L’esplorazione spaziale si affiderà sempre di più agli unmanned vehicles (veicoli non pilotati) per studiare altri mondi. Questi strumenti, privi di equipaggio umano, offrono un vantaggio cruciale nell’esplorare ambienti ostili e lontani, riducendo rischi e costi. La loro capacità di operare in condizioni estreme, come su Marte o altri pianeti, apre nuove frontiere senza mettere a rischio la vita umana. I veicoli non pilotati consentono missioni prolungate e mirate, facilitando la raccolta continua di dati, svolgendo compiti specifici con precisione e preparando il terreno per future missioni umane.

Tra questi veicoli, sempre di maggior rilievo sono gli autonomous unmanned vechicles, dotati di sensori avanzati e sistemi di guida autonoma, capaci di prendere decisioni senza necessità di un controllo diretto da Terra. La loro autonomia consente missioni più complesse, perché possono adattarsi in tempo reale a situazioni impreviste, regolare le proprie attività e prendere decisioni basate su dati e algoritmi. Ciò li rende ideali per esplorare ambienti in cui la comunicazione con la Terra è limitata o ritardata.

Una categoria di autonomous unmanned vechicle è quella degli aeromobili (UAVs, unmanned aerial vehicles). Anche se adatti solo a corpi planetari dotati di atmosfera, permettono di esplorare ambienti difficili da raggiungere, effettuare ricognizioni, mappare il terreno e supportare missioni di ricerca. Quello che da più due anni sta facendo l’elicottero Ingenuity della NASA su Marte.

In questi due anni abbiamo avuto modo di testare su due diversi pianeti i rotori che serviranno per l’esplorazione spaziale del futuro tramite droni ed elicotteri. Qui sulla Terra, presso il simulatore spaziale del JPL in California, gli ingegneri hanno provato un nuovo sistema a doppio rotore per la prossima generazione di veicoli non pilotati su altri pianeti. Le pale di questo nuovo rotore hanno raggiunto velocità quasi supersoniche (0.95 Mach).

Nel frattempo, Ingenuity ha raggiunto nuovi record di altitudine e velocità sul Pianeta Rosso, in condizioni di un’atmosfera sottilissima e una gravità significativamente inferiore rispetto alla Terra.

Ingenuity, il primo elicottero su un altro pianeta

Ingenuity ha iniziato la sua vita su Marte come dimostrazione tecnologica, che avrebbe dovuto eseguire un totale di 5 voli per essere dichiarata un successo. Ha volato per la prima volta il 19 aprile 2021, restando sospeso a 3 metri per 30 secondi. Altri quattro voli in altrettante settimane hanno aggiunto 499 secondi, con altri 357 metri di volo orizzontale.

Dopo aver dimostrato che il volo era possibile su Marte, Ingenuity è entrato in una fase di dimostrazione operativa nel maggio 2021 per mostrare come lo scouting aereo potrebbe favorire la futura esplorazione di Marte e di altri mondi. Ogni volta che Ingenuity vola, sorvola nuovi territori, offrendo una prospettiva che nessuna missione planetaria precedente avrebbe potuto raggiungere.

Di recente, l’8 novembre il JPL ha confermato che Ingenuity ha completato con successo il 65esimo e 66esimo volo su Marte. Questi due voli sono stati brevi, della durata di 48 secondi il primo e 23 il secondo. Sono serviti a spostare l’elicottero marziano in una posizione ad hoc per via della congiunzione solare di Marte, verificatasi qualche giorno fa. Ora per circa 2 settimane il team di missione ha fermato l’invio di comandi da Terra.

In precedenza, durante il volo numero 59 sono stati catturati due diversi video, che vediamo messi a confronto qui sotto. A sinistra, quello registrato dalla Mastcam-Z sul rover Perseverance. A destra, in bianco e nero, il video ripreso dalla Navcam rivolta verso il basso di Ingenuity. Il volo è avvenuto il 16 settembre. Credits: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

Il simulatore spaziale del JPL

Costruito nel 1961, il simulatore spaziale situato presso il JPL è progettato per simulare condizioni interplanetarie estreme come freddo intenso, vuoto atmosferico e radiazione solare intensa. Questa camera, un cilindro in acciaio inossidabile, ha un diametro di prova di 8 metri e un’altezza di 26 metri. L’accesso per il carico degli elementi di prova avviene tramite una porta laterale di 4.5×7.6 metri.

