Ingenieros diseñan aeroplanos sin motor para explorar Marte

Astronáutica

Ocho naves espaciales activas, incluidas tres operadas por la NASA, orbitan Marte y recopilan imágenes de la superficie del planeta con una resolución de aproximadamente 1 pie por píxel. Tres rovers recorren el suelo, mapeando pequeñas áreas del planeta con mayor precisión. Pero lo que se encuentra en los cientos de kilómetros entre los rovers y los orbitadores, incluidos los procesos climáticos atmosféricos y las características geológicas como volcanes y cañones, suele ser de mayor interés para los científicos planetarios.

“Tienes esta pieza realmente importante y crítica en esta capa límite planetaria, como en los primeros kilómetros sobre el suelo”, dijo Alexandre Kling, científico investigador del Centro de Modelado Climático de Marte de la NASA. “Aquí es donde ocurren todos los intercambios entre la superficie y la atmósfera. Aquí es donde el polvo se recoge y se envía a la atmósfera, donde se mezclan los gases traza, donde ocurre la modulación de los vientos a gran escala por los flujos de valles y montañas. Y simplemente no tenemos muchos datos al respecto”.

Kling se está asociando con un equipo de ingenieros de la Universidad de Arizona que tiene como objetivo llenar este vacío de datos mediante el diseño de un velero sin motor que puede volar sobre la superficie marciana durante días seguidos, utilizando solo energía eólica para la propulsión. Equipados con sensores de vuelo, temperatura y gas, así como cámaras, los planeadores pesarían solo 11 libras cada uno. El equipo detalla su propuesta en un artículo publicado en la revista Aerospace.

El vuelo del albatros

El equipo realizó un lanzamiento atado de una versión anterior del planeador, en el que descendió lentamente a la Tierra unido a un globo. Crédito: Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona

El vuelo en Marte es un desafío debido a la delgada atmósfera del planeta, y este no es el primer equipo que intenta abordarlo. En particular, el Ingenuity de la NASA es un helicóptero de 4 libras que aterrizó en el cráter Jezero de Marte en 2021. Con tecnología de vuelo en miniatura y un sistema de rotor de aproximadamente 4 pies, es el primer dispositivo que prueba el vuelo controlado y propulsado en otro planeta. Pero el vehículo de energía solar puede volar solo durante tres minutos a la vez y alcanza alturas de solo 12 metros, o alrededor de 39 pies.

“Todas estas otras tecnologías han estado muy limitadas por la energía”, dijo el primer autor del artículo, Adrien Bouskela, estudiante de doctorado en ingeniería aeroespacial en el Laboratorio de Micro Vehículos Aéreos del profesor Sergey Shkarayev de la UArizona. “Lo que estamos proponiendo es simplemente usar la energía in situ. Es una especie de avance en esos métodos de extender misiones. Porque la pregunta principal es: ¿Cómo puedes volar gratis? ¿Cómo puedes usar el viento que está ahí, la dinámica térmica que hay, para evitar el uso de paneles solares y depender de baterías que necesitan ser recargadas?”

Los planeadores eólicos, livianos y de bajo costo pueden ser la respuesta. Los aviones, que tienen una envergadura de aproximadamente 11 pies, utilizarán varios métodos de vuelo diferentes, incluido el vuelo estático simple cuando hay suficientes vientos verticales. Pero también pueden usar una técnica llamada vuelo dinámico que, como un albatros en un viaje largo, aprovecha cómo la velocidad del viento horizontal a menudo aumenta con la altitud, un fenómeno particularmente común en Marte.

