Una mirada de cerca al primer helicóptero marino

Pedro Molina
Pedro Molina

La noticia recientemente contó historias de cómo la misión Mars 2020, lanzada por Cape Carnival a fines de julio, hizo algo que ninguna otra nave espacial había hecho antes: cargó con éxito las baterías de un pequeño helicóptero que se aferraba para viajar en el vientre de Mars 2020: investigación vehículo, perseverancia.

Aunque el helicóptero, acertadamente llamado Ingeniería, es solo una tecnología de demostración, y las operaciones de vuelo ocuparán solo una pequeña parte del tiempo en que Mars 2020 se dedica a sus misiones científicas, por supuesto ha capturado la imaginación popular. Este será el primer intento de la humanidad de un vuelo eléctrico controlado en otro planeta, y eso por sí solo es suficiente para estimular un intenso interés en lo que significa un proyecto paralelo para la NASA. Así que aquí hay un vistazo más de cerca a Ingeniería y lo que se necesita para construir un helicóptero que explorará otro mundo.

Diseñado para Marte

A pesar de la cobertura en la prensa popular de cómo la NASA envía un dron a Marte, casi no hay semejanza entre Ingenio y cualquier multicóptero terrestre convencional. Resulta que cuando diseñas un helicóptero para operar en un lugar donde el aire es tan delgado como a 115,000 pies (35 km) en la Tierra y con un tercio de su tracción gravitacional, terminarás con una experiencia única e inusual. máquina.

La impresión de un artista de la ingeniería posterior al despliegue. Fuente: NASA / JPL

La diferencia más llamativa entre Ingeniousness y un multicóptero más tradicional es la elección de convertirlo en un diseño de dos rotores. No habría manera de irse con un proyecto de cuatro capas, en gran parte por el tamaño de los rotores pero también porque tendría un mantenimiento muy complicado del helicóptero.

Según un documento de nómina de los ingenieros que diseñaron Engineering, la NASA también estaba preocupada por el fenómeno de las palas que provocan la flexión de las palas del rotor por encima y por debajo del plano de rotación. Sin la densa atmósfera de la Tierra para amortiguar una pala, el diseño tradicional del rotor probablemente se rompería en Marte. Por lo tanto, las palas de Ingeniousness fueron diseñadas para ser extremadamente rígidas y, al mismo tiempo, delgadas, ligeras y muy anchas en la raíz de la cuchilla, para proporcionar la elevación adicional necesaria en la delgada atmósfera marina. Las palas están construidas con un compuesto de pieles de fibra de carbono sobre un núcleo de espuma moldeada, y cada uno de los dos rotores coaxiales tiene un diámetro de poco más de 1,2 metros.

Otra forma en que la Ingeniería se diferencia de los multicópteros terrestres es en los sistemas de control de vuelo. Donde la mayoría de los quads solo tienen palas de rotor de tono fijo y usan la velocidad del motor diferencial para lograr el paso, la deflexión y el control del rodillo, Inventiveness usa un par de plataformas giratorias para controlar el paso colectivo y cíclico de cada rotor. Cada platina de titanio está controlada por un trío de pequeños servicios anclados al mástil del rotor, y está conectado al rotor mediante bielas mecanizadas de plástico de poliéter éter (PEEK).

Como era de esperar, los motores de Ingeniería son bastante especiales. Como la mayoría de los multicópteros terrestres, los dos motores de Ingenio tienen el diseño de CC sin escobillas, pero las similitudes se detienen ahí. El estator de 46 polos se devanó a mano utilizando un cable de cobre con una sección transversal rectangular, para permitir un mejor empaque de lo que sería posible con un cable de cobre redondo. El alto número de bobinas y los exóticos materiales ligeros utilizados para la carcasa hacen que los motores sean muy eficientes, muy ligeros y muy compactos. También son difíciles de ver en la foto de abajo; uno apenas se asoma entre el rotor superior y el panel solar, mientras que el otro se encuentra entre el rotor inferior y la placa del rotor superior.

