El helicóptero Mars de la NASA hace historia como primer vehículo en volar sobre otro planeta

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Fotografía del rover Perseverance Mars de la NASA/JPL-Caltech/MSSS NASA se hizo un selfie con el helicóptero Ingenuity, visto aquí a unos 13 pies (3,9 metros) del rover en esta imagen tomada el 6 de abril de 2021, el día 46 marciano, o sol, de la misión por la cámara WATSON (Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering) en el instrumento SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals), ubicado al final del largo brazo robótico del rover. El selfie de Perseverancia con Ingenio se compone de 62 imágenes individuales cosidas una vez que son enviadas de vuelta a la Tierra; fueron tomados en secuencia mientras el rover miraba el helicóptero, y luego de nuevo mientras miraba a la cámara WATSON. El rover Curiosity toma selfies similares usando una cámara en su brazo robótico. Videos que explican cómo los rovers se toman sus selfies se pueden encontrar aquí. Hay varias versiones de este selfie. Además de una imagen completa que muestra al rover mirando la cámara, hay una imagen completa que muestra al rover mirando hacia abajo en el helicóptero Ingenuity (Figura 1); una vista sobre el hombro del rover mirando a la cámara (Figura 2); una vista sobre el hombro mirando el helicóptero del Ingenio (Figura 3); y un GIF animado que muestra el rover mirando la cámara y luego de vuelta en el helicóptero Ingenuity (enlace de animación). El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA construyó y administra operaciones de Perseverancia e Ingenio para la agencia. Caltech en Pasadena, California, administra JPL para la NASA. WATSON fue construido por Malin Space Science Systems en San Diego, y es operado conjuntamente por MSSS y JPL. La actividad de demostración de tecnología de helicópteros de Marte cuenta con el apoyo de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA, la Dirección de Misiones de Investigación Aeronáutica de la NASA y la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA. Un objetivo clave para la misión de Perseverancia en Marte es la astrobiología, incluyendo la búsqueda de signos de vida microbiana antigua. El rover caracterizará la geología del planeta y el clima pasado, allanará el camino para la exploración humana del Planeta Rojo y será la primera misión para recoger y almacenar en caché la roca y el regolito marcianos (roca rota y polvo). Las misiones posteriores de la NASA, en cooperación con la ESA (Agencia Espacial Europea), enviarían naves espaciales a Marte para recoger estas muestras selladas de la superficie y devolverlas a la Tierra para su análisis en profundidad. La misión Mars 2020 Perseverance es parte del enfoque de exploración de Luna a Marte de la NASA, que incluye misiones Artemis a la Luna que ayudarán a prepararse para la exploración humana del Planeta Rojo. Para más información sobre Perseverancia: mars.nasa.gov/mars2020/ Para obtener más información sobre el ingenio: go.nasa.gov/ingenuity

Original de Jay Bennett de National Geografic

RDHerald.- Un pequeño helicóptero abrió un nuevo capítulo de exploración espacial esta mañana cuando despegó de la superficie de Marte, marcando el primer vuelo propulsado de la humanidad en otro planeta. El helicóptero de 19 pulgadas de altura llamado Ingenio levantó polvo rojo oxidado mientras flotaba a unos 10 pies del suelo, se volvió ligeramente y lentamente tocó hacia abajo. El vuelo duró sólo unos 40 segundos, pero representa una de las hazañas de ingeniería más audaces de la historia.

© Fotografía de la NASA/JPL-Caltech Los miembros del equipo mars helicopter de la NASA inspeccionan el modelo de vuelo (el vehículo real que va al Planeta Rojo), dentro del Simulador Espacial, una cámara de vacío de 7,62 metros de ancho (7,62 metros de ancho) en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, el 1 de febrero de 2019.

«Mucha gente pensó que no era posible volar a Marte», dice MiMi Aung, director de proyectos de Ingenuity en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA. «Hay tan poco aire.»

La atmósfera débil en la superficie de Marte equivale a una altitud de unos 100.000 pies en la Tierra, mucho más alta de lo que incluso los helicópteros más capaces pueden volar. El vuelo en helicóptero más alto de la historia ocurrió en 1972, cuando el aviador francés Jean Boulet voló a 40.820 pies en una base aérea al noroeste de Marsella.

