De Ingenuity-helikopter is misschien wel het eerste voertuig dat ooit op Mars vliegt. maar Mars was niet de eerste plaats waar het ooit heeft gevlogen. Voordat je het inpakt en naar de Rode Planeet blaast, ingenieurs van JPL gaven de helikopter een proefvaart in een speciale windtunnel die is ontworpen met hulp van onderzoekers van Caltech.

Om vliegen te simuleren op een planeet waar de atmosfeer 100 keer dunner is dan die van de aarde, een aangepaste windtunnel werd gebouwd in een 85 meter hoge, Vacuümkamer met een diameter van 25 voet bij JPL, die Caltech voor NASA beheert. De druk in de kamer werd naar beneden gepompt om de atmosfeer van Mars te benaderen, terwijl een reeks van 441 paar individueel regelbare ventilatoren op de helikopter blies om voorwaartse vlucht in de afgesloten ruimte te simuleren.

De ventilatorarray is ontworpen en gebouwd door JPL-ingenieurs met input van Caltech's Chris Dougherty en Marcel Veismann, die momenteel Ph.D. studenten die met Mory Gharib werken, Hans W. Liepmann Hoogleraar luchtvaart en bio-geïnspireerde engineering en Booth-Kresa Leadership Chair van Caltech's Centre for Autonomous Systems and Technologies (CAST). Dougherty en Veismann hadden eerder toezicht gehouden op het ontwerp en de assemblage van een vergelijkbare reeks van 1, 296 paar ventilatoren voor de Real Weather Wind Tunnel bij CAST, die in 2017 werd geopend. Hun ontwerp maakt gebruik van kant-en-klare computerkoelventilatoren (zij het de krachtigste die momenteel beschikbaar zijn).

"Dit type windtunnel was bijzonder geschikt voor de beoogde toepassingen, omdat het concept van het gebruik van een reeks kleine, goedkope ventilatoren bieden een ruimtebesparende en kosteneffectieve oplossing in vergelijking met windtunnels met één ventilator, " zegt Veismann. "Bovendien, dit soort ventilatoren zijn relatief robuust en veilig te bedienen, en dankzij de modulariteit konden we testen hoe goed de muur zou presteren voordat we de volledige faciliteit bouwden."

Jason Rabinovitch, die een werktuigbouwkundig ingenieur was bij JPL die werkte aan het testen van de helikopter, nam in 2017 contact op met het CAST-team. "Ik had mijn doctoraat behaald bij GALCIT [de Graduate Aerospace Laboratories van het California Institute of Technology], dus ik was op de hoogte van CAST en zijn faciliteiten, " zegt Rabinovitch, die nu een assistent-professor werktuigbouwkunde is aan het Stevens Institute of Technology in New Jersey.

Een helikopter ontwerpen om op Mars te vliegen, die een lagere zwaartekracht en een veel lagere luchtdruk heeft dan de aarde, bood een nieuwe reeks uitdagingen voor de ingenieurs van JPL. Alleen al het testen van de helikopter vereiste nieuwe faciliteiten.

"Zelfs in een grote vacuümkamer, welke dit was, het zou onmogelijk zijn om op een zinvolle manier voorwaarts te vliegen, "zegt Dougherty. "Dus om de voorwaartse vlucht te testen, het was ofwel de grootste vacuümkamer aller tijden, wat tijd- en kostenbesparend zou zijn, of een manier vinden om de voorwaartse vluchtomstandigheden van Mars te simuleren in een afgesloten en in de ruimte beperkte omgeving. Dat is waar onze ventilatorarrays binnenkomen."

Dougherty en Veismann ontwierpen de ventilatorarray van CAST om echte terrestrische weersomstandigheden in een gedeeltelijk afgesloten omgeving te simuleren. waardoor onderzoekers onder toezicht van Gharib onbemande luchtvaartuigen kunnen testen onder realistische omstandigheden. De reeks van 10 bij 10 voet is gehuisvest in een drie verdiepingen hoge drone-arena. Een computerprogramma regelt de actie van meer dan 2, 000 individuele fans, waardoor ingenieurs zowat elke windconditie kunnen simuleren die een drone in de echte wereld kan tegenkomen, van een lichte windstoot tot een storm.

"Als we dingen willen bouwen die in de echte wereld gaan werken, we moeten ze testen in reële omstandigheden. Daarom bij CAST, we hebben faciliteiten waar autonome systemen voor realistische uitdagingen staan, " zegt Gharib, directeur van CAST.

Wat nog belangrijker is voor de Mars-helikopter, de software van de ventilatorarray geeft hem de flexibiliteit om on-demand reproduceerbaar realistische turbulente stromingen te genereren, aangezien elke ventilator informatie van seconde tot seconde verzendt en ontvangt.

"We hadden veel aerodynamische vragen, ", zegt Rabinovitch. "Je wilt de prestaties van het voertuig in een relevante omgeving begrijpen. U wilt ervoor zorgen dat het voertuig stabiel is wanneer het op Mars vliegt, en dat het presteert zoals verwacht tijdens een breed scala aan manoeuvres."

