开启火星的航空时代:十问机智号火星直升机

文/ 黄志澄

▲ 美国“毅力号”火星车与“机智号”火星直升机模拟图

美国毅力号火星车于美国东部时间2021 年2 月18 日3 时43 分，在火星赤道以北的杰泽罗陨石坑成功着陆，并传回火星图片。它将至少花费一个火星年（约687地球日）对着陆区域进行探索。

“毅力号”是继好奇号火星车之后，美国宇航局（NASA）造访火星表面的第九个探测器，第五辆漫游车。“毅力号”任务的目标包括寻找火星远古时期可能存在过的生命迹象，探索火星的地质和气候特征，收集岩石和土壤样本以供未来送回地球，以及为未来机器人和人类探索火星积累技术等。

“毅力号”腹部带有首架火星直升机——“机智号”。它将是在火星天空翱翔的首架人类直升机。现在我们来探究一下这架小巧的火星直升机。

机智号火星直升机的性能如何？

机智号火星直升机构造轻巧，重量只有约1.8 千克，旋翼宽度为1.2 米。它能够通过直升机接近顶部的太阳能板为锂电池充电，飞行过程中的平均功率约为350 瓦。美国宇航局表示，在为期30 天的飞行测试中，“机智号”最多进行5次飞行，并逐步延长飞行距离。在首次飞行中，它将垂直爬升到3 米，在空中盘旋大约30 秒。最长飞行时间90 秒，最长飞行距离300 米，最高飞行高度约5米。即使“机智号”试验失败，“毅力号”的总体任务也不会受到影响。

机智号火星直升机是怎样命名的?

美国宇航局曾为2020 年发射的火星车征集了来自28000 份美国中学12年级学生的提名。“机智号”（Ingenuity）这个名字最早是阿拉巴马州的女高中生Vaneeza Rupani 为火星2020 火星车起的名字，在美国宇航局将火星车命名为“毅力号”(Perseverance)之后，该局觉得把“机智号”用在火星直升机上再合适不过，这是对火星直升机研制团队最合适的嘉奖。人们在太空探索索的过程中要克服很多困难和挑战，机智是人们完成这些任务的必备品质。

机智号火星直升机的任务是什么？

美国宇航局表示，这次“机智号”的唯一任务是验证火星无人直升机技术，为未来机器人或人类探索火星时携带的先进飞行器打下基础。那么，美国宇航局为何要发展火星无人直升机呢？

由于火星距离地球太远，操控火星车十分困难。根据火星与地球间的相对位置的不同，信号需要8 ～42 分钟才能实现往返。因此，预编程序必须被发送到火星车上，然后由火星车自动执行程序。当然，火星车也能够借助车载计算机处理导航摄像机拍摄的图像，并自主测定速度、判断障碍物和危险。它甚至能够绘制前往特定目标的安全路线。

▲ 女高中生Vaneeza Rupani 为火星车起的名字

▲ “机智号”安装于“毅力号”“腹部”

▲ “毅力号”腹部下面的机智号无人直升机

▲ “机智号”在地面进行测试

▲ “毅力号”着陆地点图像，上面可看到漫游车的6 个车轮之一

实际上，“勇气号”和“机遇号”火星车，以前一种方式能够在一小时内行驶124 米。但是采用这种模式并不安全。若火星车用后一种自主模式，行动会更加安全，但由于所有的图像都需要处理。其行动则要缓慢得多。在这种自主模式下，一小时只能行驶10 米。“好奇号”单日行驶最长距离为144 米，“机遇号”单日行驶最长距离为224 米。如果地面指挥者能够提前获得一个更好的路线，他们就能够编辑指令，让未来的火星车能获得更大的单日行驶距离。

由此，美国宇航局提出了无人直升机的想法。这种无人机能够每天在火星车前飞行。它获取的空中图像，能够让地面指挥者能够更好计划火星车的行驶路线。

“机智号”将是在另一个世界上进行的首次动力飞行，也可以说是21 世纪的“莱特兄弟时刻”。这次试验如果成功的话，飞机就可以把科学仪器带到火星车无法前往的地方，比如悬崖两侧或陡峭陨石坑壁上的裸露冰层。它还可以架设摄像机来搜索更多地点，以便让未来的火星车和航天员走得更远更安全。

