Ingenieros diseñan planeadores sin motor para explorar Marte

02 julio 2022

(Noticias de Nanwerk) Ocho naves espaciales activas, incluidas tres operadas por la NASA, orbitan Marte y recopilan imágenes de la superficie del planeta con una resolución de aproximadamente un pie por píxel. Tres vehículos terrestres se desplazan para mapear pequeñas áreas del planeta con mayor precisión. Pero lo que se encuentra a cientos de kilómetros entre los rovers y los orbitadores, incluidos los procesos climáticos atmosféricos y las características geológicas como volcanes y valles, suele ser de gran interés para los científicos planetarios.

«Tienes esta pieza realmente importante y crucial en esta capa límite planetaria, como en los primeros kilómetros sobre la superficie de la Tierra», dijo Alexander Kling, científico investigador del Centro de Modelado Climático de Marte de la NASA. «Aquí es donde tienen lugar todos los intercambios entre la superficie y la atmósfera. Aquí es donde se captura el polvo y se envía a la atmósfera, donde se mezclan los gases traza, donde se produce la modulación del viento a gran escala por los flujos de los valles de las montañas. Y nosotros no Tengo muchos datos sobre este tema”.

Kling y un equipo de ingenieros de la Universidad de Arizona tienen como objetivo cerrar esta brecha de datos mediante el diseño de un planeador sin motor que pueda volar sobre la superficie de Marte durante días seguidos, usando solo energía eólica para la propulsión. Los planeadores estarán equipados con sensores de vuelo, temperatura y gas, así como cámaras, y cada uno pesa solo 11 libras.

El equipo detalló su propuesta en un artículo de investigación publicado en la revista espacio exterior (Explorando Marte con planeadores). Aterrizaje en Marte en planeador El equipo realizó un lanzamiento restringido de una versión anterior del planeador, mientras descendía lentamente al suelo sujeto a un globo. (Foto: Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona)

vuelo de albatros

Un viaje a Marte es un desafío debido a la delgada atmósfera del planeta, y este no es el primer equipo que intenta abordarlo. En particular, la innovación de la NASA es un helicóptero de 4 libras que aterrizó en el cráter Jezero en Marte en 2021. Con tecnología de vuelo en miniatura y un sistema giratorio de aproximadamente 4 pies de altura, es el primer dispositivo que prueba el vuelo controlado por motor en otro planeta. Pero el automóvil que funciona con energía solar puede volar solo durante tres minutos a la vez, alcanzando una altura de solo 12 metros, o alrededor de 39 pies.

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«Todas estas otras tecnologías estaban muy limitadas por el poder», dijo el primer autor del artículo, Adrian Buskila, estudiante de doctorado en ingeniería aeroespacial en el Laboratorio de Vehículos Aéreos Pequeños del Profesor Sergei Shkaraev en la Universidad de Arizona. «Lo que proponemos es simplemente usar energía en el sitio. Es una especie de avance en esos enfoques para ampliar las misiones. Porque la pregunta clave es: ¿Cómo vuelas gratis? ¿Cómo usas el viento existente, el termodinámica que están ahí para evitar el uso de paneles solares y depender de baterías que necesitan recargarse?”

Los planeadores eólicos livianos y de bajo costo pueden ser la respuesta. Los aviones, que tienen una envergadura de unos 11 pies, utilizarán varios métodos de vuelo diferentes, incluido el simple vuelo estático cuando haya suficiente viento vertical. Pero también pueden usar una tecnología llamada vuelo estacionario dinámico, que, como un albatros en un vuelo largo, aprovecha la velocidad del viento, a menudo horizontal, que aumenta con la altitud, un fenómeno particularmente común en Marte.

La elevación dinámica se parece a la que usan los esquiadores en forma de S para controlar su descenso por la montaña. Sin embargo, cada vez que el planeador cambia de dirección, también comienza a cambiar de altitud, y en lugar de reducir la velocidad del planeador, las maniobras lo ayudan a aumentar la velocidad.

