L'hélicoptère Ingenuity pourrait être le premier véhicule à voler sur Mars, mais Mars n'était pas le premier endroit où il a jamais volé. Avant de l'emballer et de le faire exploser sur la planète rouge, Les ingénieurs du JPL ont fait un essai à l'hélicoptère dans une soufflerie spéciale conçue avec l'aide de chercheurs de Caltech.

Pour simuler un vol sur une planète où l'atmosphère est 100 fois plus fine que celle de la Terre, une soufflerie personnalisée a été construite à l'intérieur d'un bâtiment de 85 pieds de haut, Chambre à vide de 25 pieds de diamètre au JPL, que Caltech gère pour la NASA. La pression dans la chambre a été pompée pour se rapprocher de l'atmosphère martienne, tandis qu'un ensemble de 441 paires de ventilateurs contrôlables individuellement a soufflé sur l'hélicoptère pour simuler le vol vers l'avant dans l'espace clos.

Le réseau de ventilateurs a été conçu et construit par les ingénieurs de JPL avec la contribution de Chris Dougherty et Marcel Veismann de Caltech, qui sont actuellement doctorants. étudiants travaillant avec Mory Gharib, Hans W. Liepmann Professeur d'aéronautique et d'ingénierie bioinspirée et Chaire de leadership Booth-Kresa du Centre pour les systèmes et technologies autonomes de Caltech (CAST). Dougherty et Veismann avaient auparavant supervisé la conception et l'assemblage d'un ensemble similaire de 1, 296 paires de ventilateurs pour la soufflerie Real Weather du CAST, qui a ouvert ses portes en 2017. Leur conception utilise des ventilateurs de refroidissement d'ordinateur standard (bien que les plus puissants actuellement disponibles).

« Ce type de soufflerie était particulièrement bien adapté aux applications visées, parce que le concept d'utiliser un tableau de petits, les ventilateurs bon marché offrent une solution peu encombrante et économique par rapport aux souffleries à ventilateur unique, " dit Veismann. " De plus, ces types de ventilateurs sont relativement robustes et sûrs à utiliser, et la modularité nous a permis de tester les performances du mur avant de construire l'installation à grande échelle. »

Jason Rabinovitch, qui était ingénieur en mécanique au JPL travaillant sur les tests de l'hélicoptère, a contacté l'équipe CAST en 2017. "J'avais obtenu mon doctorat à GALCIT [les laboratoires aérospatiaux diplômés du California Institute of Technology], donc je connaissais CAST et ses installations, " dit Rabinovitch, qui est maintenant professeur adjoint de génie mécanique au Stevens Institute of Technology dans le New Jersey.

Concevoir un hélicoptère pour voler sur Mars, qui a une gravité inférieure et une pression atmosphérique bien inférieure à celle de la Terre, a présenté un nouvel ensemble de défis pour les ingénieurs du JPL. Le simple test de l'hélicoptère nécessitait de nouvelles installations.

"Même dans une grande chambre à vide, ce que c'était, il serait impossible de voler librement vers l'avant de manière significative, " Dougherty dit. " Donc pour tester le vol vers l'avant, c'était soit construire la plus grande chambre à vide de tous les temps, ce qui serait prohibitif en temps et en coût, ou trouver un moyen de simuler les conditions de vol vers l'avant de Mars dans un environnement étanche et confiné dans l'espace. C'est là qu'interviennent nos gammes de ventilateurs."

Dougherty et Veismann ont conçu le réseau de ventilateurs de CAST pour simuler des conditions météorologiques terrestres réelles dans un environnement partiellement clos, permettant aux chercheurs de tester des véhicules aériens sans pilote dans des conditions réalistes sous la supervision de Gharib. Le réseau de 10 pieds sur 10 pieds est logé dans une arène de drones de trois étages. Un programme informatique contrôle l'action de plus de 2, 000 fans individuels, permettre aux ingénieurs de simuler à peu près toutes les conditions de vent qu'un drone pourrait rencontrer dans le monde réel, d'une légère rafale à un coup de vent.

"Si nous voulons construire des choses qui vont fonctionner dans le monde réel, nous devons les tester dans des conditions réelles. C'est pourquoi chez CAST, nous avons des installations où les systèmes autonomes font face à des défis réalistes, " dit Gharib, directeur de CAST.

Plus important encore pour l'hélicoptère Mars, le logiciel du réseau de ventilateurs lui donne la flexibilité de générer de manière reproductible des flux turbulents réalistes à la demande, car chaque ventilateur envoie et reçoit des informations seconde par seconde.

"Nous avons eu beaucoup de questions aérodynamiques, " dit Rabinovitch. " Vous voulez comprendre les performances du véhicule dans un environnement pertinent. Vous voulez vous assurer que le véhicule est stable lorsqu'il vole sur Mars, et qu'il fonctionne comme prévu lors d'un large éventail de manœuvres."

