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Ao empurrar rotores além da velocidade do som durante testes recentes no NASA’s Jet Propulsion Laboratory, engenheiros estão abrindo novas possibilidades para a exploração aérea em baixa altitude de Marte. Crédito: NASA/JPL-Caltech
O Ingenuity, que realizou o primeiro voo motorizado e controlado em outro mundo há pouco mais de cinco anos, em 19 de abril de 2021, foi uma demonstração tecnológica pioneira que não levava instrumentos científicos. O projeto SkyFall, recentemente anunciado pela agência, e outras possíveis aeronaves marcianas futuras serão capazes de transportar cargas úteis — incluindo instrumentos científicos e sensores — para coletar dados em apoio a futuras missões humanas e robóticas, aproveitando as vantagens que vêm da exploração aérea em baixa altitude.
Necessidade de velocidade
No mundo acelerado dos rotores, mais empuxo vem de uma rotação mais rápida ou de um diâmetro maior. Embora essa máxima se aplique à Terra, engenheiros que projetam aeronaves para o Planeta Vermelho precisam ser muito mais agressivos. Como a atmosfera de Marte tem apenas 1% da densidade da da Terra, maximizar o empuxo exige empurrar as pontas das pás em direção à velocidade do som para obter uma sustentação significativa. Embora rotores de pequeno diâmetro na Terra também possam girar a milhares de rotações por minuto, eles têm mais moléculas de ar para empurrar e não precisam se aproximar da borda sônica.
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O NASA’s Ingenuity Mars Helicopter faz um teste de rotação lenta de suas pás em 8 de abril de 2021, o 48º dia marciano, ou sol, da missão. O aeroveículo, capturado aqui pelo instrumento Mastcam-Z a bordo do rover Perseverance da NASA, concluiu seu histórico primeiro voo menos de duas semanas terrestres depois.
NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS
A equipe de voo do Ingenuity nunca permitiu que a velocidade de rotação dos rotores de espuma com revestimento composto excedesse 2.700 rpm durante os 72 voos do helicóptero em Marte por dois motivos: evitar a física imprevisível da barreira do som e garantir que uma rajada de vento inesperada (de um redemoinho de poeira, por exemplo) não levasse as pontas do rotor além da borda sônica.
“Se Chuck Yeager estivesse aqui, ele diria que as coisas podem ficar meio ‘tremidas’ perto do Mach 1”, disse Jaakko Karras, líder dos testes do rotor no JPL. “Tendo isso em mente, planejamos os voos do Ingenuity para manter as pontas das pás do rotor em Mach 0,7 sem vento, de modo que, se encontrássemos um vento contrário marciano durante o voo, as pontas do rotor não ficassem supersônicas. Mas queremos mais desempenho para nossas aeronaves marcianas de próxima geração. Precisávamos saber que nossos rotores poderiam ir mais rápido com segurança.”
Enquanto Mach 1 na Terra ao nível do mar é aproximadamente 760 mph (1.223 kph), a velocidade do som em Marte é significativamente menor — cerca de 540 mph (869 kph) — devido à atmosfera fina e fria, rica em dióxido de carbono do planeta.
Câmara “à prova de pás”
Para começar a avaliar os rotores, que foram desenvolvidos e fabricados pela AeroVironment em Simi Valley, Califórnia, Karras e sua equipe montaram um rotor de três pás que poderia ser usado em futuros projetos de helicópteros marcianos dentro do histórico 25-Foot Space Simulator no JPL. Eles evacuaram o ar e o substituíram por uma quantidade suficiente de dióxido de carbono para corresponder à atmosfera marciana, e então atingiram o rotor com vento enquanto ele girava em velocidades crescentes.
Os engenheiros de teste tomaram a precaução de forrar parte da câmara com chapas metálicas caso as pás se partissem durante o experimento supersônico. A partir de uma sala de controle a alguns metros de distância da câmara, a equipe observou monitores mostrando dados e uma visão do interior da câmara enquanto a rotação por minuto subia até 3.750. Nesse ritmo, as pontas estavam viajando a Mach 0,98. Então, os engenheiros acionaram um ventilador dentro da câmara que atingiu os rotores com ventos contrários. A cada corrida, eles aumentavam a velocidade do vento para a próxima.
A equipe levou as velocidades das pontas do rotor até Mach 1,08, aumentando em 30% a capacidade de sustentação do veículo marciano. Essa conquista permite que missões futuras apoiem cargas úteis científicas mais pesadas, incluindo sensores avançados e baterias maiores para voos mais longos.
Em seguida, a equipe tentou a sorte com o rotor de duas pás do SkyFall. Como ele é ligeiramente mais longo do que a versão de três pás, apenas 3.570 rpm foram necessárias para atingir a mesma velocidade quase supersônica nas pontas do rotor antes de introduzir os ventos contrários.
“O teste bem-sucedido desses rotores foi um grande passo para comprovar a viabilidade do voo em ambientes mais exigentes, o que é fundamental para veículos de próxima geração”, disse Shannah Withrow-Maser, aerodinamicista do NASA’s Ames Research Center, em Silicon Valley, e membro da equipe de testes. “Achamos que teríamos sorte de atingir Mach 1,05, e chegamos a Mach 1,08 nas nossas últimas corridas. Ainda estamos analisando os dados, e pode haver ainda mais empuxo disponível. Esses helicópteros de próxima geração vão ser incríveis.”
A equipe de projeto da missão SkyFall incorporou os resultados da equipe de testes às especificações de desempenho. Inspirado pelo Ingenuity, o único rotorcraft que voou em outro planeta até hoje, o SkyFall foi projetado para levar três helicópteros marcianos de próxima geração ao Planeta Vermelho em dezembro de 2028.
Mais sobre o Mars Exploration Program da NASA
A campanha de testes de rotação mais rápida do que o som foi financiada pelo Mars Exploration Program da agência na busca por maximizar a capacidade de futuras aeronaves que voarão no Planeta Vermelho. Uma divisão do Caltech em Pasadena, o JPL gerencia o Mars Exploration Program da NASA para o Science Mission Directorate em Washington.
Para mais informações sobre o Mars Exploration Program da NASA, visite:
https://mars.nasa.gov
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