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直升机在地球起飞和在火星起飞有什么区别?机智号:这题我会

2021-05-03 09:10 科普中国网   

美国东部时间4月19日凌晨,毅力号火星车携带的机智号直升机成功进行了首次试飞,这是人类历史上第一架能够在地外天体上进行飞行的航空器。

航空器,是在大气层内进行可控飞行的飞行器。火星上大气层稀薄,且NASA赋予了机智号MarsHelicopter的称号,基于这两点,机智号应该被称为火星(无人)直升机。

从定义来看,机智号的意义可与莱特兄弟发明的飞机相媲美,后者作为地球上的第一架飞机,而机智号是火星上的第一架直升机,二者都属于航空器这个类目。

根据NASA的数据显示,本次试飞最大高度为3米,悬停时间为30秒。算上起飞、降落的时间,机智号在火星大气中飞行时间共计39.1秒,旋翼转速为每分钟2400转以上。由于火星与地球距离逐渐增加,信号延迟达到12分钟,所以此次试飞是全程自动化。试飞计划进行5次,每次不超过3分钟,最大飞行高度不超过5米,距离不超过300米。从这些限制条件看,机智是一次技术演示性试飞,不具备科学观测能力。

火星上起飞环境恶劣

既然是技术演示,那么到底什么样的气动设计才适合在火星上飞行?这需要我们先看看火星的飞行环境。

火星上的大气密度只有地球的1%左右,且火星的引力场只有地球的38%,采用传统的方法肯定是无法在火星上飞行。机智号的旋翼转速达到了2400转每分钟,这个速度是地球上直升机旋翼转速的8倍以上。由于火星大气非常稀薄,机智号只能提高旋翼的旋转来获得足够的升力。机智号工作的火星表面,其环境大致相当于地球上3万米的高度,远远超出了传统直升机的飞行高度范围。而且,火星表面的温度可低至零下90摄氏度,机智号还需要做好保温工作,防止设备被冻坏。

一般情况下,直升机升限在数千米不等,目前最高的数据,是1972年法国直升机创造的1.2万米的升限记录。理论上说,机智号理论上能够飞行的高度可达3万米。但不得不说的是,火星上的起飞环境是相当恶劣的,因此机智号不仅要在地球上3万米高度飞行,同时还要安装到毅力号火星车下方,因此它采用了共轴反转旋翼设计。

旋翼设计是亮点

为了应对火星表面环境和便于部署,NASA在机智号上采用了共轴反转旋翼设计,同时使用电动机驱动。这也是马斯克大力发展电动车的原因之一。因为火星上没有石油,只能使用电动车作为火星定居点的交通工具。旋翼系统使用4片由碳纤维特殊材料制造的桨叶,旋翼直径为1.2米,上下旋翼旋转方向相反,抵消了扭矩。

使用共轴反转旋翼设计的优点有这么几个。第一,简化了直升机的结构,尤其是复杂的尾桨传动机构,有利于折叠放置在火星车腹部,如果机智号使用单旋翼带尾桨的结构,旋翼直径可能要达到1.7米。旋翼直径的增加会导致机智号变得更加庞大,不容易塞到毅力号的肚子下面;第二,共轴反转旋翼将来能够衍生出载人型号,目前全球也有非常多的共轴反转旋翼直升机,比如俄罗斯卡莫夫设计局的多种产品等。如果使用大疆式无人机采用的四旋翼十字对称结构,就丧失了未来发展出可载人的火星直升机的能力。第三,共轴反转旋翼具备较好的抗侧风性能,悬停效率较高,可对抗火星上可能出现的阵风。

当然,共轴反转旋翼也有不足的地方,机动性偏差一些,对发动机的设计要求较高,以及噪音较大。这些问题对于火星探索而言,其实都不是主要限制因素。

综上,根据机智号共轴反转旋翼的设计,我们可以看出一些NASA对火星殖民计划提前进行的布局,比如可载人的直升机,作为火星定居点之间的空中交通工具使用。

天体探索进入航空器时代

可载人的火星直升机应该是比较遥远的目标,在下一阶段,NASA有可能进一步测试能够在火星上飞行的固定翼飞机,并且将航空器探索的方式推广到其他天体上,比如金星、土卫六上。使用固定翼飞机探索目标天体,需要满足一个基本点:该天体要有大气结构,能够形成升力,月球表面接近真空,因此无法使用固定翼飞机。如果目标天体有陆地表面,可满足航空器的起降,实现重复多次使用。由于每个天体的大气密度、引力场、温度都不一样,能在火星上飞的航空器在其他天体上不一定能飞得起来,基于此,要想通过航空器探索地外天体,需要进行针对性的研究和设计。

目前,NASA将主要精力集中在火星上,早在冯布劳恩时代,NASA就提出开发有翼航空器将人类送到火星表面。1970年代,NASA开发了Mini-嗅探器无人固定翼飞机,用于火星高空取样研究。2000年代初,NASA研发了区域性环境航空测量(ARES)火星飞机,计划在距离火星表面1.5公里的高度释放,使用肼为燃料,可以每小时320公里的飞行速度探索火星。相比较旋翼机而言,固定翼飞机的航程更远,一次飞行可巡弋、探测较大范围的火星表面,甚至可以为火星未来的城际间载人航班打下基础。综上可以看出,在机智号之前,火星固定翼飞机就已经出现,只不过受到安全性等方面的因素影响,没有成功部署。

火星飞行的技术挑战

从技术上看,要在火星上飞行,面临的主要技术挑战有四点。

第一,需要建立低雷诺数、高亚音速的空气动力学模型,才能满足在火星大气中飞行的需要;

第二,火星飞机的机身结构与地球上的飞机有一定的区别,通常是非常规机身设计。ARES火星飞机就采用了带有下反特征的机翼,并且将垂尾和平尾整合,与我们通常所见的航空器气动设计有较大的区别;

第三,需采用在机身上增加机翼折叠设计,以便收纳到火星着陆器内部,因此在放飞的时候需要自动展开,增加了系统的复杂性;

第四,需要使用非吸气式发动机,机智号使用了电动机带动螺旋桨,ARES飞机使用了化学燃料,毕竟火星的大气稀薄,相当于地球上3万米高度,不利于吸气式发动机工作。

综上,机智号这次成功在火星表面试飞,是NASA在过去数十年对火星航空器研究的成果,在未来一段时间,固定翼航空器也可能进入火星大气中试飞,这也是火星探索的一种趋势。同时,航空器探索方式也会推广到其他有大气结构的行星、卫星上,对我们国家而言,也应该着手研发,提前做好积累相关技术,为今后探索火星奠定基础。

 

责任编辑: 4126TJ

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