Las complejidades de diseño para el vuelo marciano

Si el X-59 representa el control del flujo compresible a alta cota en la Tierra, el hito aerodinámico más extremo de nuestro tiempo ha tenido lugar a cientos de millones de kilómetros de distancia, en el cráter Jezero de Marte. El 19 de abril de 2021, el helicóptero coaxial Ingenuity de la NASA ejecutó el primer vuelo propulsado y controlado de una aeronave en otro planeta, iniciando una campaña que culminó tras 72 vuelos el 18 de enero de 2024. Desde el punto de vista de la ingeniería aeronáutica, volar en Marte plantea una paradoja aerodinámica de primer orden que combina simultáneamente los problemas de los microdrones de interior con las limitaciones de compresibilidad de los rotores de alta velocidad.

La atmósfera marciana, compuesta en un 95 % por dióxido de carbono (), posee una presión superficial media de apenas 6 a 7 milibares y una densidad de entre 0,015 y 0,020 kilogramos por metro cúbico, lo que equivale aproximadamente al 1 % de la densidad atmosférica terrestre al nivel del mar (o a las condiciones existentes en la Tierra a unos 100.000 pies de altitud). Aunque la aceleración de la gravedad en Marte es un 38 % de la terrestre (), sustentar una masa de 1,8 kilogramos en un fluido cien veces menos denso obligó a diseñar dos rotores contrarrotatorios de fibra de carbono de 1,21 metros de diámetro que debían girar a unas 2.600 revoluciones por minuto.

Esa combinación de densidad ínfima, cuerdas de pala reducidas y alta velocidad de rotación atrapó a los diseñadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) y del Centro de Investigación Ames entre dos paredes físicas opuestas:

1. Régimen de número de Reynolds ultrabajo: Debido a la bajísima densidad del gas, el número de Reynolds basado en la cuerda de la pala () se situaba entre 11.000 y 19.000, frente a los varios millones habituales en el rotor de un helicóptero terrestre. Por debajo de un número de Reynolds crítico de aproximadamente 100.000, la capa límite permanece en estado laminar subcrítico, carece de energía cinética turbulenta para vencer los gradientes adversos de presión y se desprende de la superficie del perfil al menor incremento del ángulo de ataque, desplomando la relación entre sustentación y resistencia (). Para evitar la pérdida laminar, los ingenieros descartaron los perfiles clásicos de borde de ataque redondeado y desarrollaron perfiles específicos de flujo laminar ultradelgados (como el perfil clf5605) con bordes de ataque afilados y curvaturas precisas.
2. Límite de compresibilidad por número de Mach en punta de pala: Para compensar la falta de densidad, la solución intuitiva habría consistido en girar el rotor a 4.000 o 5.000 RPM. Sin embargo, dado que la atmósfera marciana es mucho más fría (con temperaturas medias de -60 °C) y está formada por moléculas de  de mayor masa molar que el nitrógeno y el oxígeno terrestres, la velocidad del sonido en la superficie de Marte desciende desde los 340 m/s de la Tierra hasta unos 233 m/s. A 2.600 RPM, las puntas de las palas de 1,21 metros de diámetro alcanzaban ya velocidades lineales de 165 m/s, lo que equivalía a un número de Mach de entre 0,7 y 0,8. Superar ese régimen de giro habría situado la punta de las palas en flujo transónico, generando ondas de choque locales, desprendimiento inducido por choque y un incremento prohibitivo del par motor requerido por las baterías.