O helica³ptero Ingenuity pode ser o primeiro vea­culo a voar em Marte, mas Marte não foi o primeiro lugar onde ele voou. Antes de empacota¡-lo e explodi-lo no Planeta Vermelho, os engenheiros do JPL testaram o helica³ptero em um taºnel de vento especial projetado com a ajuda de pesquisadores da Caltech.

Para simular o voo em um planeta onde a atmosfera é100 vezes mais fina que a da Terra, um taºnel de vento personalizado foi construa­do dentro de uma ca¢mara de va¡cuo de 25 panãs de altura e 25 panãs de dia¢metro no JPL, que Caltech gerencia para a NASA. A pressão na ca¢mara foi bombeada para se aproximar da atmosfera marciana, enquanto um conjunto de 441 pares de ventiladores individualmente controla¡veis ​​soprou no helica³ptero para simular o voo para a frente no espaço fechado.

A gama de ventiladores foi projetada e construa­da 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 Aerona¡utica e Bioinspirada e Presidente de Liderana§a Booth-Kresa do Centro de Sistemas e Tecnologias Auta´nomos 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 taºnel 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 acessa­vel).

"Este tipo de taºnel de vento era particularmente adequado para as aplicações pretendidas, porque o conceito de usar uma sanãrie de ventiladores pequenos e baratos oferece uma solução eficiente em termos de espaço e custo-benefa­cio em comparação com taºneis de vento de ventilador aºnico", 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 meca¢nico no JPL trabalhando no teste do helica³ptero, entrou em contato com a equipe CAST em 2017. "Eu fiz meu PhD na GALCIT [Laborata³rios Aeroespaciais de Graduação da California Institute of Technology], então eu estava ciente do CAST e de suas instalações ", disse Rabinovitch, que agora éprofessor assistente de engenharia meca¢nica no Stevens Institute of Technology em New Jersey.

Projetar um helica³ptero 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 helica³ptero exigiu novas instalações.

“Mesmo em uma grande ca¢mara de va¡cuo, o que era, seria impossí­vel voar livremente para a frente de qualquer forma significativa”, diz Dougherty. “Então, para testar o va´o para a frente, foi construir a maior ca¢mara de va¡cuo de todos os tempos, o que seria proibitivo em termos de tempo e custo, ou encontrar uma maneira de simular as condições de va´o para a frente de Marte em um ambiente fechado e confinado no Espaço. a‰ aa­ que entram as nossas matrizes de fa£s. "

Dougherty e Veismann projetaram o leque do CAST para simular as condições meteorola³gicas terrestres do mundo real em um ambiente parcialmente fechado, permitindo aos pesquisadores testar vea­culos aanãreos não tripulados sob condições realistas sob a supervisão de Gharib. O conjunto de 3 metros por 3 metros estãoalojado 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 atéum vendaval.

"Se quisermos construir coisas que va£o operar no mundo real, precisamos testa¡-los em condições do mundo real. a‰ por isso que no CAST, temos instalações onde os sistemas auta´nomos enfrentam desafios realistas", disse Gharib, diretor do CAST .

Mais importante para o helica³ptero Mars, o software do fan array oferece a flexibilidade de gerar de forma reproduza­vel fluxos turbulentos realistas sob demanda, a  medida que cada ventilador envia e recebe informações segundo a segundo.

“Ta­nhamos muitas questões aerodina¢micas”, diz Rabinovitch. "Vocaª quer entender o desempenho do vea­culo em um ambiente relevante. Vocaª quer garantir que o vea­culo esteja esta¡vel quando voar em Marte e que tenha o desempenho esperado durante uma ampla gama de manobras."

Contra-intuitivamente, era importante para a instalação de teste do Ingenuity ser capaz de gerar ventos esta¡veis ​​de baixa velocidade. Os taºneis de vento tradicionais, que tem um ventilador gigante, são projetados para gerar ventos de alta velocidade para aeronaves de teste que voara£o 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 éum taºnel 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 helica³ptero Ingenuity , em contraste, viaja a cerca de 10 metros por segundo, ou cerca de 20 milhas por hora.

"Se tivanãssemos ido para Langley, eles teriam que desligar o ventilador para obter a velocidade do vento que esta¡vamos procurando", disse Amiee Quon, engenheira de integração meca¢nica do JPL que ajudou a testar o helica³ptero.

A equipe do JPL Mars Helicopter garantiu o uso de uma das maiores ca¢maras de va¡cuo do JPL para o projeto. A ca¢mara tem 85 panãs de altura e 25 panãs de dia¢metro. Demora cerca de duas horas para bombear o ar interno para recriar as condições da atmosfera marciana.

Construir uma sanãrie de ventiladores individualmente controla¡veis ​​dentro de uma ca¢mara de va¡cuo não étão simples quanto apenas montar as unidades e liga¡-las. Por um lado, a própria natureza de uma ca¢mara de va¡cuo - o fato de ser bem vedada - significa que não pode haver vários fios entrando e saindo. Todas as entradas e saa­das tiveram que ser simplificadas e reduzidas

A instalação em si tem sido importante para as missaµes do JPL a Marte. "Esta éa ca¢mara onde fizemos os principais testes de va¡cuo tanãrmico para todos os rovers de Marte, que simulam o espaço ao bombear todo o ar e passar por altas e baixas temperaturas. Tivemos que mantaª-la limpa", disse Quon. "Esta¡vamos 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 taºnel de vento e a transformamos em um taºnel de vento pela primeira vez."

Por causa do tempo necessa¡rio para bombear a ca¢mara para imitar a pressão atmosfanãrica 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 estãogirando, e vocêprecisa escrever algum software para acessar esse sensor”, diz Stefan-Zavala. "Com 441 pares de ventiladores, hámuitos sensores e vocêquer saber em tempo real o que estãoacontecendo para poder diagnosticar se algo não estãofuncionando corretamente."

Quando não estãodentro de uma ca¢mara de va¡cuo, esse éum processo simples: basta conectar uma linha USB ao componente com defeito e conecta¡-lo a um laptop. Para realizar esse tipo de correção de erros dentro de uma ca¢mara de va¡cuo, seriam necessa¡rias 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 necessa¡rio, os orientava a se reprogramarem automaticamente.

O estudo de viabilidade do projeto começou em 2017 e os testes foram conclua­dos em meados de setembro de 2018. Dada a demanda conta­nua pela ca¢mara de va¡cuo para simular o ambiente espacial - ela éusada como um simulador espacial pelos pesquisadores do JPL - a equipe teve muito pouco tempo para montar a matriz do ventilador, faz-a funcionar, faz 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 tanãcnico excepcional necessa¡rio para projetar um taºnel de vento inanãdito para testar uma tecnologia totalmente nova para Marte tenha vindo de estudantes. “Eram alunos de pós-graduação da Caltech”, diz ele. "Nãofiquei surpreso com essenívelde especialização."