Detalle de las placas y bujes del rotor de Ingenio. Tenga en cuenta que los enlaces PEEK de los servicios a las placas base no parecen haberse instalado todavía. Fuente: NASA / JPL

Despliegue

Tal como está configurado para volar, Ingenious está tan vendado e incómodo como todos los demás helicópteros. Encontrar una manera de guardar cualquier helicóptero en un paquete compacto y rápido es una tarea compleja, y más aún cuando necesita sobrevivir al lanzamiento de un cohete, un viaje interplanetario de seis meses y un aterrizaje autónomo de alta energía en Marte.

Ingenio insertado de forma segura en el vientre de la persistencia (centro inferior, haga clic para ampliar) Fuente: NASA / JPL

El diseño de un truco hace al menos la tarea de mantener la nave recta, gracias a su perfil delgado cuando las palas del rotor están alineadas entre sí. Las piernas de aterrizaje, sin embargo, son otro asunto. Las bisagras de las cuatro patas deben permitir que las patas se inclinen hacia los rotores para hacer que el paquete sea lo más pequeño posible y, al mismo tiempo, proporcionar absorción de impactos para los aterrizajes. Para lograr ambos objetivos, cada pierna está unida al cuerpo mediante una bisagra de despliegue que hace clic en la pierna hacia abajo hasta su posición desplegada bajo la presión de un resorte. Afterus después de la bisagra de despliegue es de titanio y flexión de aluminio, un mecanismo conforme que absorbe el impacto de hasta 2 metros por segundo aterrizaje.

Desarrollar el ingenio en la superficie marciana será un proceso complejo y altamente orquestado. El helicóptero se mantiene en la parte más vulnerable de Persistence, detrás de la bahía que contiene la Asamblea de caché adaptable. A pesar de la presencia de un brazo robótico en la bahía ACA, Ingenious no se sacará del almacenamiento ni se colocará con cuidado en la superficie. Más bien, como muestra el video a continuación (fuente: NASA / JPL), una vez que se descarta un escudo de escombros y la nave espacial se aleja a una zona despejada, el helicóptero se balanceará hacia abajo desde su posición de almacenamiento horizontal a una orientación vertical. Las piernas se soltarán para despegar y el helicóptero caerá unos centímetros a la superficie del mar. Es una operación que sin duda tomará días en completarse, ya que cada etapa de despliegue precederá y seguirá a numerosas inspecciones y reconocimientos sistemáticos de la zona con las numerosas cámaras que emergen del vehículo de reconocimiento y del propio helicóptero.

Operaciones de superficie

Una vez libre del vientre calentado por el plutonio de Persistence, Engineering tendrá que lidiar solo con el frío extremo de las noches de marzo. La electrónica necesaria para operar el helicóptero, incluidas las baterías ya cargadas, el controlador de vuelo y las cámaras y otros sensores necesarios para el sistema de navegación de aspecto y los altímetros, se encuentran dentro de un aparato térmico llamado Helicopter Warm Electronics Box, o HWEB. Esta caja se balancea entre las patas de aterrizaje del helicóptero y utiliza una combinación de calentadores de película delgada y una capa de aislamiento de poliamida para absorber la mayor cantidad posible de energía térmica solar al tiempo que reduce la pérdida de calor desde el interior del HWEB a la atmósfera marina.

Cerca del núcleo central de Ingeniería, incluido el tren de aterrizaje, los servicios de placa de rotor bajo y HWEB. Click para agrandar. Fuente: NASA / JPL

Tener un helicóptero autopropulsado a su disposición puede parecer un sueño hecho realidad para los planificadores de misiones, ya que les permite echar un vistazo rápidamente a alguna característica interesante para ver si vale la pena detenerse para conducir el vehículo de investigación para un examen más detenido. Y de hecho, eso es muy apreciado por la NASA para futuras misiones. Pero Ingeniería tiene objetivos mucho más modestos, principalmente como prueba de concepto de vuelo no terrestre.

Después de demostrar que puede sobrevivir al viaje a Marte, el descenso y el aterrizaje, y desplegado con éxito a la superficie, Ingenio está programado para unos pocos vuelos cortos. Ninguno de los vuelos de prueba totalmente autónomos durará no más de 90 segundos, y el helicóptero permanecerá a 50 metros de Persistence y nunca alcanzará más de 5 metros sobre la superficie.

