NASA empurra pás de rotor de helicóptero de última geração em Marte além de Mach 1

As pás do rotor que transportarão os helicópteros da próxima geração da NASA às novas alturas marcianas quebraram a barreira do som durante os testes de março no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, no sul da Califórnia. Os dados dos testes, que ocorreram em uma câmara especial que pode simular as condições ambientais do Planeta Vermelho, indicam que a parte mais rápida da pá do rotor, as pontas, pode ser acelerada além de Mach 1 sem se quebrar. Os dados coletados em 137 testes permitirão que os engenheiros projetem aeronaves capazes de transportar cargas mais pesadas, incluindo instrumentos científicos.

“A NASA teve um ótimo desempenho com o Helicóptero Ingenuity Marsmas estamos pedindo a essas aeronaves de próxima geração que façam ainda mais no Planeta Vermelho”, disse Al Chen, gerente do Programa de Exploração de Marte do JPL. “Essa não é uma tarefa fácil. Embora tudo em Marte seja difícil, voar para lá é praticamente a coisa mais difícil que você pode fazer. Isso acontece porque a sua atmosfera é tão incrivelmente fina que é difícil gerar sustentação, e ainda assim Marte tem uma gravidade significativa.”

Ingenuity, que realizou o primeiro voo motorizado e controlado em outro mundo, pouco depois cinco anos atrás, em 19 de abril de 2021foi uma demonstração de tecnologia pioneira que não trazia instrumentos científicos. A agência anunciou recentemente Projeto Skyfall e outras potenciais futuras aeronaves de Marte serão capazes de transportar cargas úteis – incluindo instrumentos e sensores científicos – para recolher dados em apoio a futuras missões humanas e robóticas, aproveitando as vantagens que advêm da exploração aérea a baixa altitude.

No mundo veloz dos rotores, mais impulso vem de um giro mais rápido ou de um diâmetro maior. Embora este axioma seja verdadeiro na Terra, os engenheiros que projetam aeronaves para o Planeta Vermelho devem ser muito mais agressivos. Como a atmosfera de Marte é apenas 1% mais densa que a da Terra, maximizar o impulso requer empurrar as pontas das pás em direção à velocidade do som para obter uma sustentação significativa. Embora os rotores de pequeno diâmetro na Terra também possam girar a milhares de rotações por minuto, eles têm mais moléculas de ar para empurrar e não precisam se aproximar da borda sônica.

A equipe de voo do Ingenuity nunca permitiu que a velocidade de rotação de seus rotores de espuma de revestimento composto excedesse 2.700 rpm durante os 72 voos do helicóptero em Marte por dois motivos: para evitar a física imprevisível da barreira do som e para garantir que uma rajada de vento inesperada (de um redemoinho de poeira, por exemplo) não enviaria as pontas do rotor para além da borda sônica.

“Se Chuck Yeager estivesse aqui, ele diria que as coisas podem ficar complicadas Mach 1“, disse Jaakko Karras do JPL, líder de teste do rotor. “Com isso em mente, planejamos os voos do Ingenuity para manter as pontas das pás do rotor em Mach 0,7 sem vento, para que se encontrássemos um vento contrário marciano durante o vôo, as pontas do rotor não se tornariam supersônicas. Mas queremos mais desempenho de nossas aeronaves Mars de última geração. Precisávamos saber que nossos rotores poderiam funcionar mais rápido e com segurança.”

Enquanto Mach 1 na Terra ao nível do mar é de aproximadamente 760 mph (1.223 km/h), a velocidade do som em Marte é significativamente mais lenta – cerca de 540 mph (869 km/h) – devido à atmosfera fina, fria e rica em dióxido de carbono do planeta.

Para começar a avaliar os rotores, que foram desenvolvidos e fabricados pela AeroVironment em Simi Valley, Califórnia, Karras e sua equipe montaram um rotor de três pás que poderia ser usado em futuros projetos de helicópteros de Marte dentro do histórico Simulador de espaço de 25 pés no JPL. Eles evacuaram o ar e substituíram-no por dióxido de carbono suficiente para corresponder à atmosfera marciana, depois sopraram o vento no rotor enquanto ele girava em velocidades crescentes.

Os engenheiros de teste tomaram a precaução de revestir parte da câmara com chapa metálica, caso as lâminas se quebrassem durante o experimento supersônico. De uma sala de controle a poucos metros da câmara, a equipe assistiu a monitores mostrando dados e uma visão do interior da câmara enquanto as rpm subiam para 3.750. Nesse ritmo, as pontas viajavam a Mach 0,98. Em seguida, os engenheiros ativaram um ventilador dentro da câmara que atingiu os rotores com ventos contrários. Após cada corrida, eles aumentaram a velocidade do vento para a próxima corrida.

A equipe aumentou a velocidade da ponta do rotor para Mach 1,08, aumentando a capacidade de sustentação do veículo de Marte em 30%. Esta inovação permite que futuras missões apoiem cargas científicas mais pesadas, incluindo sensores avançados e baterias maiores para voos prolongados.

Em seguida, a equipe tentou a sorte com o rotor SkyFall de duas pás. Por ser um pouco mais longo que a versão de três pás, apenas 3.570 rpm foram necessárias para atingir a mesma velocidade quase supersônica nas pontas do rotor antes da introdução dos ventos contrários.

“O teste bem-sucedido destes rotores foi um passo importante para provar a viabilidade de voo em ambientes mais exigentes, o que é fundamental para os veículos da próxima geração”, disse Shannah Withrow-Maser, aerodinamicista do Centro de Pesquisa Ames da NASA no Vale do Silício e membro da equipe de testes. “Achamos que teríamos sorte se atingíssemos Mach 1,05, e atingimos Mach 1,08 em nossas últimas corridas. Ainda estamos investigando os dados e pode haver ainda mais impulso na mesa. Esses helicópteros de última geração serão incríveis.”

A equipe de design da missão SkyFall incorporou as descobertas da equipe de teste nas especificações de desempenho. Inspirado no Ingenuity, o único helicóptero a voar em outro planeta até o momento, o SkyFall foi projetado para transportar três helicópteros de Marte da próxima geração ao Planeta Vermelho em dezembro de 2028.

A campanha de teste de rotação mais rápida que o som foi financiada pelo Programa de Exploração de Marte da agência, em busca de maximizar a capacidade de futuras aeronaves voando no Planeta Vermelho. Uma divisão da Caltech em Pasadena, o JPL gerencia o Programa de Exploração de Marte para a Diretoria de Missões Científicas da NASA em Washington.

Para obter mais informações sobre o Programa de Exploração de Marte da NASA, visite:

https://mars.nasa.gov

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