“機(jī)智號(hào)”火星無人直升機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能分析

2021年4月19日，美國(guó)“機(jī)智號(hào)”無人直升機(jī)成功在火星表面著陸。截至2022年12月9日美國(guó)國(guó)家航空航天局宣告，“機(jī)智號(hào)”無人直升機(jī)在火星上完成了第35次飛行。這是第一次真正意義上在火星表面實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力控制飛行。為什么在火星大氣密度僅僅只有不到地球大氣百分之一的稀薄大氣中，“機(jī)智號(hào)”無人直升機(jī)能成功飛行？就這一問題，本文從空氣動(dòng)力學(xué)角度初步作一分析。

理論基礎(chǔ)

由于大氣分子是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和“無間隙”的，因此有“連續(xù)性定理”的存在，它是空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。盡管火星大氣密度只有地球大氣的百分之一，我們?nèi)匀豢梢哉J(rèn)為能夠“遵循”空氣動(dòng)力學(xué)規(guī)律，如30000m高空的飛行器，其飛行環(huán)境的大氣密度僅有地球表面的百分之一，而飛行控制仍然符合空氣動(dòng)力學(xué)原理。

“旋翼”就是旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼。從旋翼的“葉素理論”分析，旋翼槳葉可以看作展向不同站位翼型和不同速度的“機(jī)翼段”。我們知道，機(jī)翼的升力計(jì)算公式為

所以，雖然火星大氣密度ρ減小了約100倍，但是隨著V 2的增大，所以升力僅下降0.895倍，仍能維持在火星上飛行，只相當(dāng)于相同無人機(jī)在地球上1100m高度左右飛行時(shí)的升力水平。

為什么火星無人機(jī)采用共軸雙旋翼直升機(jī)？這是因?yàn)椋缭O(shè)計(jì)為單旋翼無人直升機(jī)，由于單旋翼的反扭矩作用，需要很長(zhǎng)的尾身和尾槳，以抵消由于單旋翼的反扭矩作用。因而，在保證單旋翼升力情況下，體積較大，不便于火星車裝載。

而“機(jī)智號(hào)”無人機(jī)沒有長(zhǎng)機(jī)身和尾槳，體積緊湊。從資料報(bào)道“裝備了 4個(gè)1.2m長(zhǎng)的旋翼槳葉”來看，雙旋翼有4個(gè)槳葉，有可能是可以折疊的，從而載荷主體只是“機(jī)身主體僅一個(gè)紙巾盒大小”，由“毅力號(hào)”火星車攜帶十分方便。

共軸雙旋翼直升機(jī)的好處就是避免了單旋翼直升機(jī)反扭矩的作用。由于共軸雙旋翼直升機(jī)具有繞共軸一正一反旋轉(zhuǎn)的上下兩副旋翼，轉(zhuǎn)向相反，兩副旋翼產(chǎn)生的扭矩相互平衡。通過所謂的上下旋翼總距差動(dòng)產(chǎn)生不平衡扭矩就可實(shí)現(xiàn)航向操縱。共軸式直升機(jī)空氣動(dòng)力對(duì)稱，具有較大的俯仰、滾轉(zhuǎn)控制力矩，具有較高的懸停效率，沒有用于平衡反扭矩的尾槳功率損耗，因此有較大的爬升速度和更大的續(xù)航時(shí)間。

共軸雙旋翼無人直升機(jī)如何實(shí)現(xiàn)平飛的呢？主要運(yùn)用“變距”