Brian Johnson (United Kingdom) – A Dragonfly in the Sky
Un drone nel cielo di Marte
di Vincenzo Rampolla
Quali sono stati i compiti di Perseverance, la missione NASA su Marte del 18 febbraio 2021?
La ricerca di possibili forme di vita sul pianeta, la raccolta di campioni che saranno poi portati sulla Terra in future missioni, lo studio dell’ambiente intorno a Jezero il cratere di sbarco con i sensori acustici del rover e la preparazione del primo volo di Ingenuity (Ingegnosità) su Marte, un drone elicottero alloggiato durante il viaggio in un vano sotto il rover della Nasa.
Il volo è previsto il 14 aprile 2021. Questa idea ha preso forma nell'estate del 2013 e ha portato gradualmente a una macchina volante molto piccola (lato 10 cm e peso1,8 kg). Le sue lame controrotanti avranno una rotazione di migliaia di giri/minuto, velocità molto elevata per un’apparechiatura così piccola e leggera.
Rivediamo alcuni dati del viaggio Terra-Marte per entrare nel vivo della missione. I due pianeti ruotano intorno al Sole su orbite ellittiche e la loro vicinanza minima è di 54,6 milioni di km. Nella missione devono essere allineati con il Sole, ruotano a velocità diversa, la Terra impiega 1 anno per una rivoluzione e Marte 1,9 anni. A causa della loro distanza sono necessari diversi minuti per comunicare tra loro. Ora, la luce solare impiega poco più di 8 min per raggiungere la Terra, mentre il tempo di ricezione sulla Terra di un messaggio trasmesso da Marte varia da 4 minuti e 21 secondi a 21 minuti circa, in funzione della loro distanza. In pratica non è possibile pilotare l'elicottero in tempo reale. È autonomo con una capacità limitata di interpretare le istruzioni impartite da Terra. Al decollo seguirà un piano di volo predefinito, contenuto nella sua memoria integrata. Ai 7 strumenti scientifici a bordo del rover progettato dalla NASA (Washington) si aggiunge quindi Ingenuity progettato a Pasadena (California) dal JPL (Jet Propulsion Laboratory).
Per operare su Marte, questo elicottero utilizza celle solari per caricare batterie agli ioni di litio e alimentare il suo riscaldamento, essenziale per sopravvivere alle notti marziane con temperature intorno ai -70°- 90°C.
Data la bassa densità dell'atmosfera marziana (circa l'1% di quella terrestre), anche vicino al suolo il drone volerà in un'atmosfera con pressione pari a quella trovata su Terra a un’altezza di 30.5 Km sopra il livello del mare. Si osserva che il record di altitudine per un elicottero terrestre è di 12.442 m. Per simulare queste condizioni marziane, JPL e NASA hanno dovuto creare una camera a vuoto larga 7,62 metri, all'interno della quale sono stati estratti azoto e ossigeno i principali elementi presenti nell'atmosfera terrestre e sostituiti con anidride carbonica, al 95% primo componente dell'atmosfera di Marte e rispetto all’ambiente terrestre gas scarsamente adatto al moto di veicoli aerei rotanti.
Per gli scienziati è essenziale e di forte interesse disporre di elicotteri per esplorare Marte, in particolare per raggiungere luoghi inaccessibili dal suolo (pendii troppo ripidi, pareti interne di crateri, altipiani troppo alti...). A causa della bassa densità dell'atmosfera marziana, rover e lander sono vincolati a un moto esclusivamente su una superficie a bassa quota, in modo da avere anche il giusto tempo per frenare in assenza degli attriti esistenti su Terra. Si aggiunga il fatto che non si può realizzare un modello digitale del terreno a più di 40 m di distanza. Con questo esemplare di drone progettato per raggiungere un'altezza di circa 30 m, il rover avrebbe una visione limitata entro un raggio di 500 m. Compito del drone è di fornire una mappatura di altissima precisione del terreno circostante, indispensabile nella scelta del sito di atterraggio. Per questo motivo JPL e NASA hanno dovuto ricreare sulla Terra le condizioni atmosferiche più verosimili a quelle marziane.