Suponiendo que Ingenio pueda salir de la superficie y aterrizar de manera segura nuevamente, se realizarán un total de hasta cuatro vuelos adicionales. Pero después de que termine el período de prueba, Persistence continuará, con suerte dejando el helicóptero araña en posición vertical sobre la superficie marciana, cumpliendo su misión de demostrar que los aviones pueden operar en otros mundos.

  • jake dice:

    Lol’d en la imagen principal. ¡Buen artista!

  • las paredes de pago son malas dice:

    las paredes de pago son una mierda

    https://dacemirror.sci-hub.tw/proceedings-article/b9436cb5eae1d84448021b7c65731883/pipenberg2019.pdf

    • Axello dice:

      👍❤️

    • John dice:

      Sí, y dejar atrás materiales financiados por los contribuyentes es dos veces peor. Lo mismo ocurre con la venta de programas de televisión financiados por los contribuyentes a empresas privadas, que luego los ponen detrás de los muros de pago. Mirándote LeVar Burton.

  • Tecnología y teléfonos móviles dice:

    ¡¡Me preocupa Val Kilmer !!, la película Planeta Rojo (año 2000) tenía al robot AIMEE con esta característica de helicóptero.
    Increíblemente, cómo la ficción a veces se parece a la vida real.

  • anszom dice:

    “Ninguno de los vuelos de prueba totalmente autónomos no durará más de 90 segundos”, ¿doblemente negativo?

  • Un hombre viejo dice:

    “Bueno, ¿quién se olvidó de cargar las baterías?”

    “Este será el primer intento de la humanidad de realizar un vuelo eléctrico controlado en otro planeta”.
    Uh, Neil Armstrong * eligió * su aterrizaje cuando voló el LEM.

    • Mike Szczys dice:

      Porque somos pedantes, la Luna no es un planeta.

      • Un hombre viejo dice:

        ¡Vaya, eso nunca se me pasó por la cabeza! ¡Gracias por el edumacado!
        La definición de “planeta” cambia constantemente.

        https://en.wikipedia.org/wiki/Planet#Objects_formerly_considered_planets

        Si está lo suficientemente cerca, es lo suficientemente bueno.

        • Axello dice:

          ¡Guau! Qué pedazo de información planetaria. Gracias por el enlace!

      • Eric Weatherby dice:

        Estoy bastante seguro de que el Papa actual no es un planeta.

      • Elliot Williams dice:

        “Porque somos pedantes, la Luna no es un planeta”.

        A diferencia de Plutón.

        (Patos y palomitas de maíz al mismo tiempo).

        • Miroslav dice:

          Todo el mundo está de acuerdo con esa afirmación.

  • Jim Lux dice:

    muchas versiones gratuitas de artículos en
    https://trs.jpl.nasa.gov/discover?scope=%2F&query=balaram+helicopter&submit=Go

    • sid1950 dice:

      Gracias.

  • Gravis dice:

    Me pregunto si planean que las versiones futuras tengan un guijarro de plutonio a bordo para recargarlo.

    • hfiennes2 dice:

      Fui al fin de semana de apertura del JPL el año pasado y hablé con uno de los ingenieros. Estoy seguro de que lo recuerdo diciendo que la energía solar a bordo (por encima de los rotores) la recargará lo suficiente para decenas de segundos de vuelo todos los días … lo dudo. cambió entre el año pasado y el lanzamiento, pero tal vez no confíen en él.

      Cada tormenta de polvo probablemente también lo pondrá patas arriba.

      • BrilaBluJim dice:

        Los videos que vi durante la fase de desarrollo ciertamente indicaban recarga solar, con un panel fotovoltaico redondo sobre el rotor superior. Sospecho que encontraron que el beneficio de más vuelos no superaba el costo. La NASA considera que la ingeniería es un complemento de alto riesgo y muy rentable, y en este sentido, es posible que hayan visto vuelos adicionales que aumentan el riesgo, sin muchos beneficios adicionales. Al limitar los vuelos según la capacidad de la batería, pueden controlar las expectativas.

      • Un hombre viejo dice:

        ¿De dónde vendría el aire para impulsar la tormenta de polvo?

        • Miroslav dice:

          Marte tiene atmósfera. Delgado, alrededor del 1% de la densidad atmosférica de la Tierra, pero suficiente para los vientos.