El helicóptero marciano experimentó un contratiempo el 9 de abril, cuando la computadora a bordo de la nave se apagó temprano durante una prueba para girar los dos rotores a alta velocidad. Después de revisar los datos, el equipo de JPL ajustó la secuencia de comandos que se envía a la nave espacial para iniciar los rotores, lo que les permitió completar la prueba de giro de alta velocidad el 16 de abril. Y a las 3:30 a.m. ET del 19 de abril , a mediados del mediodía hora local en Marte, el helicóptero completó con éxito su primer vuelo.

NASA's Mars Perseverance rover's descent stage was recently stacked atop the rover at Kennedy Space Center, and the two were placed in the back shell that will help protect them on their journey to Mars. In this image, taken on April 29, 2020, the underside of the rover is visible, along with the Ingenuity helicopter attached (lower center of the image). The outer ring is the base of the back shell, while the bell-shaped objects covered in red material are covers for engine nozzles on the descent stage. The wheels are covered in a protective material that will be removed before launch. For more information about the mission, go to https://mars.nasa.gov/mars2020/.
© Fotografía de la etapa de descenso del rover Mars Perseverance de la NASA/JPL-Caltech fue recientemente apilada en lo alto del rover en el Centro Espacial Kennedy, y los dos fueron colocados en el caparazón trasero que ayudará a protegerlos en su viaje a Marte. En esta imagen, tomada el 29 de abril de 2020, la parte inferior del rover es visible, junto con el helicóptero Ingenuity adjunto (centro inferior de la imagen). El anillo exterior es la base de la carcasa posterior, mientras que los objetos en forma de campana cubiertos de material rojo son cubiertas para boquillas del motor en la etapa de descenso. Las ruedas están cubiertas con un material protector que se retirará antes del lanzamiento. Para obtener más información sobre la misión, vaya a https://mars.nasa.gov/mars2020/.

En el futuro, máquinas voladoras similares podrían explorar nuevas áreas para rovers y astronautas, recoger muestras de lugares de difícil acceso y recorrer decenas de millas a lo largo de los días para proporcionar una nueva perspectiva del paisaje marciano.

Sólo cuatro libras en la Tierra, que es de 1,5 libras en Marte, El Ingenio ha estado operando por su cuenta desde el 3 de abril, cuando el rover perseverancia del tamaño de un coche lo depositó en una zona plana libre de escombros. Un pequeño panel solar sintonizado para los niveles relativamente bajos de luz solar carga las baterías del helicóptero durante el día, y los calentadores eléctricos mantienen el vehículo caliente durante las noches que puede sumergirse a -130 °F.

© Fotografía de la NASA/JPL-Caltech/MSSS El escudo de escombros, una cubierta protectora en el fondo del rover Perseverancia de la NASA, fue lanzado el 21 de marzo de 2021, el día 30 marciano, o sol, de la misión. El escudo de escombros protege el helicóptero Ingenuity de la agencia durante el aterrizaje; liberarlo permite que el helicóptero gire hacia abajo desde el vientre del rover. Esta imagen fue tomada por la cámara WATSON (Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering) en el instrumento SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals), ubicado al final del largo brazo robótico del rover. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA construyó y administra operaciones de Perseverancia e Ingenio para la agencia. Caltech en Pasadena, California, administra JPL para la NASA. WATSON fue construido por Malin Space Science Systems en San Diego, y es operado conjuntamente por MSSS y JPL. La actividad de demostración de tecnología de helicópteros de Marte cuenta con el apoyo de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA, la Dirección de Misiones de Investigación Aeronáutica de la NASA y la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA. Un objetivo clave para la misión de Perseverancia en Marte es la astrobiología, incluyendo la búsqueda de signos de vida microbiana antigua. El rover caracterizará la geología del planeta y el clima pasado, allanará el camino para la exploración humana del Planeta Rojo y será la primera misión para recoger y almacenar en caché la roca y el regolito marcianos (roca rota y polvo). Las misiones posteriores de la NASA, en cooperación con la ESA (Agencia Espacial Europea), enviarían naves espaciales a Marte para recoger estas muestras selladas de la superficie y devolverlas a la Tierra para su análisis en profundidad. La misión Mars 2020 Perseverance es parte del enfoque de exploración de Luna a Marte de la NASA, que incluye misiones Artemis a la Luna que ayudarán a prepararse para la exploración humana del Planeta Rojo. Para más información sobre perseverancia: mars.nasa.gov/mars2020/. Para más información sobre el ingenio: go.nasa.gov/ingenuity. Crédito NASA/JPL-Caltech/MSSS