El vuelo dinámico se parece al patrón en forma de S que usan los esquiadores para controlar su descenso por una montaña. Sin embargo, cada vez que el planeador cambia de dirección, también comienza a cambiar de altitud, y en lugar de reducir la velocidad del planeador, la maniobra lo ayuda a ganar velocidad. Los aviones vuelan en un ligero ángulo ascendente hacia el viento lento de baja altitud. Cuando alcanzan el viento más rápido de gran altitud, giran 180 grados y dejan que el viento de alta velocidad los impulse hacia adelante en un ligero ángulo hacia abajo. Cuando comienzan a quedarse sin energía debido al viento de alta velocidad, repiten el proceso y avanzan. Con esta ágil maniobra, los planeadores pueden recolectar energía de la atmósfera continuamente, volando durante horas o incluso días a la vez. Esto es volar gratis.

“Es casi algo que tienes que ver para creer”, dijo el coautor del artículo Jekan Thanga, profesor asociado de ingeniería aeroespacial y mecánica de la Universidad de Arizona (UArizona).

Los rovers actuales han capturado principalmente imágenes de las llanuras arenosas y planas de Marte, las únicas áreas donde los rovers pueden aterrizar con seguridad. Pero los planeadores podrían explorar nuevas áreas aprovechando cómo cambian los patrones de viento alrededor de formaciones geológicas como cañones y volcanes.

“Con esta plataforma, puedes simplemente volar y acceder a esos lugares realmente interesantes y geniales”, dijo Kling.

Las cosas buenas vienen en paquetes pequeños
El equipo propone enviar los planeadores a Marte como carga útil secundaria en una misión más grande. Thanga está examinando cómo desplegar los planeadores de la nave espacial en la atmósfera. En la nave espacial, los planeadores estarán empaquetados en CubeSats, satélites en miniatura no mucho más grandes que una guía telefónica. Una vez que se lanzan los CubeSats y se liberan los aviones, los aviones se desplegarían, como origami, o se inflarían, como flotadores de piscina de alta tecnología, y se rigidizarían en su tamaño completo.

El equipo también está explorando la posibilidad de que un globo o dirigible lleve los planeadores a la atmósfera. Esto ralentizaría el descenso de los planeadores y les permitiría despegar cuando las condiciones del viento sean óptimas o cuando se acerquen a un área de gran interés. Los planeadores podrían incluso volver a acoplarse al globo o dirigible después de un vuelo y continuar para completar múltiples misiones.

Finaliza el vuelo, la misión continúa
Después de aterrizar en la superficie marciana, los aviones continuarían transmitiendo información sobre la atmósfera a la nave espacial, convirtiéndose esencialmente en estaciones meteorológicas. Los meteorólogos pueden predecir el clima en la Tierra con relativa precisión, en parte porque hay estaciones meteorológicas en todo el planeta que forman una red de información, y todos los datos que recopilan se retroalimentan continuamente a los modelos predictivos. Por lo tanto, cada velero de Marte que se retiró del vuelo, ya sea que completó su exploración según lo planeado o algo salió mal, podría convertirse en otro nodo de suma importancia en esta red.

“Si nos quedamos sin energía de vuelo, o si nuestros sensores de inercia fallan repentinamente por cualquier motivo, esperamos seguir haciendo ciencia”, dijo Bouskela. “Desde la perspectiva de la ciencia planetaria, la misión continúa”.

El equipo ha realizado extensos modelos matemáticos para los patrones de vuelo de los planeadores basados ​​en datos climáticos de Marte. Y aún queda más investigación por hacer sobre las trayectorias de vuelo, los posibles sistemas de acoplamiento y más. Pero este verano, probarán aviones experimentales a unos 15,000 pies sobre el nivel del mar, donde la atmósfera de la Tierra es más delgada y las condiciones de vuelo son más parecidas a las de Marte.

“Podemos usar la Tierra como laboratorio para estudiar el vuelo en Marte”, dijo Shkarayev.

En última instancia, el equipo espera que la NASA financie la misión y le permita “dar un paseo” en una misión a Marte a gran escala que ya está en desarrollo. La naturaleza de bajo costo del esfuerzo del planeador significa que podría dar frutos relativamente rápido, dijo Kling, tal vez en años en lugar de las décadas necesarias para una misión a gran escala.

Fuente: Tech Xplore.

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