Ingenuity, el helicóptero que vuela en Marte, perdió un instrumento, y fue reemplazado por un parche informático

Hace dos años recogíamos en estas páginas el primer vuelo de una aeronave en una atmósfera distinta a la terrestre. Se trataba del helicóptero Ingenuity en la atmósfera marciana, que ya ha realizado más de 50 vuelos en estos dos años en la atmósfera marciana, ¡a pesar de estar pensado para cinco vuelos a realizar en 30 días!

También explicábamos entonces los problemas de volar en otro planeta y otra atmósfera.

Unos eran de diseño, pues todo lo que se conoce de aerodinámica ha sido desarrollado para la gravedad terrestre y para la densidad de la atmósfera terrestre, y en marte tenemos mucha menos gravedad y muchísima menos densidad atmosférica, lo que hace que a pesar del pequeño peso del helicóptero hagan falta unas palas de un diámetro considerable y que giren a mucha velocidad. 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)!.

Los otros tenían que ver con la navegación. Podríamos pensar que este helicóptero se trata de un pequeño drone, y todos sabemos lo sencillo que es volar un drone en la Tierra… pero tenemos que tener en cuenta que en Marte no hay un sistema de navegación por satélite, así que sería como un drone terrestre de vuelo totalmente manual. Pero debido al retraso con el que llegan las órdenes al Planeta Rojo, no se puede volar en manual, y requiere que las cámaras de visión artificial, los sensores de altitud y el piloto automático sean capaz de seguir de forma autónoma el vuelo pre-programado y enviado desde la tierra.

El inclinómetro sólo se utiliza antes de despegar, y básicamente es el que dice al resto de los instrumentos dónde está la horizontal. Una vez establecida la posición horizontal, la aeronave puede volar con seguridad. ¿Habéis volado algún drone y lo habéis calibrado poniéndolo en plano para que sepa exactamente cuál es la horizontal? Pues lo mismo y de forma automática. Gracias a ésto, saben que el altímetro láser está midiendo exactamente a la vertical, por ejemplo.

Pero el año pasado se quedó sin inclininómetro, y nos quedó pendiente contaros cómo lo han hecho para que el helicóptero siga funcionando hasta completar más de cincuenta vuelos.

La solución vino de un ingenioso parche informático.

Los «IMU», los inerciales, vamos, son acelerómetros que se utilizan en la navegación inercial del Ingenuity. Éstos miden aceleraciones, e integrando una aceleración se obtiene una velocidad, por lo que se puede saber a qué velocidad vuela, e integrando una velocidad se obtiene una distancia, y por tanto una posición. Estos inerciales, combinados con el altímetro láser y con las cámaras son los que permiten volar de forma controlada y segura en ausencia de otros medios de navegación.

El parche, simplemente, ha permitido utilizar los datos provenientes de estos inerciales para suplir el inclinómetro. ¿Que no es lo suyo? Cierto. ¿Que no es tan exacto? También. ¿Que funciona y ha permitido prolongar la vida del helicóptero marciano más allá de lo previsto? Es un hecho.

BIG BLUE, el avión de alas inflables que pudo ir a Marte

Bajo estas líneas podemos ver el ensayo del lanzamiento de un avión de radio control desde otra aeronave nodriza, y la secuencia de despliegue de las alas inflables. Son parte de unos ensayos que realizó la NASA para estudiar la viabilidad de las aeronaves con alas inflables y su posibilidad de utilizarlos en la atmósfera marciana, aunque al final mandaron un helicóptero.

Secuencia de desplegado de alas inflables

La teoría es simple: una avión ocupa mucho espacio. Es mucho más sencillo transportar el fuselaje por un lado y las alas por otro. Pero en Marte no hay nadie que lo ensamble. Podría recurrirse a un ala pivotante, pero los mecanismos añaden peso.

Ala en posición de almacenamiento y después de inflada

¿Y un ala inflable? Ocupa poco espacio y pesa mucho menos que un ala rígida. Y se ahorraban los sistemas de protección de la aeronave para hacerla llegar a tierra: podían lanzarla durante la caída de la sonda marciana, que desplegara las alas y aterrizara por sus medios.

Obviamente en Marte no estaría esperando la televisión, es un esquema de los ensayos realizados en la Tierra con el BIG BLUE

Y para desarrollar este concepto nace BIG BLUE: Baseline Inflatable-wing Glider, Balloon-Launched Unmanned Experiment.

Secuencia de desplegado del prototipo de Langley

El BIG BLUE tenía que recoger la experiencia ganada por el avión radiocontrolado desarrollado en Langley, cuya secuencia de despliegue de las alas hemos visto antes.

Big Blue

En mayo de 2003 se realizaron las primeras pruebas. El avión era suspendido de un globo, que en el primer vuelo llegó a los 50000ft, y tras alcanzar la altitud deseada, era liberado. Tras ser liberado tenía que inflar sus alas y volver a tierra. La mayor altitud acanzada sería de 89600ft. Volvería a tierra en paracaídas.

Durante los ensayos no sólo se probaba el concepto de estructura inflable para las alas y su inflado en caída libre, sino también sistemas de comunicaciones, seguimiento por GPS y guiado.

Con el BIG BLUE II se probaron otros conceptos, como utilizar en las alas una resina que curaba bajo el efecto de los rayos ultravioleta, mejorando así la estabilidad estructural de las mismas e impidiendo el pandeo. Se ensayó en vuelo en mayo de 2004, realizándose el despliegue del ala y el curado del mismo. Debido a las restricciones impuestas por la FAA el avión no tripulado se ensayó siempre dentro del alcance visual del operador, por debajo de 1600-3280ft AGL, La recuperación se hizo mediante paracaídas.

Ambos aviones se desplazaron a Colorado, para continuar con los ensayos a gran altitud con menos restricciones.

Un total de 110 estudiantes estuvieron involucrados en el desarrollo de ambas aeronaves, así como sus sistemas de comunicaciones, guiado y control, telemetría… y lo último que encontramos es que la siguiente fase, BIG BLUE III estaba a la espera de recibir fondos.

Para saber más de alas inflables

Fuentes

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: