本文原載于Ansys Advantage：《How Simulation is Helping Make History: The First Flight on Mars》

美國宇航局(NASA)重量4磅（1.8公斤）的“機(jī)智號(hào)”直升機(jī)創(chuàng)造了歷史，全世界見證了人類技術(shù)在另一個(gè)行星上的首次動(dòng)力飛行。

美國宇航局“毅力號(hào)”火星漫游車搭載“機(jī)智號(hào)”直升機(jī)，在2021年2月18日著陸火星。4月，“毅力號(hào)”將“機(jī)智號(hào)”展開、安放到火星地表，啟動(dòng)了“機(jī)智號(hào)”的火星任務(wù)。“機(jī)智號(hào)”沿耶澤洛(Jezero)隕石坑表面完成首飛，之后又進(jìn)行了一系列飛行，它的表現(xiàn)遠(yuǎn)超人們對(duì)這架微型飛行器的最初預(yù)期。

在火星上空飛行的潛在挑戰(zhàn)難以預(yù)測(cè)。一直以來仿真和風(fēng)洞對(duì)飛行測(cè)試都至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛梢栽佻F(xiàn)飛機(jī)將遭遇的狀況。然而，在地球上準(zhǔn)確地復(fù)制另一星球的重力與大氣幾乎無法實(shí)現(xiàn)，因此，成功飛行的關(guān)鍵在于在虛擬環(huán)境中運(yùn)行仿真。

在火星上飛行的主要挑戰(zhàn)在于大氣稀薄。地球上的直升機(jī)飛行高度記錄由法國人弗雷德里克·諾斯(Frédéric North)創(chuàng)造，為4.25萬英尺。空氣極為稀薄的平流層制約了諾斯的直升機(jī)旋翼，使他無法超越這一高度?；鹦潜砻娴拇髿饷芏认喈?dāng)于地球表面10萬英尺高度的水平?！皺C(jī)智號(hào)”直升機(jī)依靠輕量型設(shè)計(jì)、大型同軸旋翼和較低的火星重力，才能在如此極限的條件下飛行。

火星的飛行環(huán)境與地球截然不同：

• 大氣密度僅為地球的1%

• 二氧化碳占其大氣成分95%

• 重力是地球的三分之一

• 平均溫度零下60℃ (-76F)，而耶澤洛(Jezero)隕石坑夜間可低至-90℃ (-130F)

當(dāng)“機(jī)智號(hào)”飛離火星地面后，在如此稀薄的大氣中如何保持方向控制是保障正常飛行的一大難題。為了避免墜機(jī)，需要以毫秒級(jí)的頻率對(duì)旋翼的俯仰、橫滾和攻角進(jìn)行持續(xù)校正。因此，仿真高級(jí)飛行控制系統(tǒng)是在火星上安全飛行的必要條件，但此類分析需要獲取準(zhǔn)確的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。

在本次火星探測(cè)任務(wù)之前，在火星上飛行雖然理論上可行，但工程師對(duì)成功飛行所需的控制水平并沒有把握。

NASA如何確保將一架直升機(jī)送上火星，并讓它有機(jī)會(huì)展翅翱翔呢？其中一大原因是他們使用了Ansys Fluent。

據(jù)一份研究論文顯示¹，開發(fā)團(tuán)隊(duì)將Fluent用于計(jì)算旋翼葉片上的空氣動(dòng)力作用。為預(yù)測(cè)這些空氣動(dòng)力，旋翼葉片被分解成包含翼展、翼弦、翼扭轉(zhuǎn)和翼后掠的許多薄片。

然后計(jì)算出不同的迎角和馬赫數(shù)對(duì)升力系數(shù)、阻力和俯仰力矩的影響。之后，這些數(shù)值制表被NASA用于直升機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)建模。

上述仿真利用無質(zhì)量示蹤粒子，重點(diǎn)顯示旋翼穿過大氣層時(shí)形成的沖擊。示蹤粒子按照速率標(biāo)色。我們可以在旋翼上和靠近翼尖的位置觀察到最大速率（紅色）。隨著粒子形成通向地平面的螺旋路徑，我們還可以觀察到較低的速率。由于旋翼彼此交錯(cuò)旋轉(zhuǎn)，我們不能觀察到來自下方旋翼的粒子被上方旋翼拉升或擾動(dòng)。我們希望讓旋翼拉動(dòng)的反向氣流間的相互作用保持最低，確保直升機(jī)的最大升力。

“機(jī)智號(hào)”的旋翼采用同軸布置，并非地球上無人機(jī)廣泛采用的四旋翼布局。為何這樣設(shè)置？因?yàn)樵凇皺C(jī)智號(hào)”上使用同軸旋翼能提高效率。