Contre-intuitivement, il était important pour l'installation d'essai d'Ingenuity de pouvoir générer des vents stables à basse vitesse. Souffleries traditionnelles, qui ont un ventilateur géant, sont conçus pour générer des vents à grande vitesse pour tester des avions qui voleront à des centaines de milles à l'heure. L'équipe a étudié la possibilité d'utiliser le Transonic Dynamics Tunnel (TDT) situé au NASA Langley Research Center, qui est une soufflerie capable de produire des conditions d'écoulement pour tester des avions voyageant plus vite que la vitesse du son à haute altitude sur la terre. L'hélicoptère Ingéniosité, en revanche, se déplace à environ 10 mètres par seconde, ou environ 20 miles par heure.

« Si nous étions allés à Langley, ils auraient dû faire tourner leur ventilateur au ralenti pour obtenir la vitesse du vent que nous recherchions, " dit Amiee Quon, un ingénieur intégration mécanique au JPL qui a participé aux essais de l'hélicoptère.

L'équipe du JPL Mars Helicopter a obtenu l'utilisation de l'une des plus grandes chambres à vide du JPL pour le projet. La chambre mesure 85 pieds de haut et 25 pieds de diamètre. Il faut environ deux heures pour pomper l'air à l'intérieur pour recréer les conditions de l'atmosphère martienne.

Construire un ensemble de ventilateurs contrôlables individuellement à l'intérieur d'une chambre à vide n'est pas aussi simple que d'assembler les unités et de les allumer. Pour une chose, la nature même d'une chambre à vide - le fait qu'elle soit hermétiquement scellée - signifie qu'il ne peut pas y avoir plusieurs fils entrant et sortant. Toutes les entrées et sorties ont dû être rationalisées et réduites

L'installation elle-même a été importante pour les missions du JPL sur Mars. "C'est la chambre où nous avons fait les principaux tests de vide thermique pour tous les rovers martiens, qui simulent l'espace en pompant tout l'air et en passant par des températures élevées et basses. Nous devions le garder propre, " dit Quon. " Nous nous sommes inquiétés de la saleté, mais nous nous inquiétions également des dégagements gazeux des composants des ventilateurs. » En raison des exigences de contrôle de la contamination, l'équipe JPL a dû refaire le câblage des fans, remplacer leurs gaines de câblage en polychlorure de vinyle (PVC) par des gaines en téflon qui libèrent moins de gaz chimiques dans l'air.

"C'était très amusant, mais il y avait beaucoup de détails à considérer, " dit Quon. " Nous avons pris une installation qui n'est pas du tout conçue pour les essais en soufflerie et l'avons transformée en soufflerie pour la première fois. "

En raison du temps nécessaire pour pomper la chambre pour imiter la pression atmosphérique extrêmement basse de Mars, toutes les erreurs qui se sont produites devaient être corrigées à distance. Pour ça, Dougherty et Veismann ont demandé l'aide d'Alejandro Stefan-Zavala, étudiant de la bourse de recherche d'été de premier cycle Caltech (SURF).

"Le type de ventilateurs que nous utilisons ici a un capteur intégré qui vous indique à quelle vitesse ils tournent, et vous devez écrire un logiciel pour accéder à ce capteur, ", dit Stefan-Zavala. "Avec 441 paires de ventilateurs, il y a beaucoup de capteurs, et vous voulez savoir en temps réel ce qui se passe afin de pouvoir diagnostiquer si quelque chose ne fonctionne pas correctement."

Lorsqu'il n'est pas à l'intérieur d'une chambre à vide, c'est un processus simple :il suffit de brancher une ligne USB sur le composant défectueux et de le connecter à un ordinateur portable. Pour accomplir ce type de correction d'erreur à l'intérieur d'une chambre à vide, il aurait fallu 80 lignes USB individuelles pour transporter suffisamment de données pour contrôler les ventilateurs.

Au lieu, Stefan-Zavala a développé un logiciel personnalisé qui surveille à distance les ventilateurs, et, si nécessaire, leur a demandé de se reprogrammer automatiquement.

L'étude de faisabilité du projet a commencé en 2017 et les tests ont été achevés à la mi-septembre 2018. Compte tenu de la demande continue pour la chambre à vide pour simuler l'environnement spatial - elle est utilisée comme simulateur spatial par les chercheurs du JPL - l'équipe a eu très peu de temps pour l'assembler. le réseau de ventilateurs, le faire fonctionner, faire les tests, puis décomposez le tout.

À la fin, le groupe de ventilateurs est resté assemblé pendant quelques semaines seulement. "C'était serré. On travaillait beaucoup de nuits et de week-ends, ", dit Rabinovitch.

Rabinovitch dit qu'il n'était pas surpris que le savoir-faire technique exceptionnel nécessaire à la conception d'une soufflerie unique en son genre pour tester une toute nouvelle technologie pour Mars soit venu d'étudiants. "C'étaient des étudiants diplômés de Caltech, " dit-il. "Je n'ai pas été surpris par ce niveau d'expertise."