航空環(huán)境公司協(xié)助NASA建造火星直升機(jī)
盡管航空環(huán)境公司以其小型無人機(jī)產(chǎn)品而聞名，但公司最初成立的目標(biāo)所涉及用于低速、高海拔環(huán)境飛行的飛行器，并在這方面積累了獨(dú)一無二的氣動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在，這些經(jīng)驗(yàn)將幫助NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）開發(fā)一個(gè)用于在火星表面飛行的無人直升機(jī)，2020年7月隨著“火星2020”探測(cè)器一起飛向火星。
一、低雷諾數(shù)氣動(dòng)問題和小型化是火星直升機(jī)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)
火星表面的空氣密度與地球上100000英尺（30480米）相當(dāng)，在這方面，航空環(huán)境公司曾于2001年開發(fā)了Helios太陽能動(dòng)力無人機(jī)，其飛行高度達(dá)到了98800英尺（30114米），但其翼展達(dá)到270英尺（82.3米）。而NASA要求火星直升機(jī)使用的共軸雙旋翼直徑只有4英尺（1.22米）。
低空氣密度和小尺寸兩方面的要求將影響旋翼的氣動(dòng)行為和特性。其中一個(gè)關(guān)鍵的因素就是雷諾數(shù)，即動(dòng)量產(chǎn)生的慣性力與粘性力之比，這將決定氣流是層流還是湍流。
火星直升機(jī)旋翼工作狀態(tài)下的雷諾數(shù)在幾千到幾萬這一量級(jí)，而地球大氣下使用的全尺寸飛行器的雷諾數(shù)則通常在幾千萬這一量級(jí)。這意味著必須為火星直升機(jī)設(shè)計(jì)專門的翼型。
二、航空環(huán)境公司在微型飛行器設(shè)計(jì)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)火星直升機(jī)已經(jīng)研制了縮比原型機(jī)和機(jī)載系統(tǒng)
航空環(huán)境公司在此前設(shè)計(jì)微型和袖珍無人機(jī)過程中積累了很多低雷諾數(shù)飛行狀態(tài)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如公司在DARPA“袖珍飛行器”（NanoAir Vehicle）項(xiàng)目支持下開發(fā)的“蜂鳥”撲翼機(jī)。該機(jī)僅重9克，翼展只有16.5厘米。
利用其在高海拔環(huán)境和小尺寸無人機(jī)方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，公司首先制造了縮比原型機(jī)，驗(yàn)證了其旋翼系統(tǒng)能夠在火星大氣環(huán)境下產(chǎn)生升力的可行性。隨后在2016年5月，公司向JPL交付了火星直升機(jī)的旋翼和起落架裝置。
為了在火星稀薄大氣環(huán)境下使用，共軸旋翼直升機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎接近3000rpm，這是傳統(tǒng)直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速的10倍。
目前，該機(jī)完成了全尺寸原型機(jī)及其和JPL開發(fā)的控制器的集成，并在一個(gè)直徑7.62米的封閉艙室內(nèi)驗(yàn)證了模擬火星大氣環(huán)境的自由飛行。該機(jī)使用共軸雙旋翼構(gòu)型，下旋翼上專用周期變距和總距控制機(jī)構(gòu)，上旋翼則只有總距控制，全機(jī)總重為850克。
為了進(jìn)行測(cè)試，JPL將封閉艙室抽成真空，然后注入二氧化碳?xì)怏w，使其與火星環(huán)境下的空氣密度相當(dāng)。由于地球的重力高于火星環(huán)境，因此不能建造一個(gè)質(zhì)量與火星直升機(jī)完全相同的原型機(jī)來進(jìn)行測(cè)試。因此JPL將火星直升機(jī)的動(dòng)力和航電設(shè)備通過一條重量很輕的電線連接到無人機(jī)上，以降低測(cè)試用原型機(jī)的質(zhì)量，使其所受的重力與在火星環(huán)境下的重力大致相當(dāng)。
2017年秋天，公司向JPL交付了用于2架工程研制型機(jī)的主要子系統(tǒng)，包括旋翼、起落架、機(jī)身外殼和太陽能板基板。JPL則為其集成了航電系統(tǒng)、機(jī)載動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、傳感器和通信系統(tǒng)。在加裝了這些系統(tǒng)后，工程研制型機(jī)的總重提高到了1.7千克。
2架工程研制型機(jī)中的1架用于在火星大氣模擬艙內(nèi)進(jìn)行飛行驗(yàn)證，另一架則用于進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，包括熱力學(xué)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等，以保證其能夠承受隨火星探測(cè)器進(jìn)行發(fā)射和著陸的過程，以及火星的夜間-100℃低溫。
三、火星技術(shù)驗(yàn)證機(jī)將隨“火星2020”探測(cè)器登陸火星
航空環(huán)境公司目前正在制造用于飛行的火星直升機(jī)的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)將集成到JPL目前正在建造的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)上。目前NASA計(jì)劃讓該機(jī)隨“火星2020”探測(cè)器發(fā)射并著陸到火星表面，但這一計(jì)劃并未最終確定。
火星直升機(jī)將在火星車抵達(dá)預(yù)定的區(qū)域后，由火星車探測(cè)并選擇合適的地點(diǎn)進(jìn)行部署。部署完成后火星車將駛離到安全范圍外。當(dāng)直升機(jī)的太陽能電池完成充電，系統(tǒng)完成自檢后，地球上的控制員將命令直升機(jī)升空到3米的高度并懸停30秒。該機(jī)設(shè)計(jì)能夠使用超過30個(gè)火星日（約24.8個(gè)地球日）。根據(jù)使用環(huán)境，以及太陽能板為機(jī)載的鋰電池充電所需的時(shí)間，該機(jī)預(yù)計(jì)能夠進(jìn)行最多5次自主飛行，每次飛行的最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)到90秒，以3-10米的高度飛行最遠(yuǎn)300米的距離，期間將使用機(jī)載的基于圖像的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航。
（航空工業(yè)發(fā)展研究中心 李昊）
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