El ingenio y los desafíos de volar un helicóptero en Marte

La gran noticia de hoy es que la NASA ha logrado el primer vuelo propulsado desde la superficie de Marte con el helicóptero Ingenuity. Con este desarrollo, la NASA ha allanado el camino para una exploración más rápida en Marte y otros planetas.

Lo que no es muy evidente es cuán vastos fueron los desafíos que hubo que superar antes de poder lograr esta hazaña. El Ingenuity no es solo un dron ordinario: fue diseñado específicamente para esta misión. ¿Qué hace que el vuelo de drones en Marte sea tan difícil y por qué el helicóptero Ingenuity es especial? ¿Hay algún dron en la Tierra que pueda compararse con su diseño?

Los desafíos de volar en la atmósfera de Marte

El vuelo en Marte es difícil por una sola cosa: la atmósfera de Marte es mucho más delgada en comparación con la de la Tierra. Una métrica más útil de esto es la densidad del aire en Marte, que solo representa alrededor del 1% de la densidad del aire en la Tierra.

¿Por qué la densidad del aire es un factor tan crucial en el vuelo? En el vuelo propulsado por rotor, las hélices esencialmente cortan el aire y lo redireccionan hacia abajo. Este es el mecanismo que crea sustentación. De manera similar, cambiar el ángulo del dron o helicóptero le da la propulsión para moverse en cualquier dirección. La fuerza de esta sustentación es directamente proporcional tanto a la velocidad de rotación de las hélices como a la densidad de la atmósfera.

Otra forma de enmarcar este desafío es que la atmósfera de Marte es equivalente a la atmósfera de la Tierra a una altitud de unas 22 millas. Esto está bien dentro de la estratosfera de la Tierra y más de diez veces la altitud permitida para los aviones comerciales. Incluso los intentos de batir récords para aeronaves en la Tierra alcanzaron un máximo de solo unos 85,000 pies.

Esto implica en gran medida que actualmente no hay ningún helicóptero en el planeta que pueda manejar la falta de atmósfera en Marte. Esto también significaba que el Ingenuity tenía que ser único.

La historia del ingenio

Las fases iniciales del diseño del Ingenuity comenzaron en 2014. Estaba destinado a ser una unidad de «exploración» para el rover de Marte que puede ayudar a identificar rutas de conducción seguras. A lo largo de los años, se desarrollaron y probaron prototipos del helicóptero Ingenuity en topografía simulada de Marte.

En 2018, el proyecto recibió $23 millones de fondos federales, justo a tiempo para que el helicóptero fuera desplegado para la misión Mars 2020. Después de una serie de pruebas de vuelo, se decidió que el helicóptero se montaría en la parte inferior del rover Perseverance. Fue solo en abril de 2020 que el helicóptero recibió oficialmente el nombre de «Ingenio», o «Ginny», para abreviar.

Más que nada, el Ingenuity estaba destinado a ser una demostración tecnológica. Utilizando los datos y el rendimiento del Ingenuity, los científicos de la NASA pueden proceder a crear versiones más sofisticadas del helicóptero que puedan cumplir el propósito real de ser un dron explorador.

El 19 de abril de 2021, el Ingenuity realizó con éxito su primer vuelo. El vuelo corto solo consistió en despegar, elevarse a una altura de diez pies, flotar durante casi 40 segundos y aterrizar. Las imágenes del vuelo se recibieron unas tres horas después.

Elementos de diseño de ingenio

Con muchos años de desarrollo, probablemente haya detalles sobre el diseño del Ingenuity que no podemos cubrir aquí. En su lugar, nos centraremos en los elementos de diseño que abordan los desafíos únicos de volar en Marte.

Elevar

Uno de los principales desafíos que el equipo tuvo que abordar fue cómo las hélices pueden generar sustentación a pesar de la delgada atmósfera de Marte. Dada la densidad del aire, el dron debía tener hélices muy potentes.

Las hélices de Ingenuity fueron diseñadas para alcanzar una velocidad máxima de 2200 rpm. Para poner eso en contexto, nuestros helicópteros habituales tienen hélices que giran a 500 rpm. Este era un dron muy poderoso (y ruidoso). Además, las hélices tenían que ser más grandes y rígidas que las hélices de los drones que se usaban típicamente en nuestro planeta.

A diferencia de los cuadricópteros habituales, el Ingenuity solo tenía dos hélices que giraban en direcciones opuestas. Esta fue una necesidad de diseño debido al requisito de una hélice con un gran diámetro.

