Hvordan tester man en helikopter på vej til Mars?

Ingenuity-helikopteren kan være det første køretøj nogensinde, der flyver på Mars, men Mars var ikke det første sted, den nogensinde har fløjet. Før du pakker det sammen og sprænger det til den røde planet, ingeniører ved JPL gav helikopteren en prøvekørsel i en særlig vindtunnel designet med hjælp fra forskere ved Caltech.

At simulere at flyve på en planet, hvor atmosfæren er 100 gange tyndere end Jordens, en tilpasset vindtunnel blev bygget inde i en 85 fod høj, Vakuumkammer på 25 fod i diameter ved JPL, som Caltech administrerer for NASA. Trykket i kammeret blev pumpet ned for at tilnærme Mars atmosfære, mens en række af 441 par individuelt kontrollerbare fans blæste på helikopteren for at simulere fremadflyvning i det lukkede rum.

Fan-arrayet blev designet og bygget af JPL-ingeniører med input fra Caltechs Chris Dougherty og Marcel Veismann, der i øjeblikket er ph.d. studerende, der arbejder med Mory Gharib, Hans W. Liepmann Professor i Aeronautics og Bioinspired Engineering og Booth-Kresa Leadership Chair of Caltechs Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST). Dougherty og Veismann havde tidligere overvåget design og montering af et lignende array af 1, 296 par fans til Real Weather Wind Tunnel på CAST, som åbnede i 2017. Deres design bruger off-the-shelf computerkøleventilatorer (omend de mest kraftfulde tilgængelige i øjeblikket).

"Denne type vindtunnel var særligt velegnet til de påtænkte anvendelser, fordi konceptet med at bruge en række små, billige blæsere tilbyder en pladseffektiv såvel som omkostningseffektiv løsning sammenlignet med vindtunneller med enkelt blæser, " siger Veismann. "Desuden, disse typer ventilatorer er relativt robuste og sikre at betjene, og modulariteten gjorde det muligt for os at teste, hvor godt væggen ville præstere, inden vi byggede anlægget i fuld skala."

Jason Rabinovitch, som var maskiningeniør hos JPL og arbejdede med at teste helikopteren, nåede ud til CAST-teamet i 2017. "Jeg havde opnået min Ph.D. ved GALCIT [Graduate Aerospace Laboratories of California Institute of Technology], så jeg var opmærksom på CAST og dets faciliteter, " siger Rabinovitch, som nu er assisterende professor i maskinteknik ved Stevens Institute of Technology i New Jersey.

Design af en helikopter til at flyve på Mars, som har lavere tyngdekraft og langt lavere lufttryk end Jorden, præsenteret et nyt sæt udfordringer for JPLs ingeniører. Blot at teste helikopteren krævede nye faciliteter.

"Selv i et stort vakuumkammer, som dette var, det ville være umuligt at flyve fremad på nogen meningsfuld måde, " siger Dougherty. "Så for at teste fremadflyvning, det var enten bygget det største vakuumkammer nogensinde, hvilket ville være tids- og omkostningsoverkommeligt, eller finde en måde at simulere de fremadrettede flyveforhold på Mars i et lukket og rumbegrænset miljø. Det er her, vores fan-arrays kommer ind."

Dougherty og Veismann designede CASTs fan-array til at simulere jordiske vejrforhold i den virkelige verden i et delvist lukket miljø, giver forskere mulighed for at teste ubemandede luftfartøjer under realistiske forhold under Gharibs opsyn. Den 10-fod-x-10-fods array er anbragt i en tre-etagers høj drone-arena. Et computerprogram styrer handlingen af ​​mere end 2, 000 individuelle fans, giver ingeniører mulighed for at simulere næsten enhver vindtilstand, som en drone kan støde på i den virkelige verden, fra let vindstød til kuling.

"Hvis vi vil bygge ting, der skal fungere i den virkelige verden, vi er nødt til at teste dem under virkelige forhold. Det er derfor hos CAST, vi har faciliteter, hvor autonome systemer står over for realistiske udfordringer, " siger Gharib, direktør for CAST.

Endnu vigtigere for Mars-helikopteren, ventilator-arrayets software giver den fleksibiliteten til reproducerbar at generere realistiske turbulente flows on-demand, da hver ventilator sender og modtager information sekund for sekund.

"Vi havde en masse aerodynamiske spørgsmål, " siger Rabinovitch. "Du ønsker at forstå køretøjets ydeevne i et relevant miljø. Du vil sikre dig, at køretøjet er stabilt, når det flyver på Mars, og at den fungerer som forventet under en lang række manøvrer."

