Primer vuelo de un helicóptero en Marte

Diecinueve de abril de 1890. Clement Ader registraba una patente de una cosa llamada avión. Ciento treinta y un años más tarde volaba por primera vez una aeronave de ala rotatoria en la atmósfera de otro planeta.

A las 9:34, hora peninsular española, el pequeño helicóptero no tripulado despegaba de la superficie marciana. Alcanzaba una altura sobre el suelo de algo más de 3 metros, sostenía un vuelo estacionario de 30 segundos y volvía a aterrizar de forma exitosa. En total 39.1 segundos de vuelo. Y sí, curiosamente los datos de altura sobre el suelo se han dado en metros, en lugar de en pies, ¡cosas de ingenieros! (o de pilotos de veleros).

Pero este vuelo implica muchas más cosas que controlar una aeronave a distancia, no es otro drone más.

Por un lado, y posiblemente lo más obvio, destacar que en Marte el helicóptero de palas contrarrotatorias no puede navegar con ayuda del GPS. Así pues han tenido que solucionar los problemas de navegación utilizando la vieja técnica de los inerciales, y cámaras y procesado de imágenes.

Por otro lado, no se puede recurrir a que sea un simple helicóptero teledirigido, puesto que el retraso que hay desde que se envía la orden desde la tierra hasta que la ejecuta la aeronave en Marte es suficiente como para que el vuelo termine en accidente, así que ha de incorporar una inteligencia artificial que automatice decisiones en función de los datos que reciba de los distintos sensores.

Pero además está el problema de la densidad de la atmósfera marciana. La gravedad de Marte es entorno a un tercio de la de la Tierra (3.72m/s² frente a los 9.81m/s²), lo que hace que los 1.8kg de masa pesen menos allí que aquí. Sin embargo ¡la densidad de la atmósfera es de un 1% la de nuestro planeta (~0.01kg /m3 frente a los 1.225kg/m3)!. Para que el helicóptero vuele, la sustentación proporcionada por sus palas debe al menos igualar la masa del helicóptero. Como la sustentación depende del tamaño de las palas, la velocidad a la que roten y la densidad del gas en el que se mueven, y al ser ésta última tan baja, se han tenido que utilizar palas de 1.2m de diámetro capaces de rotar a 2400rpm para elevar los menos de dos kilos (1.8kg) del helicóptero. Y posiblemente haya sido necesario desarrollar un nuevo perfil aerodinámico para las palas.

Y si todo esto os parece poco, echad un ojo a su clima.

Especificaciones

  • Altura: 0.49m
  • Diámetro de los rotores contrarrotatorios de fibra de carbono: 1.2m
  • MTOW: 1.8kg (incluye 6 baterías de litio, sensores, carga útil, y escudo térmico)
  • Masa en vacío: 0.7kg
  • Altitud máxima: de 3 a 5m
  • Alcance máximo: 300m (alcance máximo de la emisora del Perseverance)
  • Autonomía de vuelo: 90 segundos
  • Paneles solares para recargar totalmente la batería en 24h y 40 minutos (1 día marciano)

Calendario de pruebas

  • 21/03/21: Perseverance lanza la tapa que carenaba al Ingenuity
  • 03/04/21: Perseverance situa al Ingenuity en el punto escogido como adecuado para actuar como helipuerto
  • 13/04/21 la NASA realiza ensayos con Ingenuity y deciden que o deben actualizar el software del helicóptero o deben cambiar la secuencia de comandos utilizada para su puesta en marcha y despegue
  • 17/04/21 la NASA logra poner los rotores del Ingenuity al máximo de sus revoluciones
  • 19/04/21 Primer vuelo

A este primer vuelo de este demostrador tecnológico seguirán otros cuantos, todos muy sencillos y con objetivos que pueden parecer poco ambiciosos a primera vista. Pero como toda aeronave cuando se prueba, se comienzan dando saltos por la pista, y se va ampliando su envolvente de vuelo poco a poco.

