L'elicottero Ingenuity potrebbe essere il primo veicolo in assoluto a volare su Marte, ma Marte non è stato il primo posto in cui è mai volato. Prima di impacchettarlo e lanciarlo sul Pianeta Rosso, gli ingegneri del JPL hanno fatto provare l'elicottero in una speciale galleria del vento progettata con l'aiuto dei ricercatori del Caltech.

Per simulare il volo su un pianeta in cui l'atmosfera è 100 volte più sottile di quella terrestre, una galleria del vento personalizzata è stata costruita all'interno di un 85 piedi di altezza, Camera a vuoto di 25 piedi di diametro al JPL, che Caltech gestisce per la NASA. La pressione nella camera è stata pompata per avvicinarsi all'atmosfera marziana, mentre una serie di 441 coppie di ventole controllabili individualmente soffiavano sull'elicottero per simulare il volo in avanti nello spazio chiuso.

L'array di ventole è stato progettato e costruito dagli ingegneri JPL con il contributo di Chris Dougherty e Marcel Veismann di Caltech, che sono attualmente dottorandi studenti che lavorano con Mory Gharib, Hans W. Liepmann Professore di ingegneria aeronautica e bioispirata e presidente di Booth-Kresa Leadership del Centro per i sistemi e le tecnologie autonome (CAST) di Caltech. Dougherty e Veismann avevano precedentemente supervisionato la progettazione e l'assemblaggio di una serie simile di 1, 296 paia di ventole per la galleria del vento Real Weather al CAST, che ha aperto nel 2017. Il loro design utilizza ventole di raffreddamento per computer standard (anche se le più potenti attualmente disponibili).

"Questo tipo di galleria del vento era particolarmente adatto per le applicazioni previste, perché il concetto di utilizzare una serie di piccoli, i ventilatori economici offrono una soluzione efficiente in termini di spazio ed economica rispetto alle gallerie del vento a ventola singola, " Dice Veismann. "Inoltre, questi tipi di ventilatori sono relativamente robusti e sicuri da usare, e la modularità ci ha permesso di testare le prestazioni del muro prima di costruire la struttura su vasta scala".

Jason Rabinovitch, che era un ingegnere meccanico al JPL che lavorava ai test dell'elicottero, contattato il team CAST nel 2017. "Ho conseguito il dottorato di ricerca presso GALCIT [i Laboratori aerospaziali laureati del California Institute of Technology], quindi ero a conoscenza di CAST e delle sue strutture, "dice Rabinovitch, che ora è assistente professore di ingegneria meccanica presso lo Stevens Institute of Technology nel New Jersey.

Progettare un elicottero per volare su Marte, che ha una gravità inferiore e una pressione dell'aria molto più bassa della Terra, ha presentato una nuova serie di sfide per gli ingegneri di JPL. Il semplice test dell'elicottero richiedeva nuove strutture.

"Anche in una grande camera a vuoto, quale fosse questo, sarebbe impossibile volare in avanti in modo significativo, "Dougherty dice. "Quindi per testare il volo in avanti, o è stato costruire la più grande camera a vuoto di tutti i tempi, che sarebbe proibitivo in termini di tempo e costi, o trovare un modo per simulare le condizioni di volo in avanti di Marte in un ambiente sigillato e confinato nello spazio. È qui che entrano in gioco i nostri array di fan".

Dougherty e Veismann hanno progettato l'array di ventole di CAST per simulare le condizioni meteorologiche terrestri reali in un ambiente parzialmente chiuso, consentendo ai ricercatori di testare veicoli aerei senza equipaggio in condizioni realistiche sotto la supervisione di Gharib. L'array di 10 piedi per 10 piedi è ospitato in un'arena per droni alta tre piani. Un programma per computer controlla l'azione di più di 2, 000 singoli tifosi, consentendo agli ingegneri di simulare praticamente qualsiasi condizione di vento che un drone potrebbe incontrare nel mondo reale, da una leggera raffica a una burrasca.

"Se vogliamo costruire cose che funzionino nel mondo reale, dobbiamo testarli in condizioni reali. Ecco perché in CAST, disponiamo di strutture in cui i sistemi autonomi affrontano sfide realistiche, "dice Gharib, direttore di CAST.

Ancora più importante per l'elicottero su Marte, il software dell'array di ventole offre la flessibilità di generare flussi turbolenti realistici su richiesta in modo riproducibile poiché ogni ventola invia e riceve informazioni secondo per secondo.

"Avevamo molte domande sull'aerodinamica, " Rabinovitch dice. "Vuoi capire le prestazioni del veicolo in un ambiente rilevante. Vuoi assicurarti che il veicolo sia stabile quando vola su Marte, e che si comporti come previsto durante un'ampia gamma di manovre."

