NASA gebruikt twee wetenschappers om toekomstige helikopterontwerpen voor Mars te testen

NASA heeft vliegtuigtests uitgevoerd op twee planeten, met geavanceerde rotortests op aarde en recordvluchten met de Ingenuity Mars-helikopter. Dit baanbrekende werk op het gebied van helikoptertechnologie vergroot ons begrip van vliegen onder verschillende weersomstandigheden en vertegenwoordigt een belangrijke stap in de verkenning van Mars. (Artistiek concept van een toekomstige drone op Mars.)

Ingenieurs zullen verder gaan dan de uiteinden van de aarde om meer prestaties te vinden voor toekomstige helikopters op Mars.

Voor het eerst in de geschiedenis zijn twee planeten de thuisbasis geworden voor het testen van toekomstige vliegtuigontwerpen. In deze wereld is er een nieuwe rotor die kan worden gebruikt bij de volgende generatie Mars De helikopters zijn onlangs getest NASAlaboratorium voor straalaandrijving (Laboratorium voor straalaandrijving) in Zuid-Californië, roterend met snelheden die dicht bij de geluidssnelheid liggen (Mach 0,95). Ondertussen vestigde de Ingenuity Mars Helicopter van het bureau nieuwe hoogte- en luchtsnelheidsrecords op de Rode Planeet in naam van een testvlucht.

Deze video combineert twee perspectieven van de 59e vlucht van NASA’s Ingenuity Mars-helikopter. De video links is gemaakt door Mastcam-Z op NASA’s Perseverance Mars-rover; De zwart-witvideo aan de rechterkant werd vastgelegd door de Navcam van Ingenuity, die naar beneden gericht was. De vlucht vond plaats op 16 september. Afbeeldingsbron: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

Creativiteit: een brug maken tussen aarde en Mars

“Het testen van onze helikopters van de volgende generatie voor Mars was het beste van twee werelden”, zegt Teddy Tzanitos, projectmanager van Ingenuity en directeur van Mars Sample Recovery Helicopters. “Hier op aarde heb je alle tools en directe praktijktraining waar je op kunt hopen tijdens het testen van nieuwe vliegtuigonderdelen. Op Mars heb je echte buitenaardse omstandigheden die je hier op aarde nooit zou kunnen nabootsen. Dat omvat een extreem dunne atmosfeer en veel lagere zwaartekracht dan de aarde.

Geavanceerde rotortechnologie voor verkenning van Mars

De volgende generatie koolstofvezelrotorbladen die op de grond worden getest, zijn ongeveer 4 inch (ruim 10 centimeter) langer dan de bladen van Ingenuity, met meer kracht en een ander ontwerp. NASA gelooft dat deze bladen grotere, capabelere helikopters op Mars mogelijk kunnen maken. De uitdaging is dat wanneer de toppen van de bladen supersonische snelheden naderen, de turbulentie die de trillingen veroorzaakt, snel uit de hand kan lopen.

Simuleren van omstandigheden op Mars op aarde

Om een ​​ruimte te vinden die groot genoeg was om een ​​Mars-atmosfeer op aarde te creëren, keken ingenieurs naar JPL, dat 25 voet breed en 85 voet lang is (8 meter x 26 meter). Ruimtesimulatie – Een plaats waar Landmeter, ReizigerEn Cassini Ze maakten voor het eerst kennis met ruimteachtige omgevingen. In september hield het team drie weken lang sensoren, meters en camera’s in de gaten terwijl de bladen run na run met steeds hogere snelheden en grotere hellingshoeken doorstonden.

Een systeem met dubbele rotor voor de volgende generatie Mars-helikopters werd op 15 september getest in een ruimtesimulator van 7,5 meter in het Jet Propulsion Laboratory van NASA. De koolstofvezelbladen waren langer en sterker dan die van de Ingenuity Mars-helikopter en bereikten tijdens het testen snelheden die de snelheid van het geluid benaderden. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

“We lieten onze bladen draaien met een snelheid tot 3.500 tpm, wat 750 tpm sneller is dan de Ingenuity-bladen”, zegt Tyler Del Sesto, plaatsvervangend commandant van de herstelhelikoptertest bij JPL. “Deze efficiëntere bladen zijn nu meer dan alleen een virtuele oefening. Ze zijn klaar om te vliegen.”

Ongeveer tegelijkertijd kreeg Ingenuity, ongeveer 161 miljoen kilometer verderop, de opdracht dingen te proberen waarvan het Mars Helicopter-team nooit had gedacht dat ze het zouden doen.

Prestaties van ongekend vernuft

Ingenuity zou oorspronkelijk meer dan vijf keer vliegen. Toen zijn eerste vlucht ruim tweeënhalf jaar geleden in het missielogboek werd opgenomen, heeft de helikopter de geplande missie van 30 dagen met 32 ​​keer overschreden en 66 keer gevlogen. Elke keer dat Ingenuity de lucht in gaat, bestrijkt het nieuw terrein en biedt het een perspectief dat geen enkele eerdere planetaire missie heeft kunnen verwezenlijken. Maar onlangs heeft het Ingenuity-team zijn helikopters op zonne-energie uitgeprobeerd als nooit tevoren.

