O helicóptero Ingenuity pode ser o primeiro veículo a voar em Marte, mas Marte não foi o primeiro lugar para onde ele voou. Antes de empacotar e explodir no Planeta Vermelho, engenheiros do JPL testaram o helicóptero em um túnel de vento especial projetado com a ajuda de pesquisadores da Caltech.

Para simular o vôo em um planeta onde a atmosfera é 100 vezes mais fina que a da Terra, um túnel de vento personalizado foi construído dentro de um prédio de 25 metros de altura, Câmara de vácuo de 25 pés de diâmetro no JPL, que Caltech gerencia para a NASA. A pressão na câmara foi bombeada para se aproximar da atmosfera marciana, enquanto uma matriz de 441 pares de ventiladores individualmente controláveis ​​soprou no helicóptero para simular o vôo para a frente no espaço fechado.

A matriz de ventiladores foi projetada e construída pelos engenheiros do JPL com contribuições de Chris Dougherty e Marcel Veismann da Caltech, que atualmente são Ph.D. alunos que trabalham com Mory Gharib, Hans W. Liepmann Professor de Aeronáutica e Engenharia Bioinspirada e Presidente de Liderança Booth-Kresa do Centro de Sistemas Autônomos e Tecnologias da Caltech (CAST). Dougherty e Veismann haviam supervisionado anteriormente o projeto e a montagem de uma matriz semelhante de 1, 296 pares de ventiladores para o túnel de vento em clima real em CAST, que foi inaugurado em 2017. Seu design usa ventiladores de computador prontos para uso (embora sejam os mais poderosos atualmente disponíveis).

"Este tipo de túnel de vento era particularmente adequado para as aplicações pretendidas, porque o conceito de usar uma variedade de pequenos, os ventiladores baratos oferecem uma solução eficiente em termos de espaço e econômica em comparação com os túneis de vento de ventilador único, "Veismann diz." Além disso, esses tipos de ventiladores são relativamente robustos e seguros para operar, e a modularidade nos permitiu testar o desempenho da parede antes de construir a instalação em escala real. "

Jason Rabinovitch, que era um engenheiro mecânico no JPL trabalhando no teste do helicóptero, contatei a equipe CAST em 2017. "Eu fiz meu Ph.D. na GALCIT [Laboratórios Aeroespaciais de Graduação do Instituto de Tecnologia da Califórnia], então eu estava ciente do CAST e suas instalações, "diz Rabinovitch, que agora é professor assistente de engenharia mecânica no Stevens Institute of Technology em New Jersey.

Projetando um helicóptero para voar em Marte, que tem gravidade mais baixa e pressão do ar muito mais baixa do que a da Terra, apresentou um novo conjunto de desafios para os engenheiros do JPL. O simples teste do helicóptero exigiu novas instalações.

"Mesmo em uma grande câmara de vácuo, qual era, seria impossível voar livremente para a frente de qualquer forma significativa, "Dougherty diz." Então, para testar o vôo para a frente, foi construída a maior câmara de vácuo de todos os tempos, o que seria proibitivo em termos de tempo e custo, ou encontrar uma maneira de simular as condições de vôo para a frente de Marte em um ambiente fechado e com espaço confinado. É aí que entram as nossas matrizes de fãs. "

Dougherty e Veismann projetaram o leque do CAST para simular as condições meteorológicas terrestres do mundo real em um ambiente parcialmente fechado, permitindo aos pesquisadores testar veículos aéreos não tripulados sob condições realistas sob a supervisão de Gharib. O conjunto de 3 metros por 3 metros está alojado em uma arena de drones de três andares de altura. Um programa de computador controla a ação de mais de 2, 000 fãs individuais, permitindo que os engenheiros simulem praticamente qualquer condição de vento que um drone possa encontrar no mundo real, de uma rajada leve a um vendaval.

"Se quisermos construir coisas que vão funcionar no mundo real, precisamos testá-los em condições do mundo real. É por isso que no CAST, temos instalações onde sistemas autônomos enfrentam desafios realistas, "diz Gharib, diretor do CAST.

Mais importante para o helicóptero de Marte, o software do fan array oferece a flexibilidade de gerar de forma reproduzível fluxos turbulentos realistas sob demanda, à medida que cada ventilador envia e recebe informações segundo a segundo.