毅力号火星车是怎样支持“机智号”的？

在飞往火星的旅途中“机智号”将栖身于“毅力号”腹部， 并由一个防护罩进行保护，避免在下降过程中损坏。当“毅力号”着陆火星并抵达合适的地点后的60到90个火星日之间，“机智号”将从“毅力号”的底部开始部署。“机智号”的防护罩首先会脱落，解锁释放系统后将直升机放正，此时直升机桨叶朝上，着陆腿朝下，在解锁着陆腿之后将直升机放置到火星表面上。然后火星车就会行驶到一个安全的地方。

“机智号”无法和地球联络，“毅力号”将充当“机智号”的远程通信中继器，接收来自地球上工程师的指令，并将其转发给“机智号”。然后，“机智号”将向“毅力号”发送有关自身性能的图像和信息，“毅力号”再将它们发送回地球。

为何在火星上首飞的航空器是无人直升机？

早在上世纪50 年代，航天先驱沃纳·冯·布劳恩就勾勒出一幅有着又长又大机翼的飞机降落在火星的场景。1999 年年初，美国宇航局计划派遣一个小型遥控飞机去火星，并计划于2003 年12 月17 日到达火星，以纪念莱特兄弟发明飞机100 周年。可惜在不久之后，美国宇航局接连损失两个火星探测器，研发火星无人机的计划被迫中断。

美国宇航局艾姆斯中心在2001 年论证了利用无人直升机（旋翼机）探测崎岖的火星表面的可行性，并研究了无人机轻质结构、新型动力系统、自主飞行等关键技术，并预测了质量10～50千克无人直升机的旋翼转速、飞行效率和工作时间。同时，美国宇航局喷气推进实验室(JPL)2004 年在对比了各类火星无人机的飞行原理、结构形式及适应性能之后，将无人直升机列为火星无人机研究的重要方向，并对该类无人机飞行的可行性、空气动力学特性、旋翼系统的悬停特性进行了全面的研究和地面试验。

▲ 美国宇航局火星无人直升机的原型

美国宇航局在综合分析比较火星无人飞机和无人直升机的任务、可行性和支持经费之后，决定在2020 年的火星任务中列入火星直升机项目，并决定由JPL 组织团队来实施。若这次试验成功，这将意味着美国成为第一个在外星上实现有动力航空飞行的国家。

火星直升机和地球上飞行直升机有何不同？

火星上的无人直升机要面临特殊的考验。一方面火星引力为3.71 米/秒，只有地球的38%，因此直升机不需要产生与地球上相同的悬浮力。另一方面直升机的螺旋桨叶片，通过向下推动空气而产生浮力，这在火星上更加难以操控。这是因为火星的大气层不同于地球的大气层，它的密度只有地球大气层的1%。火星飞行器的飞行雷诺数（Re）约为103～104，要比地球上飞行器的飞行雷诺数小两个量级，因此火星直升机在火星上飞行就相当于在地球上30千米高空飞行。

为此，火星上无人直升机的旋翼需要更加快速的旋转，才能产生足够的升力。“机智号”采用双叶片共轴对称旋翼，其转速高达每分钟2800 转，是地球上直升机旋翼转速的10 倍。为了提高在火星条件下旋翼的升阻比和效率，美国宇航局采用了极薄的较大弧度的翼型。为了保证旋翼有足够的强度和刚度，旋翼采用了高强度复合材料。

火星大气稀薄，旋翼升力随旋翼转速变化的幅度远小于在地球环境的变化幅度，因而火星无人直升机的飞行姿态调整过程比较迟缓。同时，火星风、火星尘暴等也将严重影响它的飞行稳定性。这就要求它对火星恶劣而多变的环境，能够进行快速调整，以保证飞行安全。此外，由于通信信号传输的延迟，火星无人直升机要有很强的自主判断和执行能力。由于它在飞行中无法使用GPS 导航，这就要求以火星车或火星卫星作为基站，实现它的自主导航。目前火星无人直升机的控制，主要是通过调整翼端路径平面与无人机质心的相对位置，实现其转向控制和姿态调整。目前，火星无人机对姿态变换响应的控制技术和无GPS 时的自主导航技术等问题，仍未得到有效的解决。由此可见，火星无人直升机的飞行控制技术，将面临严重的挑战。