Havard Grebe, hoofdpiloot van NASA’s Ingenuity Mars-helikopter, documenteert de details van elke vlucht in het missielogboek, het nominale logboek van de piloot van planeten en manen, na elke vlucht. Inzendingen voor vlucht 9 en 10 kunt u hier bekijken. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

“De afgelopen negen maanden hebben we de maximale vliegsnelheid en hoogte verdubbeld, de verticale en horizontale versnelling verhoogd en ook geleerd langzamer te landen”, zegt Travis Brown, hoofdingenieur van Ingenuity bij JPL. “Het uitbreiden van de grenzen levert gegevens van onschatbare waarde op die door missieontwerpers kunnen worden gebruikt voor toekomstige Mars-helikopters.”

De uitdagingen van een Mars-missie overwinnen

Vanwege het beschikbare vermogen en de motortemperatuur duren Ingenuity-ritten doorgaans ongeveer twee tot drie minuten. Hoewel een helikopter in één vlucht een groter gebied kan bestrijken door sneller te vliegen, kan te snel vliegen het navigatiesysteem aan boord overweldigen. Het systeem maakt gebruik van een camera die rotsen en andere oppervlaktekenmerken herkent terwijl deze door het gezichtsveld bewegen. Als deze functies te snel voorbijgaan, kan het systeem de weg kwijtraken.

Om een ​​hogere maximale grondsnelheid te bereiken, stuurt het team dus opdrachten naar Ingenuity om op grotere hoogte te vliegen (de instructies worden vóór elke vlucht naar de helikopter gestuurd), waardoor de kenmerken langer zichtbaar blijven. Vlucht 61 Het vestigde een nieuw hoogterecord van 78,7 voet (24 m) terwijl het de windpatronen van Mars onderzocht. met Vlucht 62 Vindingrijkheid vestigde een snelheidsrecord van 22,3 mph (10 meter per seconde) – en Ik heb de site verkend Voor het Perseverance rover-wetenschapsteam.

Het team experimenteerde ook met de daalsnelheid van Ingenuity. De helikopter is ontworpen om het oppervlak te raken met een relatief hoge snelheid van 2,2 mph (1 mph), zodat sensoren aan boord gemakkelijk een landing kunnen bevestigen en de rotors kunnen uitschakelen voordat deze weer de lucht in kan stuiteren. Een helikopter kan worden ontworpen om langzamer te landen met een lichter landingsgestel. Dus op vluchten 57, 58 en 59 draaiden ze het en lieten zien dat Ingenuity kon landen met snelheden die 25% langzamer waren dan de snelheid waarmee de helikopter oorspronkelijk was ontworpen om te landen.

Toekomstplannen voor creativiteit

Dit alles Mars Chuck Yeager-ing is nog niet voorbij. In december, na de zonneconjunctie, wordt verwacht dat Ingenuity twee hogesnelheidsvluchten zal maken, waarbij het een speciale reeks rotatiehoeken zal uitvoeren die zijn ontworpen om zijn prestaties te meten.

“De gegevens zullen zeer nuttig zijn bij het verbeteren van onze aeromechanische modellen van hoe helikopters zich op Mars gedragen”, zei Brown. “Op de grond zou zo’n test normaal gesproken tijdens de eerste paar vluchten worden gedaan. Maar daar vliegen we niet. Je moet voorzichtiger zijn als je buiten de dichtstbijzijnde reparatiewerkplaats werkt, omdat je dat niet hoeft te doen ander werk doen.”

Meer over vindingrijkheid

Ingenuity begon zijn leven op Mars als een technologiedemonstratie. Hij vloog voor het eerst op 19 april 2021 en vloog gedurende 30 seconden op een hoogte van 3 meter. Nog vier vluchten in evenveel weken voegden 499 seconden toe en zagen de helikopter horizontaal boven het oppervlak zweven over een afstand van 357 meter. Na het aantonen van de haalbaarheid van het vliegen op Mars, ging Ingenuity in mei 2021 de demonstratiefase van de operatie in om te demonstreren hoe luchtverkenning de toekomstige verkenning van Mars en andere werelden ten goede zou kunnen komen.

De Ingenuity Mars-helikopter is gebouwd door het Jet Propulsion Laboratory (JPL), dat ook het NASA-hoofdkwartierproject beheert. Het wordt ondersteund door het Directoraat Wetenschapsmissies van NASA. NASA’s Ames Research Center in Silicon Valley, Californië, en NASA’s Langley Research Center in Hampton, Virginia, zorgden voor kritische vluchtprestatieanalyses en technische assistentie tijdens de ontwikkeling van Ingenuity. AeroVironment Inc. verstrekte ook Qualcomm en SolAero assisteerden bij het ontwerp en de belangrijkste componenten van het voertuig. Lockheed Space ontworpen en vervaardigd Bezorgsysteem voor Mars-helikopters.

Op het NASA-hoofdkwartier is Dave Lavery uitvoerend directeur van het Ingenuity Mars Helicopter Program.