"Tínhamos muitas questões aerodinâmicas, "Rabinovitch diz." Você quer entender o desempenho do veículo em um ambiente relevante. Você deseja garantir que o veículo esteja estável quando voar em Marte, e que funciona conforme o esperado durante uma ampla gama de manobras. "

Contra-intuitivamente, era importante para a instalação de teste do Ingenuity ser capaz de gerar ventos estáveis ​​de baixa velocidade. Túneis de vento tradicionais, que tem um ventilador gigante, são projetados para gerar ventos de alta velocidade para aeronaves de teste que voarão a centenas de milhas por hora. A equipe investigou a possibilidade de usar o Túnel de Dinâmica Transônica (TDT) localizado no Centro de Pesquisa Langley da NASA, que é um túnel de vento capaz de produzir condições de fluxo para testar aeronaves que viajam mais rápido do que a velocidade do som em grandes altitudes na Terra. O helicóptero Ingenuity, em contraste, viaja a cerca de 10 metros por segundo, ou cerca de 20 milhas por hora.

"Se tivéssemos ido para Langley, eles teriam que desligar o ventilador para obter a velocidade do vento que estávamos procurando, "diz Amiee Quon, um engenheiro de integração mecânica no JPL que ajudou a testar o helicóptero.

A equipe do JPL Mars Helicopter garantiu o uso de uma das maiores câmaras de vácuo do JPL para o projeto. A câmara tem 85 pés de altura e 25 pés de diâmetro. Demora cerca de duas horas para bombear o ar interno para recriar as condições da atmosfera marciana.

Construir uma série de ventiladores individualmente controláveis ​​dentro de uma câmara de vácuo não é tão simples quanto apenas montar as unidades e ligá-las. Por uma coisa, a própria natureza de uma câmara de vácuo - o fato de ser hermeticamente selada - significa que não pode haver vários fios entrando e saindo. Todas as entradas e saídas tiveram que ser simplificadas e reduzidas

A instalação em si tem sido importante para as missões do JPL a Marte. "Esta é a câmara onde fizemos os principais testes de vácuo térmico para todos os rovers de Marte, que simulam o espaço ao bombear todo o ar e alternar entre altas e baixas temperaturas. Tínhamos que mantê-lo limpo, "Quon diz." Nós nos preocupamos com a sujeira, mas também nos preocupamos com a liberação de gases dos componentes dos ventiladores. "Devido aos requisitos de controle de contaminação, a equipe do JPL teve que reconectar os ventiladores, trocando suas capas de fiação de cloreto de polivinila (PVC) por outras de Teflon, que liberam menos gases químicos no ar.

"Foi muito divertido, mas havia muitos detalhes a serem considerados, "diz Quon." Pegamos uma instalação que não foi projetada para testes em túnel de vento e a transformamos em um túnel de vento pela primeira vez. "

Por causa do tempo necessário para bombear a câmara para imitar a pressão atmosférica extremamente baixa de Marte, quaisquer erros ocorridos precisavam ser corrigidos remotamente. Por isso, Dougherty e Veismann pediram a ajuda do aluno Alejandro Stefan-Zavala do Caltech Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF).

"O tipo de ventoinha que usamos aqui tem um sensor integrado que informa a velocidade com que estão girando, e você tem que escrever algum software para acessar esse sensor, "Stefan-Zavala diz." Com 441 pares de fãs, há muitos sensores, e você quer saber em tempo real o que está acontecendo para que possa diagnosticar se algo não está funcionando corretamente. "

Quando não estiver dentro de uma câmara de vácuo, esse é um processo simples:basta conectar uma linha USB ao componente com defeito e conectá-lo a um laptop. Para realizar esse tipo de correção de erros dentro de uma câmara de vácuo, seriam necessárias 80 linhas USB individuais para transportar dados suficientes para controlar os ventiladores.

Em vez de, Stefan-Zavala desenvolveu um software personalizado que monitorava remotamente os fãs, e, se necessário, orientava-os a se reprogramarem automaticamente.

O estudo de viabilidade do projeto começou em 2017 e os testes foram concluídos em meados de setembro de 2018. Dada a demanda contínua pela câmara de vácuo para simular o ambiente espacial - ela é usada como um simulador espacial pelos pesquisadores do JPL - a equipe teve muito pouco tempo para montar o leque de fãs, faça funcionar, faça os testes, e, em seguida, divida tudo de volta.

No fim, o leque permaneceu montado por apenas algumas semanas. “Estava apertado. Trabalhamos muitas noites e fins de semana, "Rabinovitch diz.

Rabinovitch diz que não ficou surpreso que o know-how técnico excepcional necessário para projetar um túnel de vento inédito para testar uma tecnologia totalmente nova para Marte tenha vindo de estudantes. "Eram alunos de pós-graduação da Caltech, ", diz ele." Não fiquei surpreso com esse nível de especialização. "