Tecnologia Científica

Como você testa um helicóptero com destino a Marte?
Estudantes de graduação da Caltech ajudaram o JPL a construir um túnel de vento personalizado em uma câmara de vácuo para o helicóptero Mars Ingenuity
Por Robert Perkins - 25/04/2021


Crédito: NASA / JPL-Caltech


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

Para simular o voo em um planeta onde a atmosfera é 100 vezes mais fina que a da Terra, um túnel de vento personalizado foi construído dentro de uma câmara de vácuo de 25 pés de altura e 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 um conjunto de 441 pares de ventiladores individualmente controláveis ​​soprou no helicóptero para simular o voo para a frente no espaço fechado.

A gama de ventiladores foi projetada e construída por engenheiros do JPL com contribuições de Chris Dougherty (MS '16) da Caltech e Marcel Veismann (MS '16), que atualmente são alunos de doutorado trabalhando com Mory Gharib (PhD '83), Professor Hans W. Liepmann de Engenharia Aeronáutica e Bioinspirada e Presidente de Liderança Booth-Kresa do Centro de Sistemas e Tecnologias Autônomos da Caltech (CAST). Dougherty e Veismann já haviam supervisionado 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 projeto usa ventiladores de refrigeração de computador prontos para uso (embora sejam os mais poderosos atualmente acessível).

"Este tipo de túnel de vento era particularmente adequado para as aplicações pretendidas, porque o conceito de usar uma série de ventiladores pequenos e baratos oferece uma solução eficiente em termos de espaço e custo-benefício em comparação com 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 (MS '09, PhD '14), que era engenheiro mecânico no JPL trabalhando no teste do helicóptero, entrou em contato com a equipe CAST em 2017. "Eu fiz meu PhD na GALCIT [Laboratórios Aeroespaciais de Graduação da California Institute of Technology], então eu estava ciente do CAST e de suas instalações ", disse Rabinovitch, que agora é professor assistente de engenharia mecânica no Stevens Institute of Technology em New Jersey.

Projetar um helicóptero para voar em Marte, que tem gravidade mais baixa e pressão do ar muito mais baixa do que a 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, o que era, seria impossível voar livremente para a frente de qualquer forma significativa”, diz Dougherty. “Então, para testar o vôo para a frente, foi construir 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 confinado no espaço. 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 ventiladores individuais, permitindo que os engenheiros simulem praticamente qualquer condição de vento que um drone possa encontrar no mundo real, desde uma rajada leve até um vendaval.

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

Mais importante para o helicóptero Mars, 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”, diz Rabinovitch. "Você quer entender o desempenho do veículo em um ambiente relevante. Você quer garantir que o veículo esteja estável quando voar em Marte e que tenha o desempenho esperado durante uma ampla gama de manobras."

Helicóptero engenhoso
O Ingenuity Mars Helicopter da NASA fez essa foto, capturando sua própria
sombra, enquanto pairava sobre a superfície marciana em 19 de abril de 2021,
durante a primeira instância de vôo controlado e motorizado em outro
planeta. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Contra-intuitivamente, era importante para a instalação de teste do Ingenuity ser capaz de gerar ventos estáveis ​​de baixa velocidade. Os túneis de vento tradicionais, que têm 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 Transonic Dynamics Tunnel (TDT) localizado no Centro de Pesquisa Langley da  NASA , que é um túnel de vento capaz de produzir condições de fluxo para testar aeronaves viajando mais rápido que a velocidade do som em grandes altitudes no 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", disse Amiee Quon, engenheira de integração mecânica do 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 um lado, a própria natureza de uma câmara de vácuo - o fato de ser bem vedada - 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 passar por altas e baixas temperaturas. Tivemos que mantê-la limpa", disse Quon. "Estávamos preocupados com a sujeira, mas também com a liberação de gases dos componentes dos ventiladores." Devido aos requisitos de controle de contaminação, a equipe do JPL teve que religar 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, qualquer erro que ocorresse precisava ser corrigido remotamente. Para isso, Dougherty e Veismann contaram com a ajuda do aluno Alejandro Stefan-Zavala do Caltech Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF).

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

Quando não está 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 disso, Stefan-Zavala desenvolveu um software personalizado que monitorava remotamente os ventiladores e, se necessário, os orientava 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 a matriz do ventilador, faça-a funcionar, faça os testes e, em seguida, divida tudo de volta.

No final, o conjunto de ventiladores permaneceu montado por apenas algumas semanas. “Estava apertado. Trabalhamos muitas noites e fins de semana”, diz Rabinovitch.

Rabinovitch diz que não ficou surpreso que o conhecimento 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."

 

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