Ingenuity-helikoptern kan vara det första fordonet någonsin att flyga på Mars, men Mars var inte den första platsen den någonsin flugit. Innan du packar ihop den och spränger den till den röda planeten, ingenjörer vid JPL gav helikoptern en provkörning i en speciell vindtunnel designad med hjälp av forskare vid Caltech.

Att simulera att flyga på en planet där atmosfären är 100 gånger tunnare än jordens, en anpassad vindtunnel byggdes inuti en 85 fot hög, 25 fot i diameter vakuumkammare vid JPL, som Caltech förvaltar för NASA. Trycket i kammaren pumpades ner för att närma sig Mars-atmosfären, medan en uppsättning av 441 par individuellt styrbara fläktar blåste på helikoptern för att simulera flygning framåt i det slutna utrymmet.

Fläktarrayen designades och byggdes av JPL-ingenjörer med input från Caltechs Chris Dougherty och Marcel Veismann, som för närvarande är Ph.D. studenter som arbetar med Mory Gharib, Hans W. Liepmann Professor i Aeronautics and Bioinspired Engineering och Booth-Kresa Ledarskapsordförande för Caltechs Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST). Dougherty och Veismann hade tidigare övervakat design och montering av en liknande uppsättning av 1, 296 par fläktar till Real Weather Wind Tunnel på CAST, som öppnade 2017. Deras design använder vanliga datorkylningsfläktar (om än de mest kraftfulla som finns tillgängliga för närvarande).

"Den här typen av vindtunnel var särskilt väl lämpad för de avsedda tillämpningarna, eftersom konceptet med att använda en mängd små, billiga fläktar erbjuder en utrymmeseffektiv och kostnadseffektiv lösning jämfört med vindtunnlar med en fläkt, " säger Veismann. "Dessutom, dessa typer av fläktar är relativt robusta och säkra att använda, och modulariteten gjorde det möjligt för oss att testa hur väl väggen skulle fungera innan vi byggde den fullskaliga anläggningen."

Jason Rabinovitch, som var maskiningenjör på JPL och arbetade med att testa helikoptern, nådde ut till CAST-teamet 2017. "Jag hade tagit min doktorsexamen vid GALCIT [Graduate Aerospace Laboratories vid California Institute of Technology], så jag var medveten om CAST och dess faciliteter, säger Rabinovitch, som nu är biträdande professor i maskinteknik vid Stevens Institute of Technology i New Jersey.

Designa en helikopter för att flyga på Mars, som har lägre gravitation och mycket lägre lufttryck än jorden, presenterade en ny uppsättning utmaningar för JPL:s ingenjörer. Att helt enkelt testa helikoptern krävde nya faciliteter.

"Även i en stor vakuumkammare, vilket detta var, det skulle vara omöjligt att fritt flyga framåt på något meningsfullt sätt, " säger Dougherty. "Så för att testa flygningen framåt, det var antingen byggt den största vakuumkammaren genom tiderna, vilket skulle vara tids- och kostnadskrävande, eller hitta ett sätt att simulera de framåtgående flygförhållandena för Mars i en förseglad och rymdbegränsad miljö. Det är där våra fläktarrayer kommer in."

Dougherty och Veismann designade CASTs fläktarray för att simulera verkliga terrestra väderförhållanden i en delvis sluten miljö, tillåta forskare att testa obemannade flygfarkoster under realistiska förhållanden under Gharibs övervakning. Den 10 fot-x-10-fots arrayen är inrymd i en tre våningar hög drönararena. Ett datorprogram styr åtgärden för mer än 2, 000 individuella fans, tillåter ingenjörer att simulera nästan alla vindförhållanden som en drönare kan stöta på i den verkliga världen, från lätt vind till kuling.

"Om vi ​​vill bygga saker som kommer att fungera i den verkliga världen, vi måste testa dem i verkliga förhållanden. Det är därför på CAST, vi har anläggningar där autonoma system står inför realistiska utmaningar, säger Gharib, chef för CAST.

Ännu viktigare för Mars-helikoptern, fläktarrayens mjukvara ger den flexibiliteten att reproducerbart generera realistiska turbulenta flöden på begäran när varje fläkt skickar och tar emot information sekund för sekund.