Nel corso degli anni, questa struttura ha ospitato test per diverse sonde interplanetarie, tra cui Ranger, Mariner, Voyager, Galileo e Cassini. Recentemente, è servita per studiare il rover Perseverance e l’elicottero Ingenuity.

Nel 2019, Ingenuity è stato testato per diverse settimane all’interno della camera, in cui venivano simulate le condizioni marziane. La sottile atmosfera di Marte, principalmente composta da anidride carbonica e meno dell’1% della densità atmosferica terrestre, è stata ricreata per testare il piccolo elicottero marziano, la cui attrezzatura è stata attentamente controllata prima di essere rilasciata dal rover Perseverance per brevi voli. I ricercatori hanno anche simulato la debole gravità marziana, un terzo di quella terrestre, usando un sistema di scarico della gravità costituito da un cavo motorizzato collegato alla parte superiore dell’elicottero.

Un nuovo rotore testato qui a Terra

Il simulatore è stato utilizzato questo settembre per testare un nuovo sistema a doppio rotore, una sorta di level-up di Ingenuity. Presenta pale in fibra di carbonio, più di 10 centimetri più lunghe di quelle di Ingenuity. Presentano una maggiore resistenza e un design diverso. La NASA ritiene che potrebbero consentire la realizzazione di elicotteri marziani più grandi, e con maggiori capacità. La sfida è che quando le punte delle pale si avvicinano a velocità supersoniche, le turbolenze causano intense vibrazioni.

Nel corso di tre settimane, un team ha monitorato sensori, misuratori e telecamere del nuovo rotore. Le pale, volo dopo volo, resistevano a velocità sempre più elevate e angoli di inclinazione sempre maggiori. Sono arrivate a resistere a velocità supersoniche. Tyler Del Sesto, vice conduttore dei test, ha affermato:

Abbiamo fatto girare le pale fino a 3500 giri al minuto, ovvero 750 giri al minuto più veloci di quanto abbiano mai fatto le pale Ingenuity. Ora sono più di un semplice test: sono pronte a volare.

Nel video seguente, un recap dei test sul sistema a doppio rotore testato al JPL. Credits: NASA/JPL-Caltech

Un test di volo dopo l’altro

Più o meno nello stesso periodo, e a circa 161 milioni di chilometri di distanza, anche Ingenuity veniva sottoposto a una serie di test. Nel corso degli ultimi nove mesi, il team di missione ha raddoppiato la velocità massima e l’altitudine dell’elicottero marziano, aumentato il tasso di accelerazione verticale e orizzontale e diminuendo la velocità di atterraggio.

I voli Ingenuity durano solitamente circa due o tre minuti, principalmente limitati dalla temperatura raggiunta dal rotore e dall’energia a disposizione. Sebbene l’elicottero possa coprire più terreno in un singolo volo volando più velocemente, volare troppo velocemente può creare problemi al sistema di navigazione di bordo. Questo sistema, infatti, utilizza una telecamera che riconosce le rocce e altri elementi della superficie mentre si muovono attraverso il suo campo visivo. Se queste caratteristiche sfrecciano via troppo velocemente, il sistema può perdere la strada.

Quindi, per ottenere una velocità al suolo massima più elevata, il team invia comandi a Ingenuity per volare ad altitudini più elevate, in modo da mantenere le caratteristiche in vista più a lungo. Con il volo 61, Ingenuity ha raggiunto il traguardo di altitudine di 24 metri, mentre con il volo 62 ha stabilito un record di velocità di 10 metri al secondo.

Alzarsi e abbassarsi in volo su un altro mondo

Nel corso di questi due anni, e in particolar modo degli ultimi mesi, il team di missione ha provato diversi test sulla velocità di atterraggio di Ingenuity. L’elicottero è stato progettato per entrare in contatto con la superficie a una velocità relativamente elevata di 1 m/s, in modo che i suoi sensori di bordo potessero facilmente confermare il touchdown e spegnere i rotori prima che potesse rimbalzare in aria.

Un elicottero che atterra più lentamente potrebbe essere progettato per un atterraggio più leggero. Quindi, con i voli 57, 58 e 59 gli ingegneri hanno dimostrato che Ingenuity poteva atterrare a velocità inferiori del 25% rispetto a quelle per cui l’elicottero era stato originariamente progettato.

A dicembre, dopo la congiunzione solare di Marte, Ingenuity dovrebbe effettuare due voli ad alta velocità, durante i quali eseguirà ancora una volta una serie di test progettati per misurare le sue prestazioni. I dati saranno estremamente utili per mettere a punto i modelli aeromeccanici sul comportamento degli aeromobili su Marte.