¿Cómo probar un helicóptero con destino a Marte?
Estudiantes graduados de Caltech ayudaron a JPL a construir un túnel de viento personalizado en una cámara de vacío para el helicóptero Mars Ingenuity
El helicóptero Ingenuity puede haber sido el primer vehículo en volar a Marte, pero no es el primer lugar al que ha volado. Antes de empacarlo y detonarlo en el Planeta Rojo, los ingenieros del JPL probaron el helicóptero en un túnel de viento especial diseñado con la ayuda de los investigadores de Caltech.
Para simular el vuelo 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 una cámara de vacío de 85 pies de alto y 25 pies de diámetro en el JPL, que Caltech administra para la NASA. La presión en la cámara se bombeó más cerca de 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 confinado.
La línea de ventiladores fue diseñada y construida por ingenieros JPL con aportes de Chris Dougherty (MS ’16) y Marcel Veismann (MS ’16) de Caltech, quienes actualmente son estudiantes de doctorado que trabajan con Mory gharib (PhD ’83), Profesor Hans W. Liepmann en Aeronáutica e Ingeniería Biológica. Dougherty y Veismann supervisaron previamente el diseño y montaje de una línea similar de 1.296 pares de ventiladores para el túnel de viento Real Weather de Caltech. Centro Autónomo de Sistemas y Tecnologías (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 soplador era particularmente adecuado para las aplicaciones previstas, porque el concepto de usar un conjunto de ventiladores pequeños y económicos proporciona una solución rentable y que ahorra espacio en comparación con los sopladores de un solo soplador”, dice Veismann. «Además, estos tipos de ventiladores son relativamente robustos y seguros de usar, y la modularidad nos permitió probar el rendimiento de la pared antes de construir la instalación a gran escala».
Jason rabinovitch (MS ’09, PhD ’14), quien era ingeniero mecánico en JPL trabajando en las pruebas de helicópteros, se comunicó con el equipo CAST en 2017. “Había obtenido mi doctorado en GALCIT [the Graduate Aerospace Laboratories of the California Institute of Technology], así que conocía CAST y sus instalaciones ”, dice Rabinovitch, 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 una gravedad más baja y una presión atmosférica mucho más baja que la Tierra, presentó un nuevo conjunto de desafíos para los ingenieros del JPL. Solo probar el helicóptero requirió nuevas instalaciones.
“Incluso en una cámara de vacío grande, que era, sería imposible volar libremente hacia adelante de ninguna manera”, dice Dougherty. “Entonces, para probar el vuelo hacia adelante fue o bien construir la cámara de vacío más grande jamás vista, lo que sería prohibitivamente costoso en términos de tiempo y dinero, o encontrar una manera de simular las condiciones de vuelo hacia adelante de Marte en un entorno espacial cerrado y sellado. Aquí es donde entran nuestros fanáticos «.
Dougherty y Veismann diseñaron la gama 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 la supervisión de Gharib. La matriz de 10 por 10 pies se encuentra en una arena de drones de tres pisos. Un programa de computadora controla la acción de más de 2.000 ventiladores individuales, lo que permite a los ingenieros simular casi cualquier condición de viento que pueda encontrar un dron en el mundo real, desde una ligera ráfaga hasta una ráfaga de viento.
“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 independientes enfrentan desafíos realistas ”, dice Gharib, director de CAST.
Más importante aún para el helicóptero Mars, el software del ventilador le da la flexibilidad de generar de forma reproducible flujos turbulentos realistas bajo demanda, ya que cada ventilador envía y recibe información segundo a segundo.
“Tuvimos muchos problemas aerodinámicos”, dice Rabinovitch. “Quiere comprender el rendimiento del vehículo en un entorno relevante. Desea asegurarse de que el vehículo esté estable cuando vuele en Marte y de que funcione según lo previsto durante una amplia gama de maniobras. «
El helicóptero Ingenuity Mars de la NASA tomó esta foto, capturando su propia sombra, mientras flotaba sobre la superficie marciana el 19 de abril de 2021, durante la primera instancia de vuelo controlado y con motor sobre otro planeta.
Crédito: NASA / JPL-Caltech
Contrariamente a la intuición, era importante que la instalación de prueba de Ingenuity pudiera generar vientos estables a bajas velocidades. Los 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 kilómetros por hora. El equipo investigó la posibilidad de utilizar el túnel Transonic Dynamics (TDT) ubicado en Centro de Investigación Langley de la NASA, que es un túnel de viento capaz de producir condiciones de flujo para probar aeronaves que viajan más rápido que la velocidad del sonido a grandes altitudes sobre tierra. El helicóptero Ingenuity, por otro lado, viaja a unos 10 metros por segundo, o unas 20 millas por hora.
“Si hubiéramos estado en Langley, habrían tenido que apagar el ventilador 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 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 unas dos horas para bombear el aire al interior para recrear las condiciones de la atmósfera marciana.
Construir un conjunto de ventiladores controlables individualmente dentro de una cámara de vacío no es tan simple como juntar las unidades y encenderlas. Por un lado, la naturaleza misma de una cámara de vacío, el hecho de que esté sellada herméticamente, significa que no puede haber múltiples cables que entren y salgan. Todas las entradas y salidas tuvieron que ser racionalizadas y reducidas.
La instalación en sí ha sido importante para las misiones del JPL a Marte. “Esta es la cámara en la que 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 el gas de los componentes del ventilador». Debido a los requisitos de control de contaminación, el equipo de JPL tuvo que volver a cablear los ventiladores, reemplazando sus manguitos de cableado de cloruro de polivinilo (PVC) por manguitos de teflón que liberan menos gases químicos al aire.
“Fue muy divertido, pero había muchos detalles a considerar”, dice Quon. «Tomamos una instalación que no estaba diseñada para pruebas en túnel de viento y la 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 tuvo que corregirse de forma remota. Para esto, Dougherty y Veismann contaron con la ayuda de Alex Stefan-Zavala, un estudiante de la Beca de Investigación de Verano de Pregrado de Caltech (SURF).
“El tipo de ventiladores que estamos usando aquí tiene un sensor incorporado que le dice qué tan rápido están girando, y tiene que escribir software para acceder a ese sensor”, explica 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».
Un avión teledirigido quadrotor se cierne frente a la pared de ventiladores en el aeródromo CAST.
Cuando no está dentro de una cámara de vacío, es un proceso sencillo: simplemente conecte una línea USB al componente defectuoso y conéctelo a una computadora portátil. Para lograr este tipo de corrección de errores dentro de una cámara de vacío, se habrían necesitado 80 líneas USB individuales para transportar suficientes datos para controlar los ventiladores.
En cambio, Stefan-Zavala desarrolló un software personalizado que monitoreaba remotamente a los ventiladores y, si era necesario, los dirigía a reprogramarse automáticamente.
El estudio de viabilidad del proyecto comenzó en 2017 y las pruebas se completaron a mediados de septiembre de 2018. Dada la demanda continua de la cámara de vacío para simular el entorno espacial (los investigadores del JPL la están utilizando como simulador espacial), el equipo había muy poco tiempo para ensamblar el ventilador, ejecutarlo, hacer las pruebas y luego descomponerlo.
Al final, el conjunto de ventiladores permaneció ensamblado durante unas pocas semanas. “Fue estrecho. Trabajamos 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 la nueva tecnología para Marte vinieran de los estudiantes. “Eran estudiantes graduados de Caltech”, dice. «No me sorprendió este nivel de experiencia».