Vuelos a realizar

  • 1er vuelo: Despegue, sostener vuelo a punto fijo a 3 metros, aterrizaje. 39 segundos
  • 2º vuelo: Despegue, ascenso en vertical a unos 5m, vuelo de translación en horizontal de otros ~5m, y regreso al punto de partida siguiendo la misma trayectoria. 90 segundos.
  • 3er vuelo: Despegue, ascenso vertical hasta ~5m, translación de unos ~50m. Vuelta al punto de partida. 90 segundos.

Los vuelos 4º y 5º servirán para ampliar la envolvente de vuelo del helicóptero, una vez se hayan analizado los datos obtenidos de los tres primeros vuelos.

Fuentes:

Erickson trabaja en un Aircrane apagafuegos no tripulado

Erickson está trabajando en un futuro no tripulado, u opcionalmente tripulado, para sus helicópteros.

En enero del año pasado Erickson y Sikorsky (Lockheed Martin) firmaron un acuerdo para incorporar la tecnología Matrix de Sikorsky, que ya vuela en el demostrador SARA, en sus helicópteros Skycrane.

La tecnología Matrix podría permitir al helicóptero operar de forma autónoma incluso de noche, y de esta manera utilizar los 10000 litros de agua en circunstancias que ahora mismo hacen a los pilotos quedarse en tierra.

La incorporación de esta tecnología en el Skycrane supone la introducción de un sistema fly-by-wire, y una nueva cabina, y ambos estan siendo ya incorporados junto con unas palas de material compuesto en la última versión que la compañía ha hecho de este helicóptero, el S-64F+ Elvis, que volará por primera vez en 2024.

Por supuesto, una tecnología tan de moda en el mundo militar no podía quedarse tan solo en una propuesta de helicóptero apagafuegos, y Erickson ha contactado también con el ejército estadounidense para ofrecerle una variante de transporte.

Un ejecutivo de Erickson ha dicho que las prestaciones de la aeronave en altura y con calor en el F+ han sido mejoradas: sólo con el cambio del rotor se incrementará en un 88% la carga útil, medida a 25ºC y 8000ft. La velocidad ascensional a carga máxima y 2000ft pasará de 1300ft/min a 2200ft/min. Y estas cifras mejorarán aún más con el nuevo motor. Para el F+ anuncian ¡Hasta 25000 libras de carga externa!

Y por supuesto Erickson se sube al carro de la mal llamada impresión 3D, o fabricación aditiva.

Cabe destacar que el US Army ya tiene experiencia en el empleo de helicópteros opcionalmente tripulados puesto que contaron con dos K-MAX que han volado más de 1000 misiones de combate y transportado más de 130000kg en situaciones de combate y ambientes donde hubiera sido peligroso arriesgar la vida de pilotos.

Junto con el Chinook Very Lare Helitanker es el segundo gran proyecto de apagafuegos nocturno autónomo que hemos conocido en los últimos tiempos. Y si bien en algunos entornos son vistos como una amenaza a la profesión de piloto de helicópteros, creemos que serán un complemento ideal para volar en condiciones en las que actualmente no se pueden arriesgar a volar los pilotos humanos: en incendios de noche, en condiciones de baja visibilidad o zonas de conflicto con pocas posibilidades de supervivencia.

Fuentes

Helicóptero opcionalmente tripulado de Airbus aterriza de forma autónoma en plataforma móvil

Airbusha presentado los resultados de los ensayos de su VSR700, un helicóptero opcionalmente tripulado basado en el helicóptero ligero Guimbal Cabri G2.

La parte más dificil de la operación de helicópteros, tripulados o no, es la toma en plataformas móviles.

Airbus ha desarrollado su sistema DeckFinder, que se instala tanto en la plataforma como en el vehículo, y funciona de forma autónoma e independiente de sistemas de posicionamiento por satélite (GPS y similares). Este sistema de radio frecuencia permite tener una precisión de 20cm, en un entorno operativo de -32 a +55ºC, y con plataformas que se muevan con frecuencias de hasta 33Hz.