Los aviones vuelan con un ligero ángulo hacia arriba en la dirección de un viento lento de baja altitud. Cuando alcanzan la alta velocidad del viento, giran 180 grados y permiten que el viento de alta velocidad los dirija hacia adelante en un ligero ángulo de aterrizaje. Cuando comienzan a quedarse sin energía debido al viento de alta velocidad, repiten el proceso y avanzan.

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A través de esta ingeniosa maniobra, los planeadores pueden recolectar energía de la atmósfera de forma continua, volando durante horas o incluso días a la vez. Esto es volar gratis.

«Es algo que tienes que ver para creer», dijo el coautor del artículo Jekan Thanga, profesor asociado de ingeniería aeronáutica y mecánica en UArizona.

Los rovers actuales han capturado principalmente imágenes de las llanuras arenosas planas de Marte, las únicas áreas donde el rover puede aterrizar con seguridad. Pero los planeadores podrán explorar nuevas áreas aprovechando cómo cambian los patrones del viento alrededor de formaciones geológicas como cañones y volcanes.

“Con esta plataforma, puedes volar y llegar a esos lugares realmente geniales e interesantes”, dijo Kling. Planeador de acercamiento a Marte Gliders on Mars contendrá una serie de sensores de navegación especialmente diseñados, así como una cámara y sensores de temperatura y gas para recopilar información sobre la atmósfera y el paisaje marcianos. (Foto: Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona)

Las cosas buenas vienen en paquetes pequeños

El equipo propone enviar planeadores a Marte como carga útil secundaria en una misión más grande. Tanga estudia cómo desplegar planeadores desde naves espaciales a la atmósfera. A bordo de la nave espacial, los planeadores estarán encerrados en CubeSats, satélites en miniatura no más grandes que una guía telefónica. Una vez que se lanzan los CubeSats y los aviones, los aviones se abrirán, como origami, o se inflarán, como flotadores de piscina de alta tecnología, y se solidificarán a su tamaño completo.

El equipo también está explorando la posibilidad de un dirigible o dirigible que transporte planeadores en la atmósfera. Esto ralentizará el aterrizaje de los planeadores y les permitirá despegar cuando las condiciones de viento sean ideales o cuando te estés acercando a un área de gran interés. Los planeadores pueden reponer un globo o una aeronave después del vuelo y continuar para completar múltiples misiones.

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El viaje termina, la misión continúa

Después de aterrizar en Marte, los aviones continuarán transmitiendo información sobre la atmósfera a la nave espacial, convirtiéndose esencialmente en estaciones meteorológicas. Los meteorólogos pueden predecir el tiempo en la Tierra con relativa precisión, en parte porque hay estaciones meteorológicas en todo el planeta que forman una red de información, y todos los datos que recopilan se introducen constantemente en modelos predictivos. Por lo tanto, cada planeador en Marte que se haya retirado del vuelo, ya sea que haya completado su exploración según lo planeado o algo haya salido mal, podría convertirse en otro nodo muy importante en esta red.

“Si nuestra potencia de vuelo se agota, o si los sensores de inercia fallan repentinamente por algún motivo, esperamos mantener la ciencia”, dijo Buskila. «Desde la perspectiva de la ciencia planetaria, la misión continúa».

El equipo realizó un extenso modelado matemático de los patrones de vuelo de los planeadores basándose en los datos climáticos de Marte. Todavía queda más investigación por hacer con respecto a las rutas de vuelo, los posibles sistemas de acoplamiento y más. Pero este verano, probarán aviones experimentales a 15,000 pies sobre el nivel del mar, donde la atmósfera de la Tierra es más delgada y las condiciones de vuelo son más cercanas a las de Marte.

«Podemos usar la Tierra como laboratorio para estudiar el vuelo en Marte», dijo Shkaraev.

El equipo finalmente espera que la NASA financie la misión y le permita «viajar» en la misión a Marte a gran escala que ya está en desarrollo. Kling dijo que la naturaleza de bajo costo del esfuerzo del planeador significa que puede dar sus frutos relativamente rápido, tal vez en años en lugar de las décadas necesarias para una misión a gran escala.

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