NASA asamblează în Maryland o dronă spațială alimentată nuclear, de dimensiunea unui automobil, care va explora Titan, satelitul lui Saturn, începând din 2034. Dragonfly are opt rotoare și profită de condițiile neobișnuite de pe Titan: atmosfera este de peste patru ori mai densă decât cea a Pământului, iar gravitația este de aproximativ șapte ori mai slabă, astfel încât zborul este mult mai eficient decât pe Terra. Calculele arată că pentru menținerea staționării în aer ar fi necesară o putere de aproximativ 40 de ori mai mică decât în condiții similare pe Pământ, potrivit spacedaily.com.
Dragonfly nu mai este doar un desen al unei nave spațiale sau un prototip pentru testarea rotoarelor. Aeronava de dimensiunea unui automobil, destinată Titanului, are acum un fuselaj pentru zbor de aproape patru metri, iar inginerii de la Johns Hopkins Applied Physics Laboratory din Laurel, Maryland, instalează sistemele mecanice, termice și electrice care o vor transforma într-o navă spațială funcțională.
Expresia „octocopter alimentat nuclear” este corectă, dar are nevoie de o precizare utilă. Un generator radioizotopic va furniza căldură și energie electrică constantă, în timp ce bateriile reîncărcabile vor furniza scurtele impulsuri de putere mare necesare pentru a pune rotoarele în mișcare. Fizica Titanului face apoi ca aceste rotoare să fie mult mai eficiente decât aceeași configurație pe Pământ.
Structura de zbor a Dragonfly este acum asamblată
Înainte de predarea structurii, inginerii au suspendat-o de corzi elastice și au măsurat modul în care vibrațiile se propagau prin aceasta. De asemenea, au presurizat învelișul pentru a identifica eventualele scurgeri prin care ar putea pătrunde atmosfera densă a Titanului, extrem de rece. Acestea nu sunt teste cosmetice. Vibrațiile rotoarelor pot perturba instrumentele și structurile, în timp ce eventualele scurgeri determină cât de mult trebuie să lucreze sistemul termic pentru a proteja componentele electronice într-un mediu în care temperatura este de aproximativ minus 179 de grade Celsius.
Titan oferă unei aeronave grele o atmosferă neobișnuit de favorabilă
La suprafața Titanului, densitatea atmosferei este de aproximativ 4,5 ori mai mare decât valoarea de la nivelul mării pe Pământ, în timp ce gravitația de la suprafață este de aproximativ șapte ori mai mică decât cea terestră. Aceste două valori au roluri diferite. Aerul dens oferă unui rotor o masă mai mare pe care să o împingă în jos. Gravitația redusă înseamnă că o navă spațială cu o anumită masă are o greutate mult mai mică pe care rotoarele trebuie să o susțină.
Inginerul aerospațial Jack Langelaan, de la Penn State, membru al echipei de zbor a misiunii, rezumă rezultatul pe pagina sa dedicată ingineriei Dragonfly: menținerea staționării în aer pe Titan necesită aproximativ de 40 de ori mai puțină putere decât în cazul unei comparații echivalente pe Pământ. Acesta este motivul pentru care titlul se referă la densitate, nu doar la presiunea de la suprafața Titanului, de aproximativ 1,5 ori mai mare decât cea de pe Pământ. Presiunea și densitatea sunt corelate, dar nu sunt interschimbabile.
De unde provine factorul 40
Estimarea rezultă din teoria ideală a impulsului, utilizată ca primă aproximație pentru rotoarele aflate în staționare. Puterea indusă variază în funcție de greutatea ridicată la puterea de trei jumătăți, apoi scade în funcție de rădăcina pătrată a densității aerului și de suprafața totală a discurilor rotoarelor. Greutatea este, la rândul ei, masa înmulțită cu gravitația locală.
În termeni simpli, Titan oferă un avantaj dublu. Împărțirea gravitației la aproximativ șapte reduce considerabil forța pe care aeronava trebuie să o susțină. Înmulțirea densității atmosferei cu mai mult de patru permite rotorului să producă această portanță accelerând o masă mai mare de gaz printr-o modificare mai mică a vitezei. Atunci când se face comparația între mase identice și rotoare similare, aceste efecte produc reducerea aproximativă de 40 la unu.