Niet intuïtief, het was belangrijk voor de Ingenuity-testfaciliteit om stabiele wind met lage snelheid te kunnen genereren. Traditionele windtunnels, die een gigantische fan hebben, zijn ontworpen om snelle winden te genereren voor het testen van vliegtuigen die met honderden mijlen per uur zullen vliegen. Het team onderzocht de mogelijkheid om de Transonic Dynamics Tunnel (TDT) in het NASA Langley Research Center te gebruiken, dat is een windtunnel die in staat is om stromingsomstandigheden te produceren voor het testen van vliegtuigen die sneller vliegen dan de geluidssnelheid op grote hoogten op aarde. De Ingenuity-helikopter, in tegenstelling tot, reist met ongeveer 10 meter per seconde, of ongeveer 20 mijl per uur.

"Als we naar Langley waren gegaan, ze hadden hun ventilator moeten laten draaien om de windsnelheid te krijgen die we zochten, " zegt Amie Quon, een mechanische integratie-ingenieur bij JPL die hielp bij het testen van de helikopter.

Het JPL Mars Helicopter-team zorgde voor het gebruik van een van JPL's grootste vacuümkamers voor het project. De kamer is 85 voet lang en 25 voet in diameter. Het duurt ongeveer twee uur om de lucht naar binnen te pompen om de omstandigheden van de atmosfeer van Mars na te bootsen.

Het bouwen van een reeks individueel regelbare ventilatoren in een vacuümkamer is niet zo eenvoudig als alleen de units in elkaar zetten en ze aanzetten. Voor een ding, de aard van een vacuümkamer - het feit dat deze goed is afgesloten - betekent dat er niet meerdere draden in en uit kunnen lopen. Alle inputs en outputs moesten worden gestroomlijnd en verkleind

De faciliteit zelf is belangrijk geweest voor JPL's Mars-missies. "Dit is de kamer waar we de belangrijkste thermische vacuümtests hebben gedaan voor alle Marsrovers, die de ruimte simuleren door alle lucht eruit te pompen en door hoge en lage temperaturen te fietsen. We moesten het schoon houden, " Zegt Quon. "We maakten ons zorgen over vuil, maar we maakten ons ook zorgen over het afgassen van de componenten op de ventilatoren." Vanwege de vereisten voor contaminatiecontrole, het JPL-team moest de fans opnieuw bedraden, hun voorraad polyvinylchloride (PVC) bedradingsmantels verwisselen met teflon-mantels die minder chemische gassen in de lucht afgeven.

"Het was heel erg leuk, maar er waren veel details om over na te denken, ", zegt Quon. "We hebben een faciliteit genomen die helemaal niet is ontworpen voor windtunneltests en hebben er voor het eerst een windtunnel van gemaakt."

Vanwege de tijd die nodig is om de kamer leeg te pompen om de extreem lage atmosferische druk van Mars na te bootsen, eventuele fouten die zich voordeden, moesten op afstand worden verholpen. Daarom, Dougherty en Veismann riepen de hulp in van Caltech Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) student Alejandro Stefan-Zavala.

"Het type ventilator dat we hier gebruiken, heeft een ingebouwde sensor die je vertelt hoe snel ze draaien, en je moet wat software schrijven om toegang te krijgen tot die sensor, " zegt Stefan-Zavala. "Met 441 paar ventilatoren, er zijn veel sensoren, en je wilt in realtime weten wat er aan de hand is, zodat je een diagnose kunt stellen als iets niet goed werkt."

Wanneer niet in een vacuümkamer, dat is een eenvoudig proces:men steekt gewoon een USB-lijn in het defecte onderdeel en sluit het aan op een laptop. Om dit type foutcorrectie uit te voeren in een vacuümkamer, zouden 80 afzonderlijke USB-lijnen nodig zijn om voldoende gegevens te vervoeren om de ventilatoren te regelen.

In plaats daarvan, Stefan-Zavala ontwikkelde software op maat die de fans op afstand in de gaten hield, en - indien nodig - opdracht gegeven om zichzelf automatisch te herprogrammeren.

De haalbaarheidsstudie van het project begon in 2017 en het testen werd medio september 2018 voltooid. Gezien de aanhoudende vraag naar de vacuümkamer om de ruimteomgeving te simuleren - deze wordt gebruikt als een ruimtesimulator door JPL-onderzoekers - had het team heel weinig tijd om te monteren de ventilatorreeks, laat het werken, doe de testen, en dan alles weer afbreken.

Uiteindelijk, de ventilatorarray bleef slechts een kwestie van weken in elkaar. "Het was krap. We werkten veel nachten en weekenden, ' zegt Rabinovitch.

Rabinovitch zegt dat hij niet verbaasd was dat de uitzonderlijke technische knowhow die nodig was om een ​​unieke windtunnel te ontwerpen voor het testen van een gloednieuwe technologie voor Mars, afkomstig was van studenten. "Dit waren afgestudeerde Caltech-studenten, " zegt hij. "Ik was niet verbaasd over dat niveau van expertise."