Para lograr su corta incursión en la atmósfera marciana, el pequeño rotorcraft se basó en un procesador diminuto como los de los teléfonos celulares, tecnologías de navegación autónomas de coches autónomos, ocho baterías de iones de litio y materiales compuestos ligeros. Sus dos rotores de fibra de carbono, que abarcan cuatro pies de punta a punta, tuvieron que girar hasta unas 2.500 rotaciones por minuto, aproximadamente cinco veces la velocidad de un rotor de helicóptero normal, para despegar del suelo.

© Fotografía del helicóptero Ingenuity Mars de la NASA/JPL-Caltech/ASU NASA se ve aquí en un primer plano tomado por Mastcam-Z, un par de cámaras ampliables a bordo del rover Perseverance. Esta imagen fue tomada el 5 de abril, el día 45 marciano, o sol, de la misión.

Ahora que Ingenuity ha tomado su primer vuelo, el equipo puede planificar un segundo, que probablemente realizará la misma maniobra de flotación, pero un poco más alto y durante un poco más. Tienen una ventana de 31 días para probar el helicóptero, usando perseverancia como relevo de comunicación a la Tierra antes de que el rover se desaletre para comenzar su búsqueda de vida pasada en Marte. Se planean hasta cinco vuelos, construyendo hasta un viaje por una zona de vuelo de 50 pies de largo y de regreso.

«Te sacude la mente», dice Thomas Zurbuchen, administrador asociado de ciencia de la NASA, «volando por primera vez en la historia un helicóptero en Marte».

«No me digas más que no es posible»

© la NASA Orville Wright hace el primer vuelo controlado y propulsado en la Tierra mientras su hermano Wilbur mira en esta imagen tomada en Kitty Hawk, Carolina del Norte, el 17 de diciembre de 1903. Orville Wright cubrió 120 pies en 12 segundos durante el primer vuelo. Los hermanos Wright hicieron cuatro vuelos ese día, cada uno más largo que el anterior. Una pequeña cantidad del material que cubría el ala del avión, flyer 1, durante el primer vuelo fue volado a Marte a bordo del helicóptero Ingenuity Mars de la NASA. Se utilizó una cinta aislante para envolver la pequeña muestra de tela alrededor de un cable situado debajo del panel solar del helicóptero. El ingenio está programado para intentar el primer vuelo controlado y propulsado en otro planeta en abril de 2021. Los Wright habían estado usando el mismo tipo de material – un muselin intachable llamado Orgullo de Occidente – para cubrir sus alas de planeador y avión desde 1901. Una pieza diferente del material, junto con una pequeña astilla de madera, del Flyer 1 fue volada a la Luna y de vuelta a bordo del Apolo 11. La imagen fue tomada por John Daniels, un miembro de la Estación de Salvamento de Estados Unidos en Kill Devil Hills, Carolina del Norte. Hasta el día del vuelo, Daniels nunca había visto una cámara.

En 2015, el equipo de helicópteros de Marte estaba preparando una presentación para la sede de la NASA para pedir fondos para construir un prototipo conocido como un «vehículo de reducción de riesgos». Ya habían volado y estrellado un modelo de una tercera escala en una cámara de vacío en JPL. Para estas pruebas, la cámara fue bombeada a baja presión y llena de dióxido de carbono para replicar la atmósfera de Marte.

Mientras Aung se preparaba para la presentación, algo hacía clic. Los humanos no podían «joystick» este helicóptero directamente porque volaría a millones de millas de distancia en otro planeta, y hay un retraso de comunicación de unos 15 minutos entre la Tierra y Marte. El vehículo tendría que volar por sí mismo, lo que significaba desarrollar una computadora ligera que pudiera evaluar rápidamente la posición de la nave y ajustar los rotores en consecuencia.

