Ingenuity scalda i motori per il suo volo più lungo di sempre su Marte

Il 25esimo volo dell’elicottero marziano sarà tra quelli a più alto tasso di tensione. C’entrano la temperatura di Marte, quella dei motori e uno spostamento record di ben 704 metri.

Con lo spostamento aereo di domenica 3 aprile l’elicottero marziano targato NASA ha portato a segno il quarto volo tra quelli programmati per allontanarsi dalla regione “Séítah”. Il punto d’arrivo finale è il delta del fiume che scorreva qui miliardi di anni fa durante l’umido passato di Marte, nel quale il cratere Jezero ospitava un grande lago. Un’area particolarmente interessante per cercare le biosignature, tracce biologiche di un’antica vita microbica, che sono il principale obiettivo di investigazione del rover Perseverance.

In questo lavoro sta ricevendo un inatteso supporto aereo da Ingenuity, il drone sviluppato come dimostratore tecnologico ma che sinora ha dimostrato di avere pochi limiti. Siamo ormai ben oltre i 5 voli che, proprio un anno fa, stavano per iniziare. Dai pochi minuti di volo previsti siamo arrivati attualmente a quasi 44, con una distanza totale volata di 5,16 km.
Alla vigilia del 25esimo ci ha pensato Ben Morrell, ingegnere del JPL incaricato delle operazioni su Ingenuity, a raccontarci tramite il blog NASA dedicato alla missione Mars 2020 qualche dettaglio in più su ciò che ci aspetta e le motivazioni dietro a varie scelte operate dal team.

Prima del 24esimo volo i tecnici hanno dovuto prendere la complicata decisione di quale tragitto far compiere a Ingenuity per continuare lo spostamento programmato verso ovest.
Per aiutarci a capire la situazione ci vengono in soccorso alcune mappe.

Posizione di Perserverance e Ingenuity aggiornata al 7 aprile (Sol 401). Crediti: NASA
Mappa dettagliata della regione di Séítah in cui si trova attualmente Ingenuity. Le linee di diverso colore fanno riferimento ai tre possibili percorsi che sono stati considerati. Crediti: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/USGS

La volontà era quella di far muovere Ingenuity verso nord-ovest, per continuare ad accompagnare il rover che 21 giorni fa ha preso una strada più agevole per lui. Non mi dilungherò sulla piccola impresa di Perseverance che sta macinando centinaia di metri al giorno in completa autonomia grazie alle sue funzionalità di autonavigazione, compiendo lo spostamento più rapido mai effettuato da un rover marziano.

Nello scegliere il piano di volo migliore gli ingegneri hanno usato la loro grande conoscenza di Marte e delle potenzialità (e limiti) del velivolo.

Le mutevoli stagioni marziane

Già alla fine di ottobre, in occasione del decollo numero 14, Ingenuity aveva dovuto testare una importante modifica alle specifiche di volo, cambiando la velocità delle due eliche controrotanti. La ragione di questo era l’arrivo dell‘estate marziana: l’aumento delle temperature induce una riduzione nella densità atmosferica, che complica notevolmente le cose per un elicottero già al limite delle proprie possibilità tecniche. È così che si passò da una velocità di rotazione di 2537 rpm a 2700 giri al minuto. Questa è stata da allora la velocità impiegata in tutti i successivi voli. Attualmente la stagione calda è conclusa e nell’emisfero dove si trovano i due robot ci stiamo addentrando nell’autunno, caratterizzato da pressioni atmosferiche maggiori.

Andamento della pressione atmosferica su Marte secondo il modello in uso. Sono evidenziati i valori soglia per il volo di Ingenuity alla velocità di rotazione standard. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Volare a 2700 rpm non è stata sinora una scelta indolore. La maggior velocità operativa è accompagnata inevitabilmente da un surriscaldamento maggiore degli apparati dell’elicottero che raggiungono più velocemente la loro temperatura massima di funzionamento (AFT, Allowable Flight Temperature). Per non incorrere in problemi, il volo a elevati rpm ha imposto una riduzione del tempo massimo di funzionamento che è stato sinora limitato a massimo 130 secondi.

Poter tornare a volare alla velocità di rotazione di 2537 giri al minuto farà riguadagnare a Ingenuity il suo tempo di volo nominale di circa 150 secondi.

Rilevazione del suolo e calcolo della distanza percorsa

In virtù della sua natura di semplice dimostratore, Ingenuity è stato sviluppato per volare in linea retta su terreni pianeggianti. La sua analisi fotografica del terreno in tempo reale è tutto ciò che gli permette di stimare la distanza percorsa e la direzione di volo. Queste due informazioni, insieme all’altitudine e alla velocità di spostamento, sono praticamente tutto ciò che viene inserito nei piani di volo programmati: l’esatta gestione del volo viene compiuta autonomamente dal computer di bordo.
Nel momento in cui il drone si trova a volare sopra rilievi, rocce e porzioni di terreno inclinate, ecco che il suo meccanismo di calcolo si trova a rischio di fallimento con la conseguenza di sovra o sottostimare la distanza realmente coperta. Questo errore lo porta così ad atterrare all’interno di un ellisse di incertezza tanto più ampio quanto maggiore è la distanza coperta.