Kontraintuitivt, det var vigtigt for Ingenuity-testanlægget at kunne generere stabil vind med lav hastighed. Traditionelle vindtunneller, som har en kæmpe fan, er designet til at generere højhastighedsvind til at teste fly, der vil flyve med hundredvis af miles i timen. Holdet undersøgte muligheden for at bruge Transonic Dynamics Tunnel (TDT) placeret ved NASA Langley Research Center, som er en vindtunnel, der er i stand til at producere strømningsforhold til at teste fly, der rejser hurtigere end lydens hastighed i store højder på jorden. Ingenuity helikopteren, i modsætning, bevæger sig omkring 10 meter i sekundet, eller omkring 20 miles i timen.

"Hvis vi var gået til Langley, de ville have været nødt til at sætte deres ventilator i tomgang for at få den vindhastighed, vi ledte efter, " siger Amiee Quon, en mekanisk integrationsingeniør hos JPL, som hjalp med at teste helikopteren.

JPL Mars Helicopter-teamet sikrede brugen af ​​et af JPLs største vakuumkamre til projektet. Kammeret er 85 fod højt og 25 fod i diameter. Det tager omkring to timer at pumpe luften ud for at genskabe forholdene i Mars atmosfære.

At bygge en række individuelt kontrollerbare ventilatorer inde i et vakuumkammer er ikke så simpelt som bare at samle enhederne og tænde dem. For én ting, selve naturen af ​​et vakuumkammer - det faktum, at det er tæt lukket - betyder, at der ikke kan være flere ledninger, der løber ind og ud. Alle input og output skulle strømlines og reduceres

Selve anlægget har været vigtigt for JPLs Mars-missioner. "Dette er kammeret, hvor vi lavede de vigtigste termiske vakuumtests for alle Mars rovere, som simulerer rummet ved at pumpe al luften ud og cykle gennem høje og lave temperaturer. Vi skulle holde det rent, " siger Quon. "Vi var bekymrede for snavs, men vi var også bekymrede for afgasning fra komponenterne på ventilatorerne." På grund af krav til forureningskontrol, JPL-holdet måtte omkoble fansene, at udskifte deres lager-polyvinylchlorid (PVC) ledningsjakker med teflon, der frigiver færre kemiske gasser i luften.

"Det var rigtig sjovt, men der var mange detaljer at overveje, " siger Quon. "Vi tog et anlæg, der slet ikke er designet til vindtunneltest, og forvandlede det til en vindtunnel for første gang."

På grund af den tid, det tager at pumpe ned i kammeret for at efterligne Mars' ekstremt lave atmosfæriske tryk, eventuelle fejl, der opstod, skulle rettes eksternt. For det, Dougherty og Veismann fik hjælp fra Caltech Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF)-studerende Alejandro Stefan-Zavala.

"Den type blæsere, som vi bruger her, har en indbygget sensor, der fortæller dig, hvor hurtigt de roterer, og du skal skrive noget software for at få adgang til den sensor, " siger Stefan-Zavala. "Med 441 par fans, der er mange sensorer, og du vil vide i realtid, hvad der foregår, så du kan diagnosticere, hvis noget ikke fungerer korrekt."

Når de ikke er inde i et vakuumkammer, det er en simpel proces:Man tilslutter blot en USB-linje til den defekte komponent og forbinder den til en bærbar computer. For at opnå denne type fejlkorrektion, mens de er inde i et vakuumkammer, ville det have krævet 80 individuelle USB-linjer til at bære nok data til at styre ventilatorerne.

I stedet, Stefan-Zavala udviklede brugerdefineret software, der fjernovervågede ventilatorerne, og - om nødvendigt - instrueret dem til automatisk at omprogrammere sig selv.

Projektets gennemførlighedsundersøgelse begyndte i 2017, og testningen blev afsluttet i midten af ​​september 2018. I betragtning af den igangværende efterspørgsel efter vakuumkammeret til at simulere rummiljøet – det bruges som rumsimulator af JPL-forskere – havde holdet meget lidt tid til at samles. ventilatorrækken, få det til at virke, lav testene, og så bryde det hele ned igen.

Til sidst, ventilatorarrayet forblev samlet i blot nogle uger. "Det var stramt. Vi arbejdede mange nætter og weekender, " siger Rabinovitch.

Rabinovitch siger, at han ikke var overrasket over, at den ekstraordinære tekniske knowhow, der er nødvendig for at designe en første af sin slags vindtunnel til at teste en helt ny teknologi til Mars, kom fra studerende. "Dette var Caltech kandidatstuderende, " siger han. "Jeg var ikke overrasket over det niveau af ekspertise."