"Vi hade många aerodynamiska frågor, " säger Rabinovitch. "Du vill förstå fordonets prestanda i en relevant miljö. Du vill se till att fordonet är stabilt när det flyger på Mars, och att den fungerar som förväntat under ett brett spektrum av manövrar."

kontraintuitivt, det var viktigt för testanläggningen Ingenuity att kunna generera stabila vindar i låg hastighet. Traditionella vindtunnlar, som har en gigantisk fläkt, är designade för att generera höghastighetsvindar för att testa flygplan som kommer att flyga i hundratals miles per timme. Teamet undersökte möjligheten att använda Transonic Dynamics Tunnel (TDT) som ligger vid NASA Langley Research Center, som är en vindtunnel som är kapabel att producera flödesförhållanden för att testa flygplan som färdas snabbare än ljudets hastighet på hög höjd på jorden. Ingenuity-helikoptern, i kontrast, färdas med cirka 10 meter per sekund, eller runt 20 miles per timme.

"Om vi ​​hade åkt till Langley, de skulle ha varit tvungna att gå på tomgång med fläkten för att få den vindhastighet vi letade efter, " säger Amiee Quon, en mekanisk integrationsingenjör på JPL som hjälpte till att testa helikoptern.

JPL Mars Helicopter-teamet säkrade användningen av en av JPL:s största vakuumkammare för projektet. Kammaren är 85 fot hög och 25 fot i diameter. Det tar ungefär två timmar att pumpa ut luften för att återskapa förhållandena i Mars atmosfär.

Att bygga en rad individuellt styrbara fläktar inuti en vakuumkammare är inte så enkelt som att bara montera enheterna och slå på dem. För en sak, själva naturen hos en vakuumkammare – det faktum att den är tätt försluten – betyder att det inte kan finnas flera ledningar som går in och ut. Alla in- och utgångar måste effektiviseras och minskas

Själva anläggningen har varit viktig för JPL:s Mars-uppdrag. "Det här är kammaren där vi gjorde de viktigaste termiska vakuumtesterna för alla Mars-rovers, som simulerar rymden genom att pumpa ut all luft och cykla genom höga och låga temperaturer. Vi var tvungna att hålla det rent, " säger Quon. "Vi var oroliga för smuts, men vi var också oroliga för avgasning från komponenterna på fläktarna." På grund av krav på föroreningskontroll, JPL-laget var tvungen att koppla om fansen, byta ut sina lagerhållare av polyvinylklorid (PVC) ledningsjackor med teflon som släpper ut färre kemiska gaser i luften.

"Det var väldigt roligt, men det fanns många detaljer att tänka på, ", säger Quon. "Vi tog en anläggning som inte alls är designad för vindtunneltestning och gjorde om den till en vindtunnel för första gången."

På grund av den tid som krävs för att pumpa ner kammaren för att efterlikna Mars extremt låga atmosfärstryck, eventuella fel som uppstod behövde åtgärdas på distans. För det, Dougherty och Veismann tog hjälp av Caltech Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF)-studenten Alejandro Stefan-Zavala.

"Den typ av fläktar som vi använder här har en inbyggd sensor som talar om hur snabbt de snurrar, och du måste skriva lite mjukvara för att komma åt den sensorn, " säger Stefan-Zavala. "Med 441 par fläktar, det finns många sensorer, och du vill veta i realtid vad som händer så att du kan diagnostisera om något inte fungerar som det ska."

När den inte är inne i en vakuumkammare, det är en enkel process:Man ansluter helt enkelt en USB-linje till den felaktiga komponenten och ansluter den till en bärbar dator. För att åstadkomma denna typ av felkorrigering i en vakuumkammare skulle det ha krävts 80 individuella USB-linjer för att bära tillräckligt med data för att styra fläktarna.

Istället, Stefan-Zavala utvecklade skräddarsydd mjukvara som fjärrövervakade fläktarna, och – om nödvändigt – uppmanade dem att automatiskt programmera om sig själva.

Projektets förstudie inleddes 2017 och testningen avslutades i mitten av september 2018. Med tanke på den pågående efterfrågan på vakuumkammaren för att simulera rymdmiljön – den används som en rymdsimulator av JPL-forskare – hade teamet väldigt lite tid att montera fläktarrayen, få det att fungera, gör testerna, och sedan bryta ner allt igen.

I slutet, fläktarrayen förblev monterad för bara några veckor. "Det var tight. Vi jobbade många nätter och helger, säger Rabinovitch.

Rabinovitch säger att han inte var förvånad över att det exceptionella tekniska kunnandet som behövs för att designa en första vindtunnel i sitt slag för att testa en helt ny teknik för Mars kom från studenter. "Dessa var Caltech-studenter, " säger han. "Jag blev inte förvånad över den kunskapsnivån."