In aggiunta alle difficoltà presentate dal terreno marziano, lungo uno dei tre percorsi allo studio ci sono anche delle “interferenze” umane. Quelli indicati nella mappa come EDL hardware sono alcuni rottami del sistema di Entry Descent and Landing, in particolare gli apparati della sky crane che ha adagiato Perseverance sul suolo di Marte. Volare sopra di essi è un rischio non trascurabile per Ingenuity, che potrebbe rischiare di allargare pericolosamente il suo ellisse di atterraggio verso aree rischiose o inadatte all’atterraggio.

La temperatura operativa

I voli primaverili di Ingenuity si sono svolti alle 12 LMST (Local Mean Solar Time) per trarre vantaggio dalle prime ore di luce del mattino e ricaricare al massimo le batterie. Infatti la preziosa energia viene usata anche durante la notte marziana per riscaldare alcuni componenti particolarmente delicati che non reggerebbero temperature inferiori a -50°C e oltre.
Nei voli estivi si è scelto invece di volare alle ore 10, con un’atmosfera ancora fresca per cercare di ritardare il raggiungimento delle massime temperature di funzionamento. Nonostante questo accorgimento, Ingenuity si ritrovava regolarmente a sfiorarle ben prima che nei voli primaverili, costringendolo a spostamenti sensibilmente più brevi rispetto a quelli affrontati nella mezza stagione.

Attualmente, per cercare di guadagnare preziosi secondi di volo, gli ingegneri hanno così pensato di anticipare il volo di ulteriori 30 minuti marziani, alle 9:30, con l’obiettivo di guadagnare altri 10 secondi di operatività portandola teoricamente a ben 160. Tuttavia Ingenuity non ha mai volato così presto al mattino, e prima di lanciarsi in missione si faranno alcuni controlli. In particolare è necessaria una verifica dei suoi sistemi elettrici per appurare quale sia la carica della batteria in questi orari, per capire se risulti adeguata a un volo che potrebbe spingersi veramente ai limiti.

Un’altra considerazione che influisce sulla distanza di volo è legata alle manovre che vengono eseguite. Generalmente un volo di durata maggiore permette di percorrere distanze più lunghe, ma questo non è sempre vero. Infatti manovre quali i cambi di direzione vengono svolte lentamente e a elicottero fermo sul posto, comportando il consumo di alcuni secondi utili. Anche questo è da tenere in conto nella scelta del percorso da coprire.

Valutiamo le opzioni sul tavolo

Ora che abbiamo un quadro più completo della situazione, possiamo comprendere le ragioni alla base della scelta operata dal JPL che, se siete dei bravi investigatori, avrete già intuito almeno dalla mappa che vi ho presentato.

  • Opzione A: un unico, lungo volo a 2537 rpm con atterraggio in un’area sicura ma con durata prevista di 170 secondi. Inattuabile finché l’atmosfera non si raffredderà ulteriormente, e questo comporterebbe ritardare il ricongiungimento con Perseverance
  • Opzione B: due voli, ciascuno di durata inferiore ai 130 secondi ed effettuabili comodamente a 2700 rpm, quindi con nessun cambiamento rispetto agli ultimi 10 voli. Però c’è un passaggio su un’area accidentata e con i rottami dell’EDL. Il rischio è di allungare l’ellisse di atterraggio e finire in un’area pericolosa.
  • Opzione C: questa opzione prevede due voli di cui il primo molto breve e il secondo di 160 secondi, proprio il tempo massimo di volo che abbiamo stimato poco sopra per velocità di 2537 rpm. Entrambe le aree di atterraggio si trovano in regioni sicure, ma questa opzione richiede di volare alle 9:30 e sarebbe una novità assoluta.

Come vedete non ci sono soluzioni facili, ma si tratta sempre di trovare un compromesso. Davanti a queste opzioni il team del JPL ha optato proprio per la terza.
Il primo volo dei due previsti è stato proprio quello svoltosi domenica 3 aprile, già a 2537 rpm e con decollo alle 9:30 del mattino, che ha visto un agevole spostamento di soli 47 metri in poco meno di 70 secondi. Nel video qui sotto potete vedere gli istanti dell’atterraggio grazie ai 5 fotogrammi sinora rilasciati dalla NASA.

Il piano di volo per il successivo, il venticinquesimo, è stato già inviato nella giornata di lunedì 4 e consisterà in uno spostamento di 704 metri a una velocità di 5,5 metri al secondo (entrambi nuovi record), con una durata stimata di 161,5 secondi. Al momento della stesura di questo pezzo non ho ancora conferma del volo, ma è possibile che riceveremo qualche immagine dell’atterraggio nella giornata di oggi o domani.

Continuate a seguire qui i prossimi aggiornamenti.

Fonti:
https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/status/373/balancing-risks-in-the-seitah-region-flight-24/

Informazioni su Antonio Piras 40 Articoli
Ingegnere elettronico per lavoro, da sempre appassionato di scienza. Scopro l'osservazione astronomica grazie al telescopio della LIDL (ebbene sì) che mi svela le lune medicee un giorno prima di Galileo...ma 405 anni dopo. Da allora la passione cresce a dismisura e attualmente la coniugo alla fotografia, altro grande hobby.

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