Prin urmare, cifra reprezintă o comparație fizică calculată, nu o măsurătoare directă a navei spațiale finalizate în zbor pe Titan. De asemenea, nu este o afirmație potrivit căreia fiecare consumator electric de la bordul Dragonfly ar scădea cu același factor.
Zborul real este mai dificil decât staționarea ideală
Dragonfly are opt rotoare dispuse în patru perechi coaxiale. Rotorul superior și cel inferior din fiecare pereche împart aceeași axă, astfel încât fluxurile de aer generate de ele interacționează. Paletele reale creează, de asemenea, rezistență aerodinamică; motoarele și transmisiile pierd energie; iar aeronava trebuie să urce, să coboare, să se deplaseze, să vireze și să reacționeze la vânturi, în loc să rămână într-o staționare perfectă.
Acesta este motivul pentru care misiunea a efectuat teste la scară completă ale rotoarelor în tunelul Transonic Dynamics Tunnel pentru gaze grele al NASA Langley și teste suplimentare descrise în actuala prezentare NASA privind ingineria zborului. Cifra de 40 de ori explică de ce conceptul este viabil. Datele din tunelul aerodinamic și modelele detaliate determină dacă designul real este viabil, cu un control și o marjă de siguranță adecvate.
Sursa nucleară încarcă bateriile și menține nava caldă
Generatorul termoelectric radioizotopic multifuncțional al Dragonfly, sau MMRTG, transformă căldura produsă de dezintegrarea naturală a plutoniului-238 în electricitate. Nu este un reactor de fisiune și nu acționează mecanic rotoarele. Explicația NASA privind alimentarea radioizotopică pentru Dragonfly precizează că generatorul va reîncărca bateria landerului, iar bateria va furniza energia necesară zborului și activităților științifice solicitante.
Celălalt produs, căldura, este la fel de important. Lumina solară la Saturn este slabă și filtrată de ceața Titanului, în timp ce suprafața este suficient de rece pentru a transforma gheața de apă într-un teren extrem de dur. Căldura reziduală a MMRTG va menține instrumentele și componentele electronice în intervalul de temperatură necesar funcționării, în timp ce generatorul va reface constant încărcarea bateriilor între zboruri.
Opt rotoare transformă un singur lander într-un explorator regional
Zborul schimbă geografia unei misiuni care a ajuns la sol. Dragonfly poate preleva probe dintr-o locație, poate cerceta un traseu din aer și se poate deplasa câțiva kilometri către un alt mediu chimic și geologic. Profilul actual al misiunii NASA prevede o misiune planificată de 3,3 ani la suprafață, zborurile fiind în general separate de una sau două zile titaniene. O zi pe Titan durează aproximativ 16 zile terestre.
Traseul planificat începe printre dunele ecuatoriale bogate în materie organică și se extinde spre craterul Selk, unde un impact străvechi ar fi putut amesteca la un moment dat apa lichidă cu materia organică de la suprafață. Dragonfly este concepută pentru a investiga habitabilitatea și chimia care precede apariția vieții, nu doar pentru a anunța că a găsit viață. Pentru o prezentare mai amplă a destinației și a obiectivelor instrumentelor, SpaceDaily are o explicație anterioară despre Dragonfly.
Sfârșitul lui 2034 este ținta actuală, nu o promisiune
NASA indică în prezent o lansare nu mai devreme de iulie 2028 și sosirea pe Titan la sfârșitul lui 2034. Călătoria de șase ani este doar o parte a misiunii. Dragonfly trebuie să fie lansată în interiorul unei etape de croazieră și al unui scut aerospațial, să supraviețuiască în spațiul interplanetar, să intre în atmosfera Titanului, să coboare cu ajutorul parașutelor și să se desprindă pentru zbor propulsat înainte de a ajunge la suprafață.
Programele misiunilor planetare se pot modifica pe măsură ce se schimbă hardware-ul, bugetele și gradul de pregătire pentru lansare. Cu toate acestea, începerea integrării sistemului de zbor marchează o tranziție clară. Dragonfly este acum o navă spațială care este asamblată și testată, nu doar o misiune care așteaptă să fie construită.
Aerul și gravitația Titanului fac ca zborul unei aeronave cu rotoare să fie remarcabil de permisiv. Ele nu fac nava spațială simplă. Realizarea inginerească constă în folosirea acestei fizici favorabile și, în același timp, în construirea unei mașini capabile să supraviețuiască tuturor etapelor dintre o cameră curată din Maryland și o aterizare la peste un miliard de kilometri distanță.