I ricercatori della NASA stanno sviluppando il futuro del volo su Marte, gettando le basi per elicotteri in grado di volare più in alto e più lontano, conducendo al contempo attività scientifiche sul Pianeta Rosso. Attraverso simulazioni al computer ad alta fedeltà e test in galleria del vento, gli ingegneri stanno ripensando le pale dei rotori che potrebbero equipaggiare la prossima generazione di velivoli destinati a Marte. L’elicottero Ingenuity della NASA ha fatto la storia diventando il primo velivolo a motore a volare su un altro pianeta. La missione SkyFall, il cui lancio è previsto per il 2028, raccoglie questa eredità con tre elicotteri destinati all’esplorazione di Marte. Entrambe le missioni utilizzano pale progettate per operare nella sottile atmosfera marziana, caratterizzate da un bordo curvo che ricorda, pur distinguendosene, quello delle pale impiegate sulla Terra.
Un nuovo profilo alare
I ricercatori stanno esplorando design non convenzionali, con pale più sottili e affilate, con l’obiettivo di consentire alle missioni successive a SkyFall di estendere il raggio d’azione dei singoli voli sul suolo marziano. Un team dell’Ames Research Center della NASA, nella Silicon Valley (California), sta collaborando con l’Imperial College di Londra (Regno Unito) e l’Università di Nagoya (Giappone) per testare una nuova sezione trasversale della pala – il profilo alare – che promette di migliorare significativamente le prestazioni aerodinamiche su Marte.
Il nuovo profilo alare, denominato “roamx-0201“, è stato progettato utilizzando simulazioni avanzate e algoritmi tarati sulle condizioni marziane, che hanno orientato i ricercatori verso una forma più sottile e asimmetrica. I successivi test in galleria del vento hanno dimostrato che questo design ottimizzato incrementa le prestazioni e offre una maggiore capacità di recupero in condizioni di volo critiche.
Le prestazioni di roamx-0201
I ricercatori hanno impiegato strumenti di simulazione ad alta fedeltà per analizzare le prestazioni del profilo alare roamx-0201, confrontandole con le capacità di Ingenuity. È emerso che, grazie a queste pale riprogettate, i futuri elicotteri marziani potrebbero estendere la distanza percorribile in un singolo volo ininterrotto: passando dagli 0,7 chilometri di Ingenuity fino a 18,7 chilometri, pur trasportando strumentazione scientifica. I risultati sono stati illustrati in un articolo pubblicato sull’AIAA Journal. Le pale roamx-0201 hanno offerto buone prestazioni, in parte grazie alla loro capacità di operare più a lungo a velocità elevate prima di incorrere nel fenomeno noto come “divergenza della resistenza” (drag divergence): una condizione in cui le prestazioni subiscono un calo improvviso quando i rotori si avvicinano alla velocità del suono – che su Marte è inferiore rispetto alla Terra.
Il ruolo della turbolenza
Il nuovo profilo della pala si distingue inoltre dai modelli precedenti per il modo in cui sfrutta la turbolenza per generare portanza. Quando l’aria scorre sulla pala di un velivolo a rotore, si forma un sottile strato d’aria chiamato “strato limite” (boundary layer). Il nuovo profilo alare altera intenzionalmente il flusso di tale strato limite in corrispondenza del bordo d’attacco, creando una perturbazione che – in modo controintuitivo – spinge la pala verso l’alto, contribuendo a sollevare il velivolo in modo più efficace rispetto alle soluzioni precedenti.
La sfida dello stallo
Un’altra sfida per i velivoli a rotore è lo “stallo“, una condizione aerodinamica in cui le prestazioni crollano drasticamente e il volo diventa instabile in seguito a una variazione dell’angolo di incidenza del flusso d’aria. Le pale di Ingenuity subivano un marcato degrado delle prestazioni in condizioni di stallo; al contrario, nelle condizioni analizzate, il design roamx-0201 ha mostrato un comportamento decisamente migliore. Ciò significa che i futuri elicotteri potrebbero operare in sicurezza entro un intervallo più ampio di angoli di volo.
Verso elicotteri marziani più efficienti
Sebbene la tecnologia non sia ancora pronta per l’impiego su Marte, i test stanno aiutando gli ingegneri a comprendere e risolvere le discrepanze tra le previsioni computazionali e le prestazioni reali. Le ricerche attualmente in corso presso la NASA mirano a sviluppare elicotteri marziani più efficienti, capaci di coprire distanze maggiori, trasportare un carico utile più consistente e aprire la strada a nuove missioni scientifiche e di scoperta.