«Se trata de la rapidez con la que el vehículo tiene que responder a la perturbación», dice Aung. El helicóptero podría enfrentar ráfagas de viento de hasta 22 millas por hora, junto con cambios en la presión que dificultan el mantenimiento de un vuelo estable en el aire.

Pero era un problema que Aung sabía que su equipo podía resolver. El modelo a escala de un tercio ya había demostrado que el ascensor era posible en Marte, y Aung, un ingeniero eléctrico que se especializa en tecnologías autónomas, sabía que la electrónica del siglo XXI había llegado lo suficientemente lejos como para construir una pequeña computadora que pudiera volar el helicóptero.

«Después de ese momento, todo fue como, No me digas más que no es posible.» Aung dice. «¿Qué hay en nuestro camino?»

Sin embargo, convencer a la sede de la NASA tomó un poco más que una presentación. La agencia financió el prototipo, que en 2016 se sometió a una serie de pruebas. El primero fue simplemente mantener el vehículo en su lugar dentro de la cámara de vacío, girar sus rotores, y medir el par y elevación para asegurarse de que las matemáticas coincidían con los modelos del equipo.

Sin embargo, cuando el prototipo se mantuvo en su lugar, las fuerzas de sus rotores podían interactuar con el suelo y el soporte de prueba. Esa interacción produjo vibraciones que podrían afectar a los sistemas de control del vehículo y hacer que se desgarre en pedazos, el mismo efecto que se ha sabido que hace que los helicópteros de tamaño completo se rompan mientras intenta despegar.

«Teníamos todo que perder», dice Aung. «Si nos separamos así en cualquier momento, podríamos haber sido cancelados.» Incluso si el programa continuaba, una prueba fallida en este momento podría haber impedido al equipo completar el helicóptero a tiempo para volar en el vientre del rover, que estaba programado para lanzarse durante una alineación planetaria de la Tierra y Marte en julio de 2020. «La perseverancia iba con o sin nosotros.»

La prueba funcionó, y las matemáticas se revisaron. El prototipo fue capaz de volar, flotar, girar y aterrizar en la cámara de vacío, demostrando que no sólo levantar, sino vuelos controlados de forma autónoma era posible en Marte.

«Tenemos el desafío de la aerodinámica manejado», recuerda Bob Balaram, ingeniero jefe de Ingenio, pensando en ese momento. «Ahora tenemos que construir el resto de la nave espacial.»

Fibra de carbono y línea de pesca
La masa es el enemigo del vuelo, particularmente en Marte. Cada gramo extra en el helicóptero ingenuity aumentó la cantidad de elevación y empuje que los rotores tenían que producir.

«Tienes que ser muy ligero», dice Teddy Tzanetos, el jefe adjunto de operaciones del helicóptero. «El ingenio es de 1,8 kilogramos, y fue una hazaña de ingeniería conseguir todo lo que necesitábamos embalado en esos 1,8 kilogramos.»

Gran parte del helicóptero, incluyendo sus rotores, patas de aterrizaje y fuselaje (una pequeña caja para sostener la electrónica), fue construido por AeroVironment, un contratista aeroespacial con sede en Simi Valley, California. La compañía construye aviones no tripulados militares, así como aviones experimentales para la NASA, como el ala voladora de propulsión solar Helios, que, a diferencia de los helicópteros, ha volado hasta unos 100.000 pies.

Los dos rotores de fibra de carbono de Ingenuity giran en direcciones opuestas, cancelando el par que giraría el helicóptero si tuviera un solo rotor. (En un helicóptero convencional, se utiliza un rotor de cola para contrarrestar el par del rotor principal.) Estos rotores no sólo tenían que ser grandes y excepcionalmente ligeros, sino también muy rígidos para evitar que se deslicen y interrumpan el flujo de aire.

Las patas de aterrizaje, también hechas de fibra de carbono, presentaron otro «desafío interesante», dice el ingeniero aeronácnico senior de AeroVironment Ben Pipenberg, quien ha estado trabajando en el helicóptero de Marte desde el inicio del programa.

«La gravedad en Marte es aproximadamente un tercio de lo que está aquí en la Tierra, y tienes que tener mucho cuidado de que, cuando aterrizas, realmente no rebotas», dice. Las piernas también tuvieron que plegarse para que el ingenio pudiera caber cómodamente bajo el vientre de perseverancia para el vuelo a Marte. «Esa sería una manera desafortunada de que todo falle, o las piernas no se despliegan cuando estamos tratando de bajar del rover, o después de aterrizar rebota y se voltea».»

