Cuanto más rápido giran los rotores de un helicóptero marciano, mayor es la carga útil que puede transportar y mayor es su alcance.
Las palas del rotor que llevarán a los helicópteros de próxima generación de la NASA a nuevas alturas en Marte rompieron la barrera del sonido durante las pruebas realizadas en marzo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el sur de California. Los datos de las pruebas, que tuvieron lugar en una cámara especial que simula las condiciones ambientales del Planeta Rojo, indican que la parte más rápida de la pala del rotor, las puntas, puede acelerarse más allá de Mach 1 sin romperse. Los datos recopilados en 137 pruebas permitirán a los ingenieros diseñar aeronaves capaces de transportar cargas útiles más pesadas, incluidos instrumentos científicos.
«La NASA tuvo un gran éxito con el helicóptero Ingenuity de Marte, pero les estamos pidiendo a estas aeronaves de próxima generación que hagan aún más en el Planeta Rojo», dijo Al Chen, gerente del Programa de Exploración de Marte en el JPL. “No es tarea fácil. Si bien todo en Marte es complejo, volar allí es prácticamente lo más difícil que se puede hacer. Esto se debe a que su atmósfera es increíblemente tenue, lo que dificulta la generación de sustentación, y sin embargo, Marte posee una gravedad considerable”.
Ingenuity, que realizó el primer vuelo controlado y propulsado en otro mundo hace poco más de cinco años, el 19 de abril de 2021, fue una demostración tecnológica pionera que no transportaba instrumentos científicos. El proyecto SkyFall, anunciado recientemente por la agencia, y otras posibles aeronaves futuras para Marte podrán transportar cargas útiles —incluidos instrumentos científicos y sensores— para recopilar datos que sirvan de apoyo a futuras misiones tripuladas y robóticas, aprovechando las ventajas de la exploración aérea a baja altitud.
Necesidad de velocidad
En el vertiginoso mundo de los rotores, un mayor empuje se consigue con una mayor velocidad de giro o un diámetro mayor. Si bien este principio se cumple en la Tierra, los ingenieros que diseñan aeronaves para el Planeta Rojo deben ser mucho más audaces. Dado que la atmósfera marciana tiene solo el 1 % de la densidad de la Tierra, maximizar el empuje requiere impulsar las puntas de las palas hacia la velocidad del sonido para lograr una sustentación significativa. Aunque los rotores de pequeño diámetro en la Tierra también pueden girar a miles de revoluciones por minuto, tienen más moléculas de aire que desplazar y no necesitan acercarse al límite sónico.
El equipo de vuelo de Ingenuity nunca permitió que la velocidad de rotación de sus rotores de espuma con revestimiento compuesto superara las 2700 rpm durante los 72 vuelos del helicóptero en Marte por dos razones: para evitar la imprevisibilidad de la barrera del sonido y para asegurarse de que una ráfaga de viento inesperada (por ejemplo, de un remolino de polvo) no hiciera que las puntas de los rotores sobrepasaran el límite sónico.
“Si Chuck Yeager estuviera aquí, les diría que las cosas pueden complicarse a Mach 1”, comentó Jaakko Karras, jefe de pruebas del rotor del JPL. “Teniendo esto en cuenta, planificamos los vuelos de Ingenuity para mantener las puntas de las palas del rotor a Mach 0.7 sin viento, de modo que si nos encontrábamos con un viento de frente marciano durante el vuelo, las puntas del rotor no superarían la velocidad del sonido. Pero queremos un mayor rendimiento de nuestra aeronave marciana de próxima generación. Necesitábamos saber que nuestros rotores podían alcanzar velocidades más altas de forma segura”.
Mientras que Mach 1 en la Tierra a nivel del mar equivale aproximadamente a 1223 km/h (760 mph), la velocidad del sonido en Marte es significativamente menor —alrededor de 869 km/h (540 mph)— debido a la atmósfera delgada, fría y rica en dióxido de carbono del planeta.
Cámara a prueba de palas
Para comenzar a evaluar los rotores, desarrollados y fabricados por AeroVironment en Simi Valley, California, Karras y su equipo instalaron un rotor de tres palas, que podría utilizarse en futuros diseños de helicópteros para Marte, dentro del histórico Simulador Espacial de 7,6 metros (25 pies) del JPL. Evacuaron el aire y lo reemplazaron con la cantidad justa de dióxido de carbono para igualar la atmósfera marciana, y luego sometieron el rotor a un fuerte viento mientras giraba a velocidades crecientes.
Crédito: NASA/JPL-Caltech
Los ingenieros de pruebas tomaron la precaución de revestir parte de la cámara con chapa metálica en caso de que las palas se rompieran durante el experimento supersónico. Desde una sala de control a pocos metros de la cámara, el equipo observó pantallas que mostraban datos y una vista del interior mientras las revoluciones por minuto (rpm) alcanzaban las 3750. A esa velocidad, las puntas de las palas viajaban a Mach 0,98. Luego, los ingenieros activaron un ventilador dentro de la cámara que bombardeó los rotores con viento frontal. Después de cada prueba, aumentaron la velocidad del viento para la siguiente.
El equipo logró aumentar la velocidad de las puntas del rotor a Mach 1.08, incrementando la capacidad de sustentación del vehículo marciano en un 30 %. Este avance permitirá que futuras misiones transporten cargas científicas más pesadas, incluyendo sensores avanzados y baterías de mayor capacidad para vuelos prolongados.
A continuación, el equipo probó suerte con el rotor SkyFall de dos palas. Al ser ligeramente más largo que la versión de tres palas, solo se necesitaron 3570 rpm para alcanzar la misma velocidad casi supersónica en las puntas del rotor antes de introducir los vientos en contra.
“Las pruebas exitosas de estos rotores representaron un paso fundamental para demostrar la viabilidad del vuelo en entornos más exigentes, algo clave para los vehículos de próxima generación”, afirmó Shannah Withrow-Maser, aerodinamista del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley y miembro del equipo de pruebas. “Pensábamos que con suerte alcanzaríamos Mach 1.05, y en nuestras últimas pruebas llegamos a Mach 1.08. Seguimos analizando los datos y es posible que podamos generar aún más empuje. Estos helicópteros de próxima generación serán increíbles”.
El equipo de diseño de la misión SkyFall ha incorporado los hallazgos del equipo de pruebas en las especificaciones de rendimiento. Inspirado en Ingenuity, el único helicóptero que ha volado en otro planeta hasta la fecha, SkyFall está diseñado para transportar tres helicópteros de última generación a Marte en diciembre de 2028.
Más información sobre el Programa de Exploración de Marte de la NASA
La campaña de pruebas de giro a velocidad supersónica fue financiada por el Programa de Exploración de Marte de la NASA con el objetivo de maximizar la capacidad de las futuras aeronaves que vuelen en Marte. El JPL, una división de Caltech en Pasadena, gestiona el Programa de Exploración de Marte para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington.
Para obtener más información sobre el Programa de Exploración de Marte de la NASA, visite https://science.nasa.gov/mars
Traducción no oficial con fines divulgativos del artículo original en Inglés.
Créditos: NASA / JPL-Caltech