Uno de los puntos fuertes de la misión Mars 2020 de la NASA, que debe despegar el próximo julio rumbo a Marte, es que llevará un pequeño helicóptero. Un punto fuerte al menos desde el punto de vista de la opinión pública, ya que se trata de un añadido de última hora que tendrá poco interés científico (de hecho, el equipo del rover 2020 se opuso firmemente a la inclusión del helicóptero en un primer momento). En cualquier caso, vamos a tener la oportunidad de ver en acción el primer helicóptero en el planeta rojo. Se trata de un vehículo muy pequeño y, sobre todo, extremadamente ligero, de menos de 1,8 kg. Pero, ¿qué sonido hará al volar por Marte? Lo lógico sería pensar que, debido a su pequeño tamaño, el ruido de los rotores fuese más bien agudo, como el de un insecto zumbón. Pues no. Atentos al siguiente vídeo:

Efectivamente, el ruido del helicóptero marciano es muy grave, más parecido a la sirena de las máquinas alienígenas asesinas de la última película de La guerra de los mundos que al de un helicóptero (y, antes de que nadie se lo pregunte, el ruido es auténtico a pesar de que, obviamente, se trata de una prueba realizada en la Tierra porque se ha simulado la presión atmosférica marciana en una gran cámara de vacío). Este extraño sonido se debe a que Marte —y la cámara de vacío de las pruebas— tiene una atmósfera extremadamente tenue, de solo el 0,7% de la terrestre. Eso significa que, si fuéramos capaces de sobrevivir al ambiente hostil de Marte sin un traje espacial, oiríamos los sonidos mucho más apagados. La baja densidad, junto con la composición química de la atmósfera —dióxido de carbono en su práctica totalidad—, son los factores que reducen la frecuencia del zumbido del helicóptero.

Bien es cierto que la diferencia no debería ser demasiado dramática, pero no es posible probar el helicóptero marciano en la atmósfera terrestre porque ha sido diseñado para volar en Marte. Si se activase en la Tierra no lograría levantar el vuelo debido al elevado rozamiento del rotor con la atmósfera terrestre y terminaría por romperse. Por ahora no se han podido grabar los ruidos de la superficie marciana —la sonda InSight lo ha hecho de forma indirecta—, pero, precisamente, el rover Mars 2020 llevará un micrófono que nos permitirá oír el viento y, quizás, el helicóptero. El helicóptero marciano —por el momento se denomina simplemente así, Mars Helicopter (MH) o Mars Helicopter Scout (MHS)— viaja en la «barriga» del rover Mars 2020, que lo «dejará caer» en una zona adecuada. Antes de cada vuelo, el rover se alejará por motivos de seguridad. Los vuelos del helicóptero serán más bien saltos, ya que solo puede mantenerse en el aire durante unos dos minutos.

Marte es uno de los mundos rocosos del sistema solar con atmósfera donde resulta más difícil volar, por detrás de la Tierra, Titán y Venus. Aunque la gravedad marciana es solo un tercio de la terrestre —un 38% para ser exactos—, la baja densidad de la atmósfera hace que tengas que moverte muy deprisa para que un avión pueda generar la sustentación suficiente si quiere mantenerse en el aire. Volar en Marte es como hacerlo en la Tierra a 30 kilómetros de altura, algo reservado para cohetes o aeronaves con motores exóticos tipo scramjet (como el X-43A). En el caso de un helicóptero, esto significa que las palas del rotor deben ser muy grandes o moverse a una velocidad enorme. Para el helicóptero marciano se ha elegido un diseño que incorpora ambas soluciones. Por un lado, se usarán dos rotores contrarrotatorios, cada uno con una masa de apenas 35 gramos, pero con un diámetro de 1,21 metros y una superficie mayor de lo que deberían tener en la Tierra. Por otro lado, la velocidad de rotación de las palas será de hasta 2800 revoluciones por minuto, unas cinco veces más rápido que la de un helicóptero terrestre.