Controintuitivamente, era importante che l'impianto di prova di Ingenuity fosse in grado di generare venti stabili a bassa velocità. Gallerie del vento tradizionali, che hanno un gigantesco ventaglio, sono progettati per generare venti ad alta velocità per testare velivoli che voleranno a centinaia di miglia all'ora. Il team ha studiato la possibilità di utilizzare il Transonic Dynamics Tunnel (TDT) situato presso il Langley Research Center della NASA, che è una galleria del vento in grado di produrre condizioni di flusso per testare aerei che viaggiano più veloci della velocità del suono ad alta quota sulla terra. L'elicottero Ingenuity, in contrasto, viaggia a circa 10 metri al secondo, o circa 20 miglia all'ora.

"Se fossimo andati a Langley, avrebbero dovuto spegnere il ventilatore per ottenere la velocità del vento che stavamo cercando, "dice Amiee Quon, un ingegnere di integrazione meccanica al JPL che ha aiutato a testare l'elicottero.

Il team JPL Mars Helicopter si è assicurato l'uso di una delle più grandi camere a vuoto di JPL per il progetto. La camera è alta 85 piedi e ha un diametro di 25 piedi. Ci vogliono circa due ore per pompare l'aria all'interno per ricreare le condizioni dell'atmosfera marziana.

Costruire una serie di ventole controllabili individualmente all'interno di una camera a vuoto non è semplice come assemblare le unità e accenderle. Per una cosa, la natura stessa di una camera a vuoto, il fatto che sia sigillata ermeticamente, significa che non possono esserci più fili che entrano ed escono. Tutti gli input e gli output dovevano essere semplificati e ridimensionati

La struttura stessa è stata importante per le missioni su Marte del JPL. "Questa è la camera in cui abbiamo eseguito i principali test di vuoto termico per tutti i rover su Marte, che simulano lo spazio pompando fuori tutta l'aria e attraversando alte e basse temperature. Abbiamo dovuto tenerlo pulito, " dice Quon. "Ci preoccupavamo per lo sporco, ma eravamo anche preoccupati per la fuoriuscita di gas dai componenti sui ventilatori." A causa dei requisiti di controllo della contaminazione, il team JPL ha dovuto ricablare i tifosi, sostituendo le loro guaine di cablaggio in cloruro di polivinile (PVC) di serie con quelle in teflon che rilasciano meno gas chimici nell'aria.

"E 'stato molto divertente, ma c'erano molti dettagli da considerare, " dice Quon. "Abbiamo preso una struttura che non è stata progettata per i test in galleria del vento e l'abbiamo trasformata in una galleria del vento per la prima volta".

A causa del tempo necessario per pompare la camera per imitare la pressione atmosferica estremamente bassa di Marte, eventuali errori che si sono verificati devono essere risolti in remoto. Per quello, Dougherty e Veismann hanno chiesto l'aiuto dello studente della Caltech Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) Alejandro Stefan-Zavala.

"Il tipo di ventole che usiamo qui ha un sensore integrato che ti dice quanto velocemente stanno girando, e devi scrivere del software per accedere a quel sensore, " dice Stefan-Zavala. "Con 441 paia di fan, ci sono molti sensori, e vuoi sapere in tempo reale cosa sta succedendo in modo da poter diagnosticare se qualcosa non funziona correttamente."

Quando non si trova all'interno di una camera a vuoto, questo è un processo semplice:si collega semplicemente una linea USB al componente difettoso e lo si collega a un laptop. Per realizzare questo tipo di correzione degli errori all'interno di una camera a vuoto sarebbero state necessarie 80 singole linee USB per trasportare dati sufficienti per controllare le ventole.

Anziché, Stefan-Zavala ha sviluppato un software personalizzato che monitorava in remoto i fan, e, se necessario, li ha indirizzati a riprogrammarsi automaticamente.

Lo studio di fattibilità del progetto è iniziato nel 2017 e i test sono stati completati a metà settembre 2018. Data la continua richiesta di camera a vuoto per simulare l'ambiente spaziale, utilizzata come simulatore spaziale dai ricercatori del JPL, il team ha avuto pochissimo tempo per assemblare la schiera di ventilatori, fallo funzionare, fai le prove, e poi scomporre tutto di nuovo.

Alla fine, l'array di ventole è rimasto assemblato solo per poche settimane. "Era stretto. Stavamo lavorando molte notti e nei fine settimana, "dice Rabinovitch.

Rabinovitch afferma di non essere rimasto sorpreso dal fatto che l'eccezionale know-how tecnico necessario per progettare una galleria del vento unica nel suo genere per testare una nuovissima tecnologia per Marte provenisse dagli studenti. "Questi erano studenti laureati Caltech, " dice. "Non ero sorpreso da quel livello di competenza."