I quadricotteri robotici potrebbero offrire voli Zero G a buon mercato

Uno dei trionfi dell'ingegneria aeronautica dal nome comico è la cometa vomito, un aereo che vola su una traiettoria parabolica per simulare le condizioni di zero g. Questi aerei sono utilizzati dagli astronauti per allenarsi in condizioni di assenza di gravità per intervalli di circa 25 secondi e da persone che vogliono semplicemente sperimentare zero g. Gli aerei hanno avuto anche altri utenti: le scene senza peso del film Apollo 13 sono stati tutti filmati all'interno di una cometa vomito a zero g.

Le comete vomitate sono anche una delle opzioni a disposizione degli scienziati per condurre esperimenti in condizioni di microgravità. Ma le comete vomitate non sono economiche, costano fino a $ 3.000/chilogrammo; e devono essere prenotati con mesi o anni di anticipo, quindi ripetere un esperimento che in qualche modo è andato storto può essere spesso difficile.

Un'altra opzione è una torre a caduta. Questi hanno una rapida inversione di tendenza e sono semplici da prenotare. Ma in primo luogo sono proibitivi.

E l'ultima opzione, un volo sulla Stazione Spaziale Internazionale o un'astronave su misura, è proibitiva per quasi tutti.

Quindi gli scienziati vorrebbero avere un'alternativa più economica e veloce, almeno per testare progetti di prova di principio prima di intraprendere opzioni più costose.

Questo diagramma mostra le forze che un quadricottero a g zero con rotori a passo variabile potrebbe produrre

Oggi hanno il loro desiderio, o vi sono vicini, grazie al lavoro di Juan-Pablo Afman e dei suoi amici del Georgia Institute of Technology di Atlanta. Questi ragazzi hanno avuto l'idea di utilizzare un quadricottero autonomo per creare condizioni di zero g per brevi periodi. La loro soluzione è altamente flessibile, facilmente ripetibile e soprattutto a basso costo.

I loro obiettivi sono facili da stabilire. Vogliono almeno cinque secondi di caduta libera, per operare entro i vincoli normativi e per fare tutto questo con un sistema che costa meno di 25.000 dollari.

Non è così facile come sembra. Afman e compagni hanno subito scoperto che far volare un quadricottero a grande altezza e spegnere i suoi motori non genera zero g a causa della resistenza dell'aria durante la caduta.

Peggio ancora, le forze che agiscono sui rotori generano gravi instabilità che rendono difficile il recupero del veicolo, anche quando i motori vengono riaccesi. Poiché le forze di spinta sono quasi zero, il veicolo non è in grado di mantenere l'assetto corretto durante la manovra e i risultati sono catastrofici, dicono.

Il problema è che il tipo di rotori a piano fisso che sono standard sulla maggior parte dei quadricotteri non possono produrre le forze necessarie per mantenere lo zero g o per stabilizzare l'imbarcazione durante la caduta libera. Quindi il team ha dovuto inventare un proprio design del rotore a passo variabile per dargli il controllo sull'imbarcazione in sei gradi di libertà in ogni momento.

Ci sono vincoli normativi, ovviamente. Uno dei più significativi è che i quadricotteri non possono volare sopra i 120 metri circa in Europa o negli Stati Uniti né possono pesare più di circa 25 chilogrammi, il che limita gli esperimenti che possono trasportare.

Ma ciò consente comunque al team di progettare traiettorie che producono zero g per un massimo di cinque secondi mantenendo il pieno controllo del veicolo.

Per sicurezza, il team definisce anche un volume geografico di spazio all'interno del quale il quadrirotore deve rimanere in ogni momento. Questo è definito da quanto lontano percorrerebbe balisticamente il veicolo se perdesse potenza in qualsiasi momento. Lo chiamano geofence e garantisce una relativa sicurezza.

Il team ha anche creato il software che consente agli utenti di progettare traiettorie con diversi profili di tempo g zero per esperimenti specifici.

Nonostante un'impressionante quantità di lavoro di preparazione a terra, il team non ha ancora eseguito alcun volo a zero g, principalmente a causa dei ritardi con la progettazione del rotore. Dovremo solo vedere le prestazioni del dispositivo: promettono di effettuare alcuni voli zero g alla fine del 2016.

Nel frattempo, il lavoro è un promettente passo avanti per la ricerca zero g. Il prezzo del sistema lo rende accessibile a un'ampia gamma di istituti e forse anche alle scuole. Ciò dovrebbe annunciare un nuovo interesse per gli esperimenti senza peso e che possono essere raggiunti con poco o nessun vomito.

Rif: arxiv.org/abs/1611.07650 : Sulla progettazione e ottimizzazione di un robot aereo autonomo che abilita la microgravità

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