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无人直升机竟然能在火星起飞,专家揭秘NASA “机智号”火星无人直升机工作原理

北京时间4月19日18时52分,美国宇航局 NASA 正式宣布,首个火星无人机“机智号”成功在火星耶泽罗撞击坑完成首飞,这是人类首次在地球以外的大气层内完成可控动力飞行,标志着人类对火星的探测正式从“火星车”时代向“火星飞行器”时代迈出历史性的一步,是人类对宇宙探索方式的新突破。火星无人飞行器为人类打开“空地一体化”的太空探索新维度提供了可能。

与常见的大疆等小型航拍多旋翼飞行器和大型固定翼无人机不同,“机智号”是一架采用共轴反转双旋翼结构的标准无人直升机(如下图所示)。

为什么火星首飞无人机“机智号”选择直升机构型

让我们从“机智号”在火星飞行面临的各项难点和挑战来分析:

1.极低的空气密度和空气压力,需要非常高效的飞行器形态

火星上的空气密度大约只有地球上的1%,而气压更是低至0.1PSI。根据计算,在火星表面飞行,相当于在地球上空50km-60km的高度飞行,这对于大气层内依靠空气产生升力的常规飞行器而言,绝对是一个巨大的挑战。

众所周知,对于旋翼飞行器来说,旋翼数量是决定其整体效率的重要一环。在同等重量下,旋翼数量越多,整体效率将会越低。而目前悬停效率最高的飞行器依然是共轴双桨,现代旋翼桨叶由于采用变翼型、大负扭、大尖削等设计,悬停效率能达到0.8以上。

而随着旋翼数量的增加,整体效率逐步降低。“机智号”携带的电池容量有限,数据显示其2/3的电量需要用来为电池组和其他电子元器件做保温工作,只有1/3的电量能够用来飞行。

艰巨的任务决定了其需要在满足尽可能低的起飞重量下达到尽可能长的飞行时间,在火星的环境下,因为电池充电等不可控因数环境下,共轴的构型是最佳选择。

2.载重能力与体积大小的平衡,结构强度和重量的取舍

尽管火星上的重力大约只有地球上的1/3,但是要在0.1PSI的超低气压下依靠空气垂直起飞,仍然比在地球上起飞的难度大了数十倍。“机智号”必须依靠足够的动力和转速才能够顺利起飞,这意味着需要稳固的结构去支持,但又不能因此而增加更多的重量,因此飞行器材料选择和动力形态的设计尤为关键,整台机器必须具有极高的飞行效率和极轻的整体重量。

由于火星上的音速约为240m/s,经计算,在同等体积大小和重量下下若采用单旋翼结构,那么旋翼转速的增加将使得翼尖线速度超过火星表面的音速,使得飞行变为不可能,而采用1.2m直径的双旋翼,在2400rpm时,翼尖线速度将小于0.7马赫(火星表面音速),处于安全区间内。

因此上下重叠的共轴双旋翼方案成为了平衡载重能力和体积大小的唯一选择。尽管下层旋翼将受到上层下洗气流的影响而损失部分升力,但经过不断优化与设计,其整体效率依然高出多旋翼飞行器不少。

3.抗风性和防尘性的需求

尽管空气如此稀薄,但火星并非是一个安静的星球,火星上的平均风速约为10m/s,极端情况下,火星上甚至会产生28m/s(100km/h)的猛烈风暴——这对于一个一米级别尺寸的小飞行器而言很可能是致命的。要想顺利起飞,“机智号”必须具备一定的机动性和抗风性,并且其结构和各种电子元器件必须能够在大风扬起的沙尘中得以存活。

直升机结构具备了高机动性的先天优势。相较于多旋翼,其重量分布集中,可以以较短的力臂完成姿态改变,同时直升机独有的变距结构能够在旋翼尽可能大、效率尽可能高的同时保持快速修正能力,使得其在与恶劣环境抗衡的同时还能满足飞行的需求。

“机智号”的相关参数:

旋翼直径 1200mm 单次飞行时间 <90s
旋翼转速 2400rpm

最大飞行半径

50m
起飞重量 1.8kg 最大水平速度 10m/s
电池容量 35-40Wh 最大垂直速度 3m/s

与其他飞行平台构型对比

1)多旋翼。同样起飞重量下,多旋翼的桨叶直径远小于直升机,因此需要更高的转速来维持飞行,并且还需要预留足够的转速上升空间满足姿态修正,这对于即将触碰到音速边缘的螺旋桨而言,并不是一个好的选择。而多旋翼的结构决定了将存在多个布置在结构边缘的电机,这对于可靠性和机动性而言都将有所降低,同时,还要增加不少结构重量。“机智号”目前所用的1.2米大桨单只重量仅为35g,而一个电机增加的重量远大于此。

2)垂直起降固定翼。固定翼的优势和所取得的成就让人向往,但是在空气稀薄的火星表面,为获得足够的升力,固定翼无法将速度控制在较低水平。对于有限通讯距离的火星探测器而言,固定翼的航程优势将不存在。而垂直起降固定翼的悬停能力有限,巨大的翼展也决定了其在起降阶段无法抗衡火星上的风力环境。

由此可见,在火星这种极其复杂的环境下,无人直升机这一构型无疑是最可靠的选择。

机智号”的顺利首飞无疑是人类航空史和航天史的重要里程碑,回望地球,在各类危险复杂的环境中担当重任的,依然是无人直升机。尤其在高海拔地区,由于空气密度降低,高效率且具备足够载重性能和机动性能的直升机或将成为唯一可靠的选择。

在国外,无人直升机其实已是工业领域的主流应用产品,放眼国内,我们同样拥有完善工业级无人直升机技术体系的厂家。

据环球时报报道称,中国不仅在固定翼无人机方面已经成为世界上最大的参与者,而且在无人直升机方面也是如此。现在许多中国公司都在提供各种各样的无人直升机选择,包括中国航空工业集团公司(AVIC)的AR500C,广东珠海紫燕无人机公司的可在高海拔边境地区作业的河豚A2,中国075型两栖舰上可两栖作战的不明型号飞行器,以及同样由中航工业生产的可以夜间作业的AV500。

(环球时报相关报道)

其中备受美国国防部关注的国内无人机厂商——珠海紫燕研发的无人直升机,早在2018年7月便成功从4000米海拔高地垂直爬升至7000米高空,创下当时的无人机记录,旋翼转速达2321(“机智号”转速2400rpm)。据相关人士透露,珠海紫燕明星产品河豚A2无人直升机在2021年进一步完成了高原载重测试。

(飞行过程地面站截图,当前海拔高度6993米)

(7000米高度下的吊舱视角,远处云雾中为昆仑山东段最高峰-玉珠峰)

“机智号”在火星上的49秒的飞行,开启了人类用直升机在火星探索的新征程,刷新了无人直升机的飞行极限,验证了直升机构型在复杂环境下的作业能力。相信不久的将来,无人直升机将会成为工业级飞行器的主流形态。