Desempenho de Outro Mundo

No dia 19 de abril de 2021, uma aeronave terrestre voou pela primeira vez em outro planeta. Trata-se do Ingenuity (Engenhosidade, em português), um helicóptero elétrico desenvolvido pela NASA e comandado a partir da Terra.

Sendo um pequeno helicóptero, o Ingenuity precisa da atmosfera para erguer-se acima do solo usando seus rotores, diferentemente do que é observado em outros veículos espaciais, que utilizam foguetes. E assim, surge a curiosidade: para uma aeronave voar em Marte é mais fácil ou mais difícil que na Terra? Com um pouco de engenhosidade conseguiremos avaliar isso a partir das características de sua atmosfera e sua gravidade, e descobriremos se o Ingenuity tem um desempenho de outro mundo.

Vamos a alguns fatos:

• A aceleração da gravidade em Marte é de 3.721 m/s² na superfície, ou seja, cerca de 38% do valor correspondente na Terra, nas mesmas condições;
• A atmosfera de Marte é constituída essencialmente de dióxido de carbono (95%), nitrogênio (2.8%), argônio (2%) e oxigênio (0.2%), enquanto na atmosfera terrestre predominam os mesmos gases, porém em percentuais diferentes (nitrogênio com 78%, oxigênio com 21%, argônio com 0.9%, e o dióxido de carbono com 0.03%);
• A atmosfera de Marte também apresenta camadas semelhantes à da Terra: troposfera (0 a 40km), mesosfera (40 a 100km) e termosfera (100 a 230km);
• A pressão da atmosfera de Marte na base de sua troposfera é 610Pa e a temperatura é de 215K, resultando em uma densidade de 0.015kg/m³, assumindo uma constante de gás, R, igual à do CO₂ (188.92J/kg.K).

Nesta nossa avaliação, consideraremos um pequeno avião a hélice, semelhante a um Piper Cherokee, voando próximo ao solo.

Para esta aeronave, temos as seguintes características e condições de voo:

Parâmetro	Valor	Parâmetro	Valor	Parâmetro	Valor
Massa, m [kg]	750	Área da asa, SW [m²]	15.14	Velocidade, VT [m/s]	58.0
Coef. arrasto parasita, CD0	0.0349	Coef. arrasto induzido, k	0.0755	Rendimento da hélice, hp [%]	72.0

A tabela a seguir mostra a comparação entre o voo na Terra e em Marte:

Parâmetro	Descrição	Como calcular o valor	Terra	Marte
R [(N.m)/(kg.K)]	Constante de gás para a atmosfera	Valor constante	287.1	188.9
r [kg/m³]	Densidade da atmosfera		1.225	0.015
g [m/s²]	Aceleração da gravidade	Valor constante	9.807	3.721
W [N]	Peso		7355	2791
CL [-]	Coeficiente de sustentação		0.236	7.307
CD [-]	Coeficiente de arrasto		0.0391	4.066
D [N]	Força de arrasto		1220	1553
FN [N]	Tração requerida		1220	1553
d [m]	Diâmetro da hélice	Valor constante	1.883	1.883
n [rpm]	Rotação do motor	Assumida constante	2200	2200
CT [-]	Coeficiente de tração		0.059	6.138
J [-]	Fator de avanço da hélice		0.840	0.840
hP [%]	Rendimento da hélice	Assumido constante	0.720	0.720
CP [-]	Coeficiente de potência		0.069	7.161
Preq [W]	Potência requerida		98378	125352

Com uma gravidade muito menor que a da Terra, esperaríamos que o voo em Marte fosse muito mais fácil, pois, afinal, a tarefa de tirar a aeronave do solo e mantê-la em voo ficaria bem mais fácil. Sim, mas normalmente isso é feito usando o ar, e nossos projetos foram e são calibrados para estas condições. Ao levar um avião com as características terrestres daqui para Marte, o efeito da densidade quase cem vezes menor é cruel: seria necessário um coeficiente de sustentação muito maior para compensar a atmosfera menos densa, mesmo com o peso menor.

Olhando o lado da tração, independentemente se temos um motor a combustão ou elétrico instalado na aeronave, se assumirmos o mesmo comportamento aerodinâmico da hélice, avaliado através de seu rendimento, a potência requerida para voar em Marte é 27% maior que na Terra. Novamente o efeito da densidade da atmosfera é muito marcante.

Conclusões sobre o Desempenho de Outro Mundo

A ideia nesta avaliação foi ilustrar alguns conceitos e parâmetros importantes para o desempenho, a partir de algumas premissas e considerações simples. É possível que algumas destas premissas não se confirmem totalmente, e mesmo assim ainda vamos precisar de muito tempo para termos aviões com as características dos modelos terrestres voando em Marte. Mas por que não deixar a imaginação voar?… Afinal, ela está muito menos sujeita à gravidade e à densidade que nossos aviões…

E você? Tem alguma sugestão para aeronaves novas que precisam ter um desempenho de outro mundo? Conta pra gente!

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