gases de los componentes a los ventiladores ”. Debido a los requisitos de control de la contaminación, el equipo de JPL tuvo que volver a cablear los ventiladores, reemplazando las cubiertas de alambre de PVC por unas de teflón que emiten menos gases químicos en el aire.

«Fue muy divertido, pero había muchos detalles a tener en cuenta», dice Quon. «Tomamos una instalación que no estaba diseñada para probar un túnel de viento y la convertimos en un túnel de viento por primera vez».

Dado el tiempo requerido para bombear la cámara hacia abajo para imitar la presión atmosférica extremadamente baja de Marte, cualquier falla que ocurra debe repararse de forma remota. Entonces, Dougherty y Vesman solicitaron la ayuda del estudiante Alex Stefan Zavala, estudiante de la Beca de Investigación de Verano del Instituto de Tecnología de California.

«El tipo de ventilador que estamos usando aquí tiene un sensor incorporado que te dice qué tan rápido está girando», dice Stefan-Zavala. «Tienes que escribir algunos programas para llegar a ese sensor». «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».

Un dron de cuatro motores vuela frente a una pared de hélices en el aeropuerto de Kast.

Cuando no está dentro de un compartimiento de vacío, este es un proceso simple: uno simplemente conecta la línea USB en el componente equivocado 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 transmitir suficientes datos para controlar los ventiladores.

En cambio, Stefan-Zavala ha desarrollado un programa personalizado que monitorea a los ventiladores de forma remota y, si es necesario, les indica que se reprogramen automáticamente.

El estudio de factibilidad del proyecto comenzó en 2017 y las pruebas se completaron a mediados de septiembre de 2018. Debido a la demanda constante de la cámara de vacío para simular el entorno espacial, que los investigadores del JPL la utilizan como simulador espacial, el equipo tuvo poco tiempo para ensamblar el ensamblaje de la hélice, hágalo funcionar, ejecute las pruebas, luego divídalas todas de nuevo.

Al final, el grupo de fanáticos solo se mantuvo unido durante unas semanas. “Estaba apretado. «Solíamos trabajar muchas noches y fines de semana», dice Rabinowitz.

Rabinowitz dice que no le sorprende que el conocimiento técnico excepcional necesario para diseñar el primer túnel de viento de su tipo para probar una nueva tecnología para Marte provenga de los estudiantes. «Estos eran estudiantes graduados de Caltech», dice. «No me sorprendió este nivel de experiencia».