¿Por qué no se probó en la Tierra el régimen de rotación de alta velocidad de Ingenuity?

Ingenuity es un demostrador de tecnología de bajo costo. Como demostrador de tecnología, la NASA y el JPL tomaron muchas medidas para mantener el costo bajo (bajo para los estándares de la NASA, solo $ 80 millones de dólares en comparación con el costo de $ 2,2 mil millones para el rover). Se planeó que Ingenuity realizara solo cinco vuelos durante los primeros meses de la misión. Si no hubiera alcanzado este objetivo de cinco vuelos por un vuelo o dos, probablemente aún se habría considerado un éxito. Completó con éxito esos primeros cinco vuelos, con un incidente del que fue posible recuperarse. Desde entonces, ha realizado ocho vuelos exitosos adicionales, superando con creces las expectativas.

Pasó de ser un mero demostrador de tecnología a ser una ayuda operativa después de ese quinto vuelo exitoso. "Ayuda operativa" significa que se puede utilizar en un sentido que no sea de misión crítica para ayudar a explorar caminos para el rover y para explorar objetivos de interés. Nunca se convertirá en una misión crítica; no fue diseñado para eso. Fue diseñado como un demostrador de tecnología.

Una de las esquinas que se cortó fue diseñar para las condiciones atmosféricas benignas que se esperaban en los pocos meses posteriores al aterrizaje. El diseño y las pruebas para las condiciones atmosféricas no tan benignas muchos meses después del aterrizaje no habrían sido consistentes con la naturaleza de demostración de tecnología del proyecto. Si lo hubiera hecho, los costos habrían aumentado bastante y no habría tenido sentido.

Dado que Ingenuity ha demostrado la viabilidad y utilidad de un helicóptero de Marte, posiblemente sacrificarlo para ver si puede sobrevivir haciendo que el rotor gire tan rápido que las puntas de las palas se mueven cerca de la velocidad del sonido tiene sentido. El helicóptero estará esencialmente inactivo si no se realiza el cambio, y bien puede estar inactivo si el cambio resulta en una falla.

Pero si tiene éxito, el helicóptero puede continuar utilizándose como ayuda operativa, al menos hasta que el helicóptero falle, posiblemente por alguna otra razón. Ese fracaso (y fallará eventualmente, casi con certeza mucho antes de que falle Perseverance) no restará valor a lo que Ingenuity ya ha hecho.

¿Por qué no esperar?

Un comentario sugirió guardar Ingenuity para un mejor clima en el futuro. Eso sería una espera muy larga. El siguiente gráfico muestra por qué esperar no es una opción.

^{Fuente: Trainer, Melissa G., et al. "Variaciones estacionales en la composición atmosférica medidas en el cráter Gale, Marte". Licencia: CC BY-NC 4.0}

Perseverance aterrizó en Marte el 15 de febrero de 2021, aproximadamente una semana después del equinoccio de primavera del hemisferio norte. La presión atmosférica en Marte aumenta durante unos 100 días después del equinoccio de primavera. Eso hizo que las condiciones de vuelo fueran ideales.

Pero entonces la presión atmosférica comenzó a caer. Para el equinoccio de verano del hemisferio norte el 25 de agosto de 2021, la caída estaba en total declive y continuará disminuyendo durante los próximos 100 días después del 25 de agosto. La presión atmosférica permanecerá por debajo del nivel del 25 de agosto durante otros 100 días después. el mínimo de finales de verano.

Dado que la transmisión de comandos y datos desde Ingenuity requiere una relativa proximidad a Perseverance, la espera requeriría que el rover permaneciera cerca de su ubicación actual durante los próximos cinco meses. Eso sería muy contraproducente para los objetivos generales de la misión del rover. Esperar no es una opción.

Referencias

Entrenador, Melissa G., et al. "Variaciones estacionales en la composición atmosférica medidas en el cráter Gale, Marte". Revista de Investigación Geofísica: Planetas 124.11 (2019): 3000-3024.

La respuesta es fácil, se proporcionó en su enlace al sitio web de la NASA:

Cuando diseñamos y probamos Ingenuity en la Tierra, esperábamos que la misión de cinco vuelos de Ingenuity se completara dentro de los primeros meses posteriores al aterrizaje de Perseverance en febrero de 2021. Por lo tanto, nos preparamos para vuelos a densidades atmosféricas entre 0,0145 y 0,0185 kg/m3, que es equivalente al 1,2-1,5% de la densidad atmosférica de la Tierra al nivel del mar. Sin embargo, con Ingenuity en su sexto mes de funcionamiento, hemos entrado en una temporada en la que las densidades en el cráter Jezero están cayendo a niveles aún más bajos. En los próximos meses podemos ver densidades tan bajas como 0,012 kg/m3 (1,0% de la densidad de la Tierra) durante las horas de la tarde que son preferibles para el vuelo.

La diferencia puede parecer pequeña, pero tiene un impacto significativo en la capacidad de vuelo de Ingenuity. En nuestro límite inferior de diseño para la densidad atmosférica (0,0145 kg/m3), sabemos que Ingenuity tiene un margen de empuje de al menos el 30 %. El margen de empuje se refiere al exceso de empuje que Ingenuity puede producir por encima y más allá de lo que se requiere para flotar. Ese empuje adicional es necesario en los despegues y ascensos, durante las maniobras y también cuando se rastrea un terreno con altura variable. Pero si la densidad atmosférica bajara a 0,012 kg/m3 en los próximos meses, el margen de empuje de nuestro helicóptero podría caer hasta un 8 %, lo que significa que Ingenuity estaría operando cerca de la pérdida aerodinámica (una condición en la que los aumentos adicionales en la el ángulo de ataque de la pala no produce más sustentación, solo más arrastre).

Comenzaremos realizando un giro de alta velocidad del rotor sin dejar el suelo, alcanzando una velocidad máxima del rotor de 2800 rpm (un aumento de más del 10 % en relación con nuestra experiencia previa en Marte de 2537 rpm). Si todo va bien, seguiremos con un breve vuelo de prueba a una velocidad del rotor ligeramente inferior a 2.700 rpm.

Esta es la estrategia de prueba para Marte. No hay información sobre las pruebas realizadas en la Tierra antes. No hay información sobre la velocidad máxima del rotor utilizada en la Tierra. No hay indicios de que todas las pruebas en la Tierra se hayan realizado con velocidades inferiores a 2800 rpm o 2700 rpm.

Así, el ingenio fue diseñado y probado para vuelos a densidades atmosféricas entre 0,0145 y 0,0185 kg/m3. Necesita un margen de empuje de al menos el 30 %. Sin ese margen, el ingenio podría ser capaz de flotar algunos centímetros sobre el suelo, pero el margen es necesario para hacer un despegue real y escalar al menos algunos metros.

El rotor de un helicóptero está expuesto a fuerzas centrífugas muy fuertes. Estas fuerzas aumentan con la velocidad. El rotor está diseñado para una cierta velocidad máxima. Si lo prueba por encima de esta velocidad máxima, es una prueba destructiva. Por supuesto, debe haber un margen de seguridad entre la velocidad máxima teórica y el límite de velocidad nominal.