Per tenere conto della bassa gravità su Marte, due terzi di quella sulla Terra, un cavo motorizzato è stato collegato alla parte superiore del drone elicottero per compensare gli effetti della gravità terrestre durante i voli di prova. Per rimanere in aria, le pale dell'elicottero si è detto che dovranno girare a velocità molto superiore a quella richiesta sulla Terra in modo da compensare gli effetti dell'atmosfera marziana.
I dati trasmessi finora alla Terra non segnalano criticità né difficoltà tecniche per il drone. Tali dati sono stati ricevuti subito dopo l'atterraggio perché JPL ha dovuto garantire lo stato di ricarica delle batterie del drone e il corretto funzionamento del sistema di riscaldamento dei suoi componenti elettronici. Le batterie vengono caricate gradualmente con un ritmo quotidiano crescente.
Il drone deve rimanere alloggiato sotto il rover per 30-60 giorni. Prima di sganciarlo al suolo il team del progetto cercherà un sito adatto, idealmente un'area di 100 m² da cui Ingenuity decollerà e su cui tornerà. Il drone avrà perciò una finestra operativa per effettuare i suoi voli dimostrativi. Per il primo volo, dovrà decollare a pochi centimetri dal suolo, rimanere in aria per 20-30 secondi e atterrare. Se riuscirà a decollare e planare durante questo primo volo seguiranno altri voli più lunghi con durate massime intorno a 3 minuti, a un'altitudine compresa tra i 3-5 m, con un tragitto aereo in un raggio di 50 m. Dalla posizione ingegnosa in cui era agganciato sotto al rover Perseverance, Ingenuity è stato rimosso sabato 3 aprile 2021. Finché non ha aperto le sue quattro gambe e non le ha deposte sul suolo di Marte, è rimasto coperto dal rover e collegato per accumulare la giusta carica di energia elettrica. Subito dopo, i tecnici della NASA hanno allontanato il rover per consentire al micropannello solare posto nella parte superiore dei rotori dell'elicottero di iniziare a ricevere la luce solare, Perseverance contemporaneamente ha trasmesso alla Terra le prime immagini di Ingenuity fermo sulla superficie di Marte, le sue palette rotanti ancora richiuse su se stesse. È previsto che si aprano l’indomani quanto basta per permettere agli ingegneri di testarle 5 volte insieme ai motori che le guidano, oltre a una lunga serie di verifiche. Dopo un test completo del rotore e delle pale, la NASA ha dato il via libera al primo volo di Ingenuity su Marte, pronto per il decollo alle 4 e 54 la notte tra il 13 e il 14 aprile.
La prima difficoltà che Ingenuity deve affrontare sarà di decollare e salire nell'aria marziana superando la bassissima densità dell'atmosfera. Per rimuovere questi vincoli, Ingenuity dovrà espellere verso il suolo una quantità di moto (massa per velocità) sufficientemente elevata da compensare la forza di gravità che lo terrà ancorato al suolo. Tecnicamente, la grande sfida per Ingenuity è mandare molta massa verso il terreno, esercitando una forza superiore alla gravità e con direzione contraria. L’obiettivo è raggiunto esercitando pressione il più rapidamente possibile sulla poca materia presente nell'aria marziana e con una velocità di rotazione elevatissima. Si calcola di 2.400 - 2.900 giri/minuto, circa 10 volte quella delle pale di un elicottero sulla Terra. Per superare il problema, il JPL ha ottimizzato la geometria e il design dei due rotori coassiali a doppia pala di Ingenuity in modo da evitare che l’eccessiva velocità deformi la geometria delle pale torcendole. Entra in gioco la dinamica dei fluidi, con le forze d’inerzia e le forze viscose che tendono ad esaltare le perturbazioni del moto mentre le seconde tendono ad attenuarle. Alcune formule permettono di calcolare quando il flusso è basso (laminare) o turbolento (vorticoso), con traiettorie giuste o distorte, inadatte quindi al moto del drone e influenzate dalla sua geometria. Vista dall'alto si spiega la forma delle lame ispirata al profilo delle ali della libellula. Il paragone con la libellula ci sta.