La estación fija a la plataforma está reforzada (rugerizada, que gustan decir algunos), para soportar todo tipo de ambientes, también los marinos. La estación movil, instalada en el vehículo, es tan ligera que no llega a los 2kg de peso (1.6kg).

Fuente: Airbus

Quadcopter steampunk de 1907

No soy dado al uso de anglicismos, y tanto junto en el título no es propio de mi persona. Pero si digo helicóptero cuatrirrotor muchos no se van a enterar, y quadcopter o cuadricóptero es bastante conocido, y al fin y al cabo lo que quiero es que vengáis al blog, así que habrá que poner titulares llamativos.

Dicho esto, quiero hablaros de una aeronave, Breguet-Richet Gyroplane No.1, que conocí en septiembre de 2019 en Musée de l’Air et de l’Espace. Se trata de un helicóptero multirrotor, con fuselaje en forma de aspa, y 32 palas distribuidas en cuatro rotores, ¡de 1907!. Así visto, y a bote pronto, me pareció un drone steampunk, que bien podría ser el padre del viejo cuadricóptero agrícola de Gloster, así como de todos los actuales.

Y que curiosamente, también es el antecesor de todos los helicópteros. De hecho es el primer helicóptero que logró despegar del suelo, aunque no de forma totalmente autónoma, pues eran necesarias varias personas tensando unas sogas para poder estabilizar su vuelo. Es por esto que el honor de ser el primer helicóptero tripulado en volar se concede a Monsieur Cornu, curiosamente también constructor de bicicletas, como los Wright, con su máquina de dos rotores en tándem.

El helicóptero que nos ocupa nace de la colaboración de los hermanos Louis y Jacques Breguet con el profesor Charles Richet. Aunque a veces se cita como predecesor de los modernos drones, tan solo podría considerarse predecesor de su arquitectura, puesto que el drone nace como aeronave no tripulada y, como ya hemos visto, este cuatrirrotor nace como aeronave tripulada.

Fueron muchos los intentos de volar con ala fija, así como con ala rotatoria. Se considera que los primeros en lograr un vuelo con ala fija y motor fueron los Wright en 1903, y tan solo cuatro años después lo lograrían nuestros protagonistas.

Uno de los problemas a solventar por los aerodinos de alas rotatorias era el problema del par rotor. Por ello estos pioneros optaron por un número par de rotores contrarrotatorios, de este modo el par quedaba compensado. Otros problemas serían la asimetría de sustentación en vuelo de avance y la diferencia de resistencia que ofrece la pala que avanza frente a la que retrocede en vuelo de translación. Estos problemas no quedarían solucionados hasta que de la Cierva en su rotor del autogiro instalara (e inventara) las articulaciones de batimiento y de arrastre. Otro de los problemas que enfrentaban las alas rotatorias era la falta de potencia: el Breguet-Richet Gyroplane No.1 llevaba un solo motor Antoinette de 45hp para mover los 4 rotores y levantar con ellos sus ¡577 kilogramos! de masa al despegue.

El fuselaje consistía en cuatro brazos de estructura de tubo de acero, que sostenían en el centro el motor y el puesto de pilotaje, y en sus extremos los cuatro rotores contrarrotatorios: dos de los que estaban en una diagonal giraban en un sentido, y los otros dos que estaban en la otra diagonal en el contrario. El peso en vacío de la aeronave era de 340kg, y el peso al despegue era de 577. ¡El piloto fue seleccionado por su pequeño tamaño y poco peso! Monsieur Volumard pesaba solo 68kg.

El 24 de agosto, o el 19 de septiembre, el helicóptero se elevaba 60cm del suelo en Douai, estabilizado por los ayudantes del piloto desde tierra. El 29 de septiembre el piloto logró alcanzar 1.5m sobre el suelo, y en los siguientes vuelos de ensayo repetiría alturas similares, pero sin estabilidad ni posibilidad de control de dirección. El helicóptero solo servía para despegar en vertical, no para desplazarse de manera controlada en ninguna dirección. De hecho, ni siquiera el vuelo a punto fijo se lograba de forma controlada.