Este diseño permite que el momento angular de ambos rotores se anulen, como en los helicópteros Kamov rusos, evitando la necesidad de añadir un rotor de cola. Además, tiene la ventaja de que el rotor superior aumenta la eficiencia del rotor inferior al incrementar el flujo de aire que pasa por este último. Cuanto más rápido gire el rotor, lograremos mayor sustentación, pero es importante evitar que las puntas de las palas superen la velocidad del sonido en Marte, que es más baja que en la Tierra (unos 230 m/s en el planeta rojo frente a 343 en nuestro planeta, aunque la velocidad del sonido en superficie de Marte fluctúa más fuertemente que en la Tierra). En el caso del helicóptero marciano, las puntas se mueven al 76% de la velocidad local del sonido. Dicho de forma más técnica, la atmósfera marciana obliga a diseñar superficies aerodinámicas para números de Reynolds muy bajos y números de Mach muy altos (el número de Reynolds mide, a grandes rasgos, la turbulencia de un fluido). Además, la baja gravedad marciana obliga a añadir un tren de aterrizaje bastante amplio para evitar que el helicóptero pueda caer de lado al aterrizar.

El helicóptero marciano podrá alcanzar velocidades verticales de hasta 2 m/s y horizontales de hasta 0,5 m/s, siendo capaz de girar o inclinarse en cabeceo unos 15º. Durante sus saltos de minuto y medio, el helicóptero usará navegación autónoma usando cámaras —que obtendrán imágenes a 30 frames por segundo— y un LIDAR. Los datos se enviarán a la Tierra a través del rover Mars 2020. Incorporará dos pequeños ordenadores, uno para navegación, con un procesador de cuatro núcleos Qualcomm Snapdragon 801 de 2,26 GHz, y otro ordenador encargado de las tareas de vuelo, con un microcontrolador ARM Cortex-R5. El software para el control de vuelo está escrito en lenguaje C++. El helicóptero se alimenta de una pequeña batería ion-litio con un mínimo de 36 Wh que se recarga gracias a un pequeño panel solar. La batería es capaz de proporcionar 500 vatios de potencia y un voltaje de 4,3 voltios.

Por este motivo, solo se podrá llevar a cabo, como mucho, un vuelo al día, ya que, además de volar, la batería se usará para calentar el helicóptero durante la noche, ya que no cuenta con RHUs de plutonio-238 como el rover (el 30% de la energía de la batería se emplea como reserva, el 25% para volar y el resto para mantener el vehículo caliente). Aunque la temperatura nocturna alcanza los -100 ºC en Marte, el helicóptero no puede permitir que la electrónica esté por debajo de -15 ºC. Los vuelos tendrán lugar alrededor de las 11 hora local para permitir la carga de la batería y el vehículo se elevará entre 3 y 10 metros, recorriendo unos 300 metros en horizontal. Cada vuelo durará un mínimo de minuto y medio, pero, al tratarse de una estimación conservadora, podrían durar algo más, especialmente durante las primeras semanas. La misión primaria durará un mes terrestre, aunque podría prolongarse si el helicóptero sigue en buenas condiciones.

La NASA lleva bastante tiempo intentando desplegar un helicóptero en Marte. A principios de este siglo, el JPL propuso una sonda similar a la Mars Pathfinder de 1997 que incluiría un pequeño helicóptero para explorar la zona de aterrizaje, pero el proyecto fue cancelado por su alto riesgo y poco interés científico. Si el helicóptero marciano es un éxito, en el futuro podríamos ver otras misiones con aplicaciones científicas. El centro Ames de la NASA está estudiando el MSH (Mars Science Helicopter), que, pese a su nombre, en realidad sería un hexacóptero de entre 5 y 20 kg capaz de trasladarse 3 kilómetros al día. La elección de un hexacóptero en vez del tradicional cuadricóptero es porque cuatro rotores no generarían el empuje necesario a no ser que su tamaño fuese mayor, con el consiguiente riesgo, como hemos visto, de superar la velocidad del sonido, creando todo tipo de turbulencias difíciles de controlar.

Referencias:

• https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Balaram_AIAA2018_0023.pdf
• https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-mars-helicopter-attached-to-mars-2020-rover