Le libellule hanno due paia di ali che agiscono in coppia indipendenti l'una dall'altra e possono accelerare fino a una velocità molto elevata di 40 km/ora. Quando sbattono, le ali superiore e inferiore formano un cuneo con cui un getto d'aria viene lanciato all'indietro, creando una forza reattiva che spinge la libellula in avanti. Utilizza uno speciale algoritmo di volo che le consente di aumentare l'efficienza delle ali del 22% rispetto agli insetti volanti con due ali. Gli ingrossamenti sul bordo d'attacco delle ali sono progettati come ammortizzatori, rendendo più facile allargare le ali superiori e inferiori e distanziarle. Se non fosse per questo accorgimento naturale, le ali superiori e inferiori potrebbero urtarsi e la libellula non potrebbe più volare normalmente. È ciò che ha ispirato il progetto agli ingegneri JPL, con due coppie di lame. E se le condizioni di volo richieste da un drone marziano sono appena conosciute sulla Terra, analogamente le geometrie per ottimizzare le prestazioni aerodinamiche del drone in condizioni marziane sono ben poco conosciute. I voli che Ingenuity effettuerà serviranno anche a migliorare i modelli utilizzati per la progettazione di questo tipo di velivolo adattato alle condizioni atmosferiche proprie di Marte.
Il campo d'aviazione marziano da cui Ingenuity decollerà e si evolverà, chiamato Van Zyl Overlook, è stato scelto per la sua uniformità e per l’assenza di ostacoli e misura 10 x 10 m.
Il processo di apertura del drone richiederà circa 6 giorni e 4 ore terrestri. Ingenuity sarà deposto sul suolo e la regìa da Terra dovrà confermare che le 4 gambe di Ingenuity sono saldamente piantate sul suolo, che il rover si è posizionato a una distanza di sicurezza di almeno 5 metri e che Perseverance e il drone comunicano tramite le rispettive radio di bordo. È da questo momento che è iniziato il periodo dei 30 giorni marziani (31 giorni terrestri), durante il quale sono effettuati tutti i controlli pre-volo. Prima del decollo, Ingenuity farà funzionare i suoi rotori a esattamente 2.537 giri / min e eseguirà un controllo completo dei suoi sistemi. Se non vengono rilevate anomalie, decollerà. Dopo essere salito a una velocità di circa 1m/sec, il drone si librerà per 30 secondi a circa 3 metri dal suolo. Durante il volo, dovrebbe eseguire alcune figure di volo (volo stazionario, rotazione in discesa…). Da fermo sarà autosufficiente con una propria capacità di interpretare e eseguire le istruzioni ricevute da Terra. Anche in volo sarà autonomo e svolgerà la sua missione seguendo il piano di volo registrato nella sua memoria interna.
Quando il rover Sojourner è atterrato su Marte nel 1997, ha dimostrato che viaggiare sul Pianeta Rosso era possibile e ha completamente ridefinito il nostro approccio al modo in cui esploriamo Marte. Allo stesso modo, vogliamo saperne di più sul potenziale di Ingenuity per il futuro dell'esplorazione robotica e scientifica, spiega Lori Glaze, Direttore della Divisione di Scienze Planetarie della NASA. Se Ingenuity riesce a decollare e librarsi su questo primo volo, il 95% degli obiettivi del progetto sarà raggiunto. Seguiranno altri voli più arditi, con durate massime di più o meno 3 minuti, ad un'altitudine compresa tra i 3-5 metri, con una distanza percorsa intorno ai 50 m. Ingenuity non porta strumenti scientifici a bordo, quindi non ha obiettivi scientifici. Ha solo due fotocamere per fotografare il terreno verticalmente e in orizzontale. I dati acquisiti dalle telecamere verranno utilizzati per testare l'interesse di utilizzare voli di ricognizione ottica e per dimostrare la fattibilità di operare e utilizzare su Marte un elicottero autonomo e più grande. Non c'è dubbio che un drone e un rover si completano a vicenda con varie possibilità di impiego come voli di ricognizione per i percorsi dei rover: esplorare alcune aree di interesse difficilmente raggiungibili per i rover e posizionare strumenti su un terreno accessibile solo per via aerea. In previsione di future missioni con equipaggio, sono molto varie le combinazioni d’uso congiunto dei vettori.
(consultazione: nel futuro - viaggio su marte, art. (1) e (2) nov.2020); jean-marc moschetta, isae-supaéro - hervé bézard de l'onera, thèse de doctorat; thibault désert; futura science; futura alert )