El helicóptero quedaría destruido durante uno de los vuelos de ensayo. Breguet y Richet intentarían otro diseño distinto, con dos rotores y alas fijas, el Gyroplane no. 2, pero tampoco tendrían éxito. Breguet se centraría en los aviones de ala fija, y no volvería a los helicópteros hasta casi 30 años después, con el Breguet-Dorand de rotores coaxiales contrarrotatorios.

Fuentes

Primer vuelo del helicóptero compuesto no tripulado de Kawasaki

Kawasaki Heavy Industries ha realizado con éxito en sus instalaciones de Taiki-cho Multipurpose Air Park en Hokkaido el primer vuelo de su helicóptero compuesto no tripulado K-Racer.

Es un demostrador tecnológico de un helicóptero de alta velocidad, y quedaron probadas sus cualidades de vuelo estable y de control autónomo.

Su rotor principal es de 4m, y además tiene unas alas embrionarias en las que monta otro par de hélices para propulsarlo hacia adelante. Además cumplen también la labor de rotor antipar, eliminando la necesidad de llevar un rotor de cola. La motorización viene de una Kawasaki Ninja H2R, ¡mas de 300CV!.

Ha sido desarrollado por la división Aerospace Systems Company, de Kawasaki, que ya tiene experiencia en aeronáutica, tanto en ala fija como en motores, así como en helicópteros, cuya colaboración comenzó con Bolkow (con el BK117/EC145), y aún se mantiene a través de Airbus Helicopters. Y tampoco hay que olvidar su drone de gran tamaño y equipado cn cuatro motores de moto ZX10R.

El concepto de helicóptero compuesto no es nuevo, y aparece en este blog con cierta asiduidad. Y no sólo por el X-2 o el X3, sino que viene de lejos, el más conocido es tal vez el AH-56 Cheyenne, pero también están los intentos de Sikorsky, Piasecky y otros. ¿Y qué se pretende con un helicóptero compuesto? Superar las limitaciones que impone un helicóptero convencional.

En un helicóptero todos los movimientos que puede hacer dependen del rotor, que también proporciona la sustentación, y de su inclinación. Por otro lado las alas rotatorias, como las hélices, dejan de funcionar adecuadamente cuando se alcanza en ellas velocidades supersónicas. En un helicóptero en vuelo de avance la limitación vendrá dada por la pala que se encuentre avanzando, perpendicular a la velocidad de avance, pues la velocidad lineal en ella será la velocidad de rotación del rotor multiplicada por el radio del mismo más la velocidad de avance. Por tanto, por mucho que se mejoren [pdf] las puntas de pala de los helicópteros, la velocidad de vuelo estará siempre limitada por una cota superior.

Y esto es lo que se intenta solucionar con los helicópteros compuestos. En el vuelo de avance la fuerza para avanzar viene del rotor, digamos, auxiliar, el que empuja o tira del helicóptero en modo avión. Si además descargamos al rotor principal de parte de su trabajo dando sustentación con alas embrionarias, mejor que mejor, podremos reducir la velocidad de rotación del rotor y podremos aumentar la velocidad de vuelo de la aeronave. Aunque hay que tener cuidado con la integración del ala y el flujo del rotor, puesto que el ala no solo tendrá la corriente de aire que le incide por el vuelo en avance, sino que quedará sumergida en el flujo de aire descendente del rotor.

¿Cómo de rápidos pueden ser los helicópteros compuestos? El helicóptero convencional más rápido es el Lynx, con 401km/h. Después el X2, con 481 km/h y seguido del X3 de Airbus en 487 km/h durante un breve picado, 472 km/h en vuelo recto y nivelado.

Fuente: Nota de Prensa

Lectura adicional recomendada: Revitalising advanced rotorcraftresearch – and the compoundhelicopter [pdf]