Ansys仿真顯示了“機(jī)智號(hào)”直升機(jī)旋翼下的高壓區(qū)域

上圖體現(xiàn)了旋翼下的高壓區(qū)。下方旋翼下的壓力區(qū)較大，因?yàn)樯戏叫硪呀?jīng)壓縮了稀薄的火星大氣。這種現(xiàn)象有利于下方旋翼提供更大的升力。采用4部單獨(dú)旋翼的四旋翼機(jī)，則不具備這樣的優(yōu)勢(shì)。此外，在同等推力水平下，四旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)也會(huì)增加一定的重量。增大的重量主要來自額外的旋翼支架和多部電機(jī)的自重。最后，四旋翼機(jī)難以裝載到“毅力號(hào)”漫游車的車腹，著陸后的展開操作也頗有難度。

NASA表示，“機(jī)智號(hào)”最初被視為一次技術(shù)演示，一個(gè)嘗試在有限范圍內(nèi)首次測(cè)試新功能的項(xiàng)目。它是“機(jī)智號(hào)”項(xiàng)目組工程師6年里不斷努力的成果。

即便“機(jī)智號(hào)”未能成功完成一系列飛行，項(xiàng)目組也已經(jīng)證明，建造一架在火星大氣里能產(chǎn)生足夠升力的超輕型飛機(jī)，讓其在惡劣的火星環(huán)境下自主起飛、巡航和留存，在理論上是可行的。正如NASA在試飛“機(jī)智號(hào)”以前曾表示，這已足以推動(dòng)飛行技術(shù)向前發(fā)展。

NASA總部行星科學(xué)部主任Lori Glaze在首次飛行前的新聞發(fā)布會(huì)上表示：“我們的‘索杰納’漫游車1997年登陸火星，證明了在這顆紅色星球進(jìn)行漫游探測(cè)的可行性，并徹底地重新定義了我們探索火星的歷史進(jìn)程。我們同樣也希望借此了解‘機(jī)智號(hào)’推動(dòng)未來科研方向的潛力。恰如其名，‘機(jī)智號(hào)’是一次在另一顆星球上完成首次動(dòng)力飛行的技術(shù)演示。如果成功，便能進(jìn)一步拓寬我們的視野，以及擴(kuò)大火星探索的可能范圍?！?/p>

在證明這項(xiàng)技術(shù)的可行性后，“機(jī)智號(hào)”又承載了新的使命?！皺C(jī)智號(hào)”實(shí)驗(yàn)已進(jìn)入全新的運(yùn)作演示階段，研究空中探測(cè)等功能如何幫助未來探索火星和其他星球。

事實(shí)上，在完成16次飛行后，“機(jī)智號(hào)”的性能依然強(qiáng)勁。它已完成大約3公里的飛行距離，現(xiàn)在正與“毅力號(hào)”協(xié)作進(jìn)行它們的共同目標(biāo)：探索耶澤洛隕石坑。地球上的空氣密度比火星標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的空氣密度大30倍，這使得操縱“機(jī)智號(hào)”不僅是一項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)上的創(chuàng)舉，也是地外探索的一次顛覆。

截止本文撰稿時(shí)，“機(jī)智號(hào)”正準(zhǔn)備完成有史以來難度最大的一次飛行。

飛越火星耶澤洛隕石坑“Séítah”區(qū)需要飛行至少兩次，其中半途會(huì)降落一次，這是為了縮短持續(xù)飛行時(shí)間。因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速較高，“機(jī)智號(hào)”飛行中會(huì)以更快的速度飛越相同的距離。然而速度加快會(huì)增大飛行中累積的導(dǎo)航不確定性，所以目標(biāo)著陸范圍會(huì)擴(kuò)大。而如果以較低速度飛行，“機(jī)智號(hào)”則能更準(zhǔn)確地抵達(dá)南“Séítah”的理想著陸點(diǎn)。另外，南“Séítah”東側(cè)的地形也比西側(cè)的地形更加險(xiǎn)峻。

采用兩次飛行的方式完成任務(wù)，“機(jī)智號(hào)”便能更準(zhǔn)確地抵達(dá)南“Séítah”東側(cè)的安全著陸點(diǎn)，避免了不必要的著陸風(fēng)險(xiǎn)。

在這次飛行中（即第17次飛行），“機(jī)智號(hào)”預(yù)計(jì)將以10米高度飛行187米，滯空117秒。

從開始任務(wù)至今，“機(jī)智號(hào)”已取得令人矚目的成就。它并沒有與“毅力號(hào)”失聯(lián)，反而成為引領(lǐng)前路的稱職前哨。

它們一起以前所未有的方式探索火星，窺探這顆紅色星球是否曾經(jīng)存在過生命。

這絕對(duì)是見證仿真和科學(xué)改寫行星探索史的激動(dòng)人心的時(shí)刻。

參考文獻(xiàn)：

1. “Flight Dynamics of a Mars Helicopter,” H. F. Grip, W. Johnson, C. Malpica, D. P. Scharf, M. Mandi?, L. Young, B. Allany, B. Mettlerz, and M. San Martin, 2017 (https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/ERF2017_final.pdf)

免責(zé)聲明：仿真圖像來自Ansys基于“機(jī)智號(hào)”直升 機(jī)公開發(fā)布模型重新繪制的幾何結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過Ansys 工程師運(yùn)行仿真和后處理分析。美國宇航局噴氣實(shí)驗(yàn)室并未參與該仿真的設(shè)計(jì)。