          • Un hombre viejo dice:

            Sí, duh. Entonces el 100% del aire y el 100% del polvo. Dime de nuevo, ¿de dónde vienen las tormentas de polvo? ¿Y por qué las tormentas de polvo imaginarias son más críticas que LOS VIENTOS IMAGINARIOS SUPERPOTENTES 1%?

            Encuentro que no son del todo imaginarios, pero si F = MA la velocidad no es igual a la fuerza. Haz las matematicas.

            Esto, literalmente, no es ciencia espacial.

          • Terry dice:

            Rotores bastante pequeños para una atmósfera tan delgada, si es que es tan delgada.

          • BrilaBluJim dice:

            1) Sí, los rotores son pequeños. Y el helicóptero es extremadamente ligero. El ingenio era un proyecto adicional, no uno de los principales objetivos de la misión. El interés de que la gente esté interesada en esto (por ejemplo, en este artículo) es la razón principal por la que está en la nave espacial: es un alto riesgo (las máquinas autónomas son generalmente difíciles), una gran ventaja (muchos intereses renovados en el público cuando tiene éxito), un proyecto barato. Así que se incluyó en la misión, pero tenía presupuestos pequeños en términos de masa y volumen.
            2) ¿Sabías? Tuvimos varias tierras en la superficie de Marte. Midieron la densidad atmosférica directamente. Entonces sí, es tan delgado.
            3) La gravedad en Marte es solo alrededor del 38%, que es en la Tierra. Eso también lo sabemos: si desapareciera, no podríamos conseguir otros oficios allí.

            La razón por la que podemos enviar cosas como pequeños helicópteros a otros planetas es que los ingenieros no se detienen en “parece que eso no funcionaría”, sino que continúan y calculan y hacen experimentos para probar sus suposiciones.

      • Recoger dice:

        Dios mío, ¿notas que hay una presión de ~ 0.01 bar? La velocidad del viento más alta durante tormentas severas en Marte a un máximo de aproximadamente 100 km / h, pero ahora considere que se mueven alrededor de una centésima parte de una masa que harían en la Tierra. No haría excremento a un helicóptero de unos pocos kg con un área de sección transversal pequeña y el viento normal ni siquiera movería una hoja de papel. Ese estúpido libro y película marcianos enseña una mierda a la gente.

        • jerga dice:

          18 millas cuadradas de polvo tienen algo de inercia https://www.nasa.gov/feature/jpl/opportunity-hunkers-down-during-dust-storm No sé qué tan densa es la nube de polvo, pero la partícula de polvo es lo suficientemente grueso y suficientes partículas que golpean la máquina presionarán un poco.

          Los fotones no tienen una masa considerable y viajan en el vacío, sin embargo tenemos velas solares …

    • D dice:

      Se predice que el helicóptero titánico Dragonfly será atómico. Carga lenta de los átomos en las baterías y luego vuelos cortos en las baterías.

    • Martín dice:

      Este “guijarro de plutonio” solo genera calor. Para hacer esto, un RTG completo necesita algunos elementos adicionales que probablemente sean demasiado pesados.

  • Biomed dice:

    Las palas superiores antirrotación permiten la eliminación del rotor de cola sin perder la autoridad de control Y ahorran mucha energía para usar como elevador. Necesitan el ascensor en la delgada atmósfera.

  • k1r4 dice:

    Me pregunto si crearon la presión del aire de Marte en un ambiente controlado aquí en la tierra para probar la capacidad de levantarse y ¿lograron qué tan alto intentaron hacerlo volar?

    • MacAttack dice:

      Ciertamente lo espero. Además, espero que hayan calculado la variación en la densidad atmosférica que puede ser enorme en Marte frente a la Tierra. Entonces, tal vez solo tenga la intención de operar durante un cierto período de su temporada de desembarco y en la latitud dada.

    • Paul dice:

      Veritasium hizo un video de 20 minutos en el volante. Respondió algunas de esas preguntas y brindó gran información sobre lo que estaban haciendo.

      • NSFW dice:

        Excelente video, gracias por publicarlo.

