NASA rompe a barreira do som com pás de helicóptero para Marte

Voar em Marte sempre pareceu quase inviável - e, em vários aspetos, é mesmo. A atmosfera do planeta é tão rarefeita que qualquer aeronave tem enorme dificuldade para se manter no ar.

Para gerar sustentação, é preciso extrair o máximo possível de pás giratórias que já trabalham muito perto do limite.

Mesmo assim, engenheiros da NASA conseguiram empurrar esse limite mais um pouco. Em testes recentes realizados na Califórnia, pás de rotor pensadas para futuros helicópteros marcianos ultrapassaram a barreira do som sem se desintegrar.

O feito é importante porque a NASA quer que as próximas aeronaves em Marte vão bem além do que a Ingenuity, o pequeno helicóptero que entrou para a história em 2021, conseguiu fazer.

A Ingenuity demonstrou que o voo com propulsão podia funcionar noutro planeta, mas não levava instrumentos científicos.

A próxima vaga de aeronaves para Marte deverá transportar câmaras, sensores, baterias e outros equipamentos - um conjunto capaz de ajudar astronautas e exploradores robóticos a estudar áreas a que os rovers não chegam com facilidade.

Testes de helicópteros para Marte

Os ensaios foram realizados dentro de uma câmara gigantesca no Laboratório de Propulsão a Jato (JPL), no sul da Califórnia.

Ali, a equipa reproduziu uma atmosfera semelhante à de Marte, rica em dióxido de carbono e com baixa pressão, e acelerou rotores experimentais progressivamente, enquanto jatos simulavam ventos marcianos.

No fim, os dados aumentaram a confiança da NASA de que helicópteros futuros poderão produzir muito mais sustentação do que antes.

“NASA had a great run with the Ingenuity Mars Helicopter, but we are asking these next-generation aircraft to do even more at the Red Planet”, disse Al Chen, gestor do Programa de Exploração de Marte no JPL.

“That's not an easy ask. While everything about Mars is hard, flying there is just about the hardest thing you can do. That's because its atmosphere is so incredibly thin that it is hard to generate lift, and yet Mars has significant gravity.”

O desafio de voar em Marte

A densidade atmosférica marciana é de apenas cerca de 1% da terrestre. Por isso, as pás de um helicóptero em Marte não podem contar com ar “grosso” para criar sustentação. Para compensar, os engenheiros precisam fazê-las girar muito mais depressa ou aumentar o seu tamanho.

Só que isso abre outra frente de risco: quando as pontas das pás se aproximam da velocidade do som, o escoamento do ar tende a ficar instável e difícil de prever.

Na Terra, pilotos e engenheiros convivem com esses efeitos há décadas, mas Marte acrescenta complexidade porque o som se propaga de outra forma por lá.

Na atmosfera fria marciana, a velocidade do som é de cerca de 870 km/h; na Terra, ao nível do mar, fica em torno de 1.220 km/h.

Ao longo dos 72 voos da Ingenuity, a NASA manteve a rotação do rotor abaixo de 2,700 revoluções por minuto. A ideia era preservar uma margem de segurança caso ventos marcianos empurrassem as pontas das pás para um regime supersónico.

“Se Chuck Yeager estivesse aqui, ele diria que as coisas podem ficar estranhas perto de Mach 1”, afirmou Jaakko Karras, do JPL, líder dos testes de rotores.

“Com isso em mente, planeámos os voos da Ingenuity para manter as pontas das pás em Mach 0.7 sem vento, para que, se encontrássemos um vento de proa marciano durante o voo, as pontas do rotor não ficassem supersónicas.

“Mas queremos mais desempenho dos nossos aviões marcianos de próxima geração. Precisávamos de saber que os nossos rotores conseguiriam ir mais rápido com segurança.”

Rotores de helicóptero em condições semelhantes às de Marte

Os experimentos aconteceram no histórico Simulador Espacial de 25 Pés (7,6 m) do JPL, uma câmara concebida para reproduzir ambientes espaciais severos.

Os engenheiros substituíram o ar interno por dióxido de carbono, em pressões parecidas com as de Marte. Em seguida, instalaram rotores protótipo produzidos pela AeroVironment e iniciaram a rotação.

A equipa chegou a revestir partes da câmara com chapas metálicas como precaução, caso as pás se partissem durante as medições - ninguém queria fragmentos a atravessar o interior a velocidades supersónicas.

Ao longo de 137 execuções, os rotores foram sendo exigidos passo a passo. A rotação subiu até 3,750 rpm, com as pontas das pás a atingir Mach 0.98 antes da introdução de ventos de proa. Depois, a equipa aumentou gradualmente a intensidade dos ventos dentro da câmara.

Pás de helicóptero para Marte atingem Mach 1.08

No auge, as pás chegaram a Mach 1.08. Isso representou cerca de 30% a mais de capacidade de sustentação - suficiente para suportar equipamentos científicos mais pesados e baterias maiores, permitindo voos mais longos.

A NASA também avaliou um segundo desenho de rotor associado ao conceito da missão SkyFall, planeado pela agência.

Como essas pás eram um pouco mais compridas, conseguiram velocidades semelhantes, muito próximas do regime supersónico, porém com taxas de rotação menores.

“O teste bem-sucedido destes rotores foi um grande passo para comprovar a viabilidade do voo em ambientes mais exigentes, o que é fundamental para veículos de próxima geração”, disse Shannah Withrow-Maser, aerodinamicista do Centro de Pesquisa Ames da NASA e integrante da equipa de testes.

“Nós achávamos que já seria sorte chegar a Mach 1.05, e atingimos Mach 1.08 nas nossas últimas execuções.”

A exploração de Marte está prestes a mudar

A proposta de missão SkyFall prevê enviar três helicópteros avançados a Marte em dezembro de 2028. O desenho do projeto já incorpora as lições obtidas nesses novos testes de rotores.

Para os cientistas, helicópteros estão entre as melhores soluções para investigar terrenos que rovers com rodas têm dificuldade em atravessar.

Escarpas, crateras profundas, campos de lava acidentados e paredes íngremes de cânions poderiam, de repente, tornar-se acessíveis.

Além disso, aeronaves podem reconhecer rotas à frente de astronautas ou rovers e recolher dados em locais onde nenhuma nave espacial jamais tocou.

A Ingenuity tinha sido planeada para realizar apenas alguns voos. Em vez disso, manteve-se ativa por quase três anos e tornou-se uma das demonstrações tecnológicas mais bem-sucedidas da NASA.

O helicóptero provou que voar em Marte era possível. E estes novos testes com pás indicam que a próxima geração poderá fazer muito mais do que pequenos saltos sobre o solo poeirento.