La gravedad de la luz de Marte también presentó otros desafíos, a saber, que no se puede simular perfectamente en la Tierra. Una copia completa y exacta del helicóptero Ingenuity fue probada en la cámara de vacío de JPL en 2018. El equipo podría drenar la presión atmosférica y bombear los gases adecuados para crear el tipo de aire que se encuentra en Marte, pero no hay manera de ajustar la gravedad. Para compensar, el equipo utilizó lo que llamaron un sistema de descarga de gravedad.

«Se puede pensar en él como un carrete de pesca con alguna línea de pesca unida a él, un motor, y un sensor de par muy preciso», dice Tzanetos. La línea estaba unida al helicóptero con un «nudo muy seguro atado allí, varios nudos, como respaldo», y el carrete de precisión se detuvo en el helicóptero para imitar la baja gravedad de Marte.

Un segundo prototipo completo pasó por pruebas ambientales, demostrando que podía sobrevivir a las vibraciones de un lanzamiento de cohetes y las gélidas temperaturas de la noche marciana. A principios de 2019, el equipo había construido el helicóptero real que volaría a Marte, probando sus capacidades de vuelo dos veces en la cámara de vacío.

«La próxima vez que volemos, volaremos sobre Marte», dijo Aung después de las pruebas.

«Cientos de helicópteros que recorren Marte»
Ahora que El Ingenio ha llevado a cabo su primer vuelo, la humanidad está un paso más cerca de hacer del vuelo una parte regular de la exploración planetaria. «Mi sueño es que los vehículos aéreos se conviertan en la norma para explorar el espacio», dice Aung.

El equipo piensa en El Ingenio como el equivalente de avión del rover Sojourner, que se convirtió en el primer vehículo en conducir en Marte en 1997. Al igual que Ingenuity, Sojourner fue llevado a Marte por una nave espacial científica más grande, el lander Mars Pathfinder.

«A la comunidad científica no le gustó», dice Zurbuchen sobre Sojourner. «Ellos dijeron, Oye, podemos hacer todo lo que queremos hacer en los terraterientes.»

Menos de 25 años después, la NASA no tiene uno sino dos rovers del tamaño de un coche explorando la superficie de Marte. Tanto el rover Curiosity, que aterrizó en 2012, como perseverancia están desentrañando la historia geológica única del planeta y buscando señales de vida pasada. Perseverancia también se está preparando para recoger la primera muestra rocosa marciana que será devuelta a la Tierra, lo que podría ser crucial para finalmente aprender si Marte alguna vez fue habitado.

Los futuros helicópteros podrían servir como exploradores para los rovers y eventualmente para los humanos, y podrían explorar áreas donde los rovers y la gente simplemente no pueden ir: cañones profundos como Valles Marineris, que se extiende más de 2.500 millas, o las empinadas laderas del Olimpo Mons, que es aproximadamente dos veces y media la altura del Monte Everest.

«Podría imaginar cientos de helicópteros alrededor de Marte», dice Charles Elachi, el director de JPL de 2001 a 2016 que supervisó el inicio del programa de helicópteros de Marte. «Puedo imaginar una de las futuras misiones en las que tenemos un lander, tenemos docenas de helicópteros en él, y estos helicópteros volarán y cubrirán toda una gran región y traerán muestras de vuelta».

Los equipos de JPL ya están pensando en helicópteros más grandes, dice Elachi, que podrían transportar cargas útiles más pesadas y inspeccionar áreas más amplias. «Los rovers ahora pueden recorrer una serie de millas en un año, pero un helicóptero podría recorrer varias millas en un día», dice. «La recompensa potencial es enorme.»

Por ahora, el equipo analizará los datos del primer vuelo para planificar las carreras adicionales de Ingenuity, y tal vez tomarse un tiempo para pensar en el futuro de las máquinas voladoras en otros mundos. «Dondequiera que podamos volar, donde haya atmósfera», dice Aung, «debería convertirse en una norma que enviamos rotorcraft para volar allí».