    • dexdrako dice:

      la cámara de vacío tiene 20 pies de alto, por lo que tenían un lugar

  • RCcarsAreEasier dice:

    los rotores dobles son un diseño excelente. Solía ​​tener un helicóptero r / c muy bonito. doble rotor. Apestaba volarlo, pero ciertamente funcionó bien y pequeño y tuvo un efecto de batería.

    • jerga dice:

      Si lo entendí correctamente, los rotores solos forman la base del avión. La electrónica y el almacenamiento de energía son solo una carga útil que también funciona como estabilizador. Debido a que los motores están integrados en rotores, la mecánica antirrotación es el único camino a seguir aquí. Bonito diseño y al menos no se me ocurre nada que pudieran hacer de otra manera con la misma masa, excepto quizás integrar las células solares en las palas del rotor.

  • Tiza aburrido dice:

    Entonces, ¿no habrá nada para el helicóptero de $ 20 millones que golpeó más que el motor nuclear de mil millones de dólares?

    • FulmoPhil dice:

      Parece un experimento terriblemente caro y arriesgado sin casi ninguna ganancia (en mi opinión) al simular y probar los accesorios en una gran habitación vacía. Sin embargo, es genial y me gusta la idea de un experimento terriblemente caro y arriesgado: O)

      Dejando de lado, un poco como la idea de tener una presión súper atmosférica en las estaciones / hábitats espaciales. Permitiría muchos más ventiladores y hélices. Sí, probablemente haya un argumento a favor / en contra de que está perdiendo masivamente, pero meh.

      • Recoger dice:

        ¡El desarrollo y las pruebas se realizaron en una gran sala vacía! Hay muchos videos al respecto.
        Realmente se aseguraría de que no hicieran pruebas en una habitación cuando es lo más fácil del mundo en comparación con el diseño, el modelado y la simulación reales.

        • FulmoPhil dice:

          Por supuesto, esperaría que lo intentaran en una habitación. Me gusta la locura de hacerlo en Marte 🙂

  • NSFW dice:

    Con suerte, esto funciona como una curiosidad, cumpliendo su misión y permaneciendo operativo durante algún tiempo después para futuras investigaciones.

    Puntos extra si pueden volar al Opportunity y eliminar el polvo de esos paneles solares. 🙂

    • TacticalNinja dice:

      ¡Hombre, ese rover Opportunity debe cambiarse a Persistence en lugar de este nuevo!

      • Ren dice:

        Bueno, al tener una fuente de energía nuclear no tiene paneles solares para ensuciarse.

        • Ren dice:

          Doh! Pensé en Curiosity.

    • Justin dice:

      ¡Aquí tienes una gran idea! Teniendo en cuenta las condiciones, ¿cree que el lavado del rotor sería suficiente para mover el polvo?

  • Anthony Romano dice:

    Esas agradables placas cosen demasiado complejas sin ninguna razón … ¿no sería confiable un sistema cuádruple de salientes? una conexión directa a un motor, todavía volátil a 3 si un motor se apaga, puede abusar mucho más de ese sistema … ¿qué me estoy perdiendo?

    • Lucas dice:

      Parece que se está perdiendo el resto del artículo porque explica por qué no se utilizó un diseño de cuatro.

      Además, un cuarteto no puede volar con solo 3 motores en funcionamiento. Crash graciosamente tal vez si el software fuera lo suficientemente inteligente. Pero no vueles.

      • Ruedas17 dice:

        Hace 12 días.

        Mantenga los drones después de una falla del motor

        Los investigadores de robótica muestran cómo los rotores cuadrados pueden evitar que se caigan si falla uno de los rotores.

        https://www.aerospacemanufactureanddesign.com/article/keeping-drones-aloft-after-engine-failure/

  • Corre con cerveza dice:

    Por lo tanto, Engineering nunca antes había volado en un vuelo completamente libre. Y es el primer vuelo libre a Marte.

    • BrilaBluJim dice:

      Así es. Esto es lo que lo convierte en un proyecto arriesgado. La NASA tuvo una situación similar durante el entrenamiento de los astronautas para volar el Módulo de Excursión Lunar (LEM), la nave espacial que aterrizó en la Luna seis veces entre 1969 y 1972. Entonces lo lograron.

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