▲ 美国宇航局对火星无人直升机任务的设想

“机智号”如何适应火星的环境？

“毅力号”着陆点杰泽罗陨石坑白天的温度可达30℃左右，夜间温度可低至零下90℃。因此，火星无人直升机的各种器件，必须经受反复的冷热交替。如何在寒冷的火星夜晚生存下来也成为“机智号”主要任务之一。目前的设计是直升机配备一个加热装置，使用锂电池为其供电，以保障控制系统正常土作。实际上火星上的沙尘暴，会导致电池无法充电，而由沙尘暴产生的细小沙尘，很可能会导致火星直升机很薄的旋翼叶片加速磨损。这些问题虽然在设计时已经有所考虑，但仍须通过飞行试验来验证。

火星直升机要解决哪些空气动力学问题？

环绕“机智号”旋翼的气体流动相当于地面30 千米上旋翼的绕流，过去研究很少。美国宇航局组织力量对此进行了较深入的分析研究。火星无人直升机的旋翼在低雷诺数条件工作时，流场的黏性效应将导致产生层流分离现象。另外，粘性效应将导致旋翼后缘流场由层流转捩为湍流；较高的湍流能量又使旋翼后缘的流场中形成分离泡。层流分离将引起旋翼的失速与低频振荡，并严重影响其气动性能。实际上，低雷诺数对翼型的升阻特性的影响远大于马赫数对翼型升阻特性的影响。研究表明，最大弯度位置为25%，弯度为5%的翼型，在低雷诺数环境下将具有最大升阻比。这种翼型能够弱化其表面流场的层流分离现象，从而使其在较低雷诺数下，能够产生更大的升力。

▲ 美国宇航局火星无人直升机的地面试验

▲ 美国宇航局设想的一种火星无人机

火星直升机在地球上如何进行试验 ？

火星的大气和重力与地球完全不同，在地面上又不可能完全复现火星的环境,因此，在地面模拟火星无人直升机在火星上的飞行环境面临重大挑战。为此，JPL 建设了一座直径为7.62 米、高为26 米的太空模拟室。为了进行火星直升机试验，将其介质由空气改成二氧化碳，其密度为每立方米0.0175 千克。从2016 年5 月开始，JPL 对重量为850 克的火星直升机样机进行了一系列试验。试验的重点是确定直升机的推力和功率、关键系统的动力学特性和自由飞行的控制特性。火星无人直升机的旋翼在火星大气环境产生升力，与无人机的自重在同一量级，且旋翼的升力、扭矩、功率等参数的变化速率，远小于旋翼转速的变化速率。这要求测试装置能够直接测量旋翼升力或将升力转换为角度、位移等进行间接测量。

2019 年1 月下旬，JPL 对“机智号”的试验样机在上述太空模拟室进行了试验，试验时间超过75 分钟。试验尽可能模拟火星上直升机的运行条件，包括低密度环境和类似火星上的温度变化，以验证直升机能否在寒冷的气温下生存和正常工作。为了真正模拟在火星上的飞行，必须模拟地球三分之二的引力，研制团队通过一个连接到直升机顶部的机动挂绳的重力卸载系统，实现了这一目标。

火星直升机在未来深空探测中将发挥何种作用？

火星无人直升机技术是航空和航天技术融合的一个范例。“机智号”的成功飞行，将开启火星探测的航空时代。之后，包括无人直升机和无人飞机在内的火星无人机，将会在火星上空飞行，完成许多火星车难于完成的任务：无人机具有较高的飞行速度，能够极大地提升火星探测的速度与效率；无人机具有较广的探测能力，能够扩展火星车的探测范围，能够实现对火星漫游车难以到达区域进行深度研究；无人机具有局部探测能力，从而避免火星车进入沙坑等危险区域；未来无人机还能进行定点着陆探测，能够辅助火星车完成火星多点采样任务。

在未来的太空探索任务里，无人机不仅将在火星探测中发挥很大作用，还有助于其它深空探测任务。如对土星最大的卫星“泰坦”的探索任务，可以利用无人机技术来探测其地表和大气。由此可见，火星无人机的发展，将为深空探测开拓一种全新的途径。★