Cuando las palas del rotor de un helicóptero se acercan a la velocidad del sonido, las cosas pueden ponerse un poco complicadas.
Por encima de Mach 0,8, las ondas de choque, la resistencia, el flujo inestable y la turbulencia pueden crear tensiones significativas que no ocurren a velocidades más bajas.
Aquí en la Tierra, ese es un problema que puede resolverse con pruebas exhaustivas y una ingeniería inteligente. Diseñar una nave que pueda operar en la aerodinámica alienígena de Marte es un asunto diferente.
El helicóptero Ingenuity de Perseverance operó completamente dentro del régimen subsónico, por debajo de Mach 0,7, una elección tomada para evitar sorpresas aerodinámicas que podrían poner fin a la misión en el primer avión propulsado de la humanidad en otro planeta.
El helicóptero de próxima generación para Marte, actualmente en desarrollo como parte del proyecto SkyFall, va a esforzarse más. En una atmósfera simulada de Marte, los ingenieros de la NASA han empujado los rotores a Mach 1,08, una velocidad que amplía significativamente las capacidades del próximo helicóptero.
“La prueba exitosa de estos rotores fue un paso importante para demostrar la viabilidad del vuelo en entornos más exigentes, lo cual es clave para los vehículos de próxima generación”, dice la aerodinámica Shannah Withrow-Maser del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley.
“Pensamos que tendríamos suerte de alcanzar Mach 1,05, y alcanzamos Mach 1,08 en nuestros últimos recorridos. Todavía estamos investigando los datos y es posible que haya aún más empuje sobre la mesa. Estos helicópteros de próxima generación van a ser increíbles”.
Aunque la Tierra y Marte tienen mucho en común, incluso pequeñas diferencias en las propiedades atmosféricas pueden cambiar la forma en que opera un avión. Y las diferencias no son pequeñas: la atmósfera de Marte es extremadamente delgada, sólo entre un 1 y un 2 por ciento más densa que la de la Tierra.
Ingenuity, que llegó a Marte con el rover Perseverance en enero de 2021, fue un experimento audaz para probar si el vuelo propulsado por rotores era posible en el planeta rojo, y también recopilar datos sobre el rendimiento del vuelo que podrían informar el diseño futuro de helicópteros.
Inicialmente estaba previsto realizar sólo cinco vuelos. Voló 72 veces antes de estrellarse en 2024, no por su aparato de vuelo sino porque no pudo medir su distancia del suelo mientras descendía.
El diseño relativamente conservador de la misión fue crucial, ya que brindó a los ingenieros de la Tierra una comprensión detallada de la aerodinámica de Marte para incorporarla en nuevos aviones. El ingenio caminó para que SkyFall pueda correr.
“Si Chuck Yeager estuviera aquí, te diría que las cosas pueden ponerse inquietas alrededor de Mach 1”, dice el ingeniero Jaakko Karras del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.
“Con eso en mente, planificamos los vuelos de Ingenuity para mantener las puntas de las palas del rotor a Mach 0,7 sin viento, de modo que si encontráramos un viento en contra marciano durante el vuelo, las puntas del rotor no se volvieran supersónicas.
“Pero queremos un mayor rendimiento de nuestro avión Mars de próxima generación. Necesitábamos saber que nuestros rotores podrían ir más rápido de forma segura”.
Debido a que la atmósfera de Marte es mucho más delgada que la de la Tierra, la barrera del sonido, conocida como Mach 1, se encuentra a una velocidad mucho menor: alrededor de 869 kilómetros por hora (540 millas por hora), en comparación con los 1.225 kilómetros por hora (761 millas por hora) al nivel del mar en la Tierra.
Para probar los diseños de sus rotores, el JPL tiene una cámara especial en la que se reduce la presión del aire para simular las condiciones atmosféricas de Marte. También está reforzado para que, si una cuchilla se rompe, no se desplace por el laboratorio y se aloje en algo importante.
En esta cámara, el equipo probó dos diseños de rotor, uno con tres palas y otro con dos, mientras observaban desde una sala de control cercana.
Los rotores del diseño de tres palas giraban a hasta 3.750 rpm, lo que significa que las puntas alcanzaban velocidades de Mach 0,98.
El rotor de dos palas, con palas más largas, solo necesitaba alcanzar una velocidad de aproximadamente 3.570 rpm para alcanzar la misma velocidad de Mach 0,98. Por contexto, las palas del rotor de Ingenuity nunca superaron las 2700 rpm.
Luego se encendió un ventilador dentro de la cámara, lanzando vientos en contra a los rotores. Al final, las puntas del rotor alcanzaron una velocidad máxima de Mach 1,08.
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Esto aumenta drásticamente la sustentación en aproximadamente un 30 por ciento, lo que permitirá que el próximo helicóptero transporte cargas útiles más pesadas que el Ingenuity. Esto significa que se pueden llevar más instrumentos científicos a bordo.
Si todo va según lo previsto, la misión SkyFall se lanzará a finales de 2028 y llevará tres helicópteros a bordo, según la NASA.
Estos helicópteros ayudarán a buscar sitios de aterrizaje humano y mapear el hielo de agua bajo la superficie de Marte.