Sin embargo, también había un límite superior a la velocidad a la que pueden girar las hélices. El equipo tuvo que asegurarse de que las hélices no rompieran la barrera del sonido. Esto puede crear estampidos sónicos que casi con certeza alterarán la aerodinámica del dron. A 2200 rpm, esta velocidad era solo alrededor del 70% de la velocidad del sonido.

Peso

Volar en Marte proporcionó una gran ventaja para Ingenuity: la gravedad en Marte era solo alrededor del 38% de la de la Tierra. Esto dio a los diseñadores cierto margen de maniobra para determinar el peso del dron. Sin embargo, todavía les interesaba mantener el dron lo más ligero posible.

Mediante el uso de materiales livianos, el peso del dron Ingenuity registró un poco menos de 1,8 kilogramos. Estos materiales incluían un tren de aterrizaje hecho con patas de fibra de carbono y hélices recubiertas con fibra de carbono y con núcleos de espuma. El fuselaje principal del dron contenía su circuito interno y batería con aislamiento interno de gas CO2.

Control

Otro desafío para el Ingenuity fue cómo iba a ser controlado durante el vuelo. Las señales de radio que normalmente usamos para volar drones en la Tierra eran simplemente demasiado lentas para Ingenuity. Para poner eso en contexto, las señales de radio tardarían entre 20 y 30 minutos en viajar desde la Tierra a Marte. Esto hizo imposible que el Ingenuity fuera pilotado por un piloto humano.

Esto significaba que el Ingenuity tenía que poder volar de forma totalmente autónoma. Para hacer esto, el dron tenía un conjunto completo de sensores que incluían giroscopios, altímetros, acelerómetros y una cámara. Esto le dio al dron una idea de su posición y orientación, así como una aproximación de la topografía que lo rodea.

Fuerza

El método principal para recargar las baterías del Ingenuity es una matriz de paneles solares en la parte superior de sus hélices. El dron ha sido equipado con un conjunto de baterías de iones de litio con una capacidad total de baterías de 35 a 40 vatios-hora. Cargar las baterías a plena capacidad tomó un día entero.

Sorprendentemente, las baterías del Ingenuity solo le permitían volar hasta 90 segundos a la vez. Esto se debe a que una parte significativa de la potencia de salida, aproximadamente 2/3, se destina a mantener calientes las baterías y los circuitos internos. Esto nos lleva a uno de los principales desafíos de mantener un dispositivo electrónico en funcionamiento en Marte: el hecho de que las temperaturas pueden bajar hasta -100 C por la noche.

Para ayudar a mantener calientes los componentes electrónicos del dron, su fuselaje está aislado con gas CO2. El gas no solo minimiza la pérdida de calor, sino que también proporciona aislamiento sin agregar un peso significativo al dron.

Durabilidad

Hay una consideración importante al diseñar qué tan resistente debe ser el dron. Si bien las condiciones de vuelo en Marte no son necesariamente exigentes mecánicamente, debería poder soportar los rigores del proceso de lanzamiento del transbordador espacial. Los componentes del transbordador pueden experimentar hasta 80 Gs de presión y vibración durante el lanzamiento, por lo que el equipo de diseño tuvo que dedicar un gran esfuerzo a esto.

Avanzando con el dron Ingenuity

Con la demostración técnica de Ingenuity altamente exitosa, el equipo de la NASA puede proceder a utilizar los datos recopilados para futuras iteraciones. El objetivo es crear un dron que pueda operar con pesos más altos y posiblemente llevar una carga útil. El objetivo final es que el dron recolecte muestras de suelo, agua y salmuera de Marte que luego puedan devolverse a la Tierra para su análisis.

Pensamientos finales

Profundizar en el dron Ingenuity puede ser una pequeña desviación de nuestros temas habituales en Pilot Institute, pero muchos entusiastas de los drones están comprensiblemente emocionados con esta noticia. Es muy interesante observar el proceso de diseño y comprender cómo el vuelo de drones en Marte es muy diferente de lo que hacemos en nuestro planeta de origen.

Lo que consideramos más interesante es cómo los aprendizajes del proceso de diseño de Ingenuity pueden llegar a los drones de las marcas comerciales. La tecnología de hélice, batería y sensor del Ingenuity ciertamente puede resultar útil incluso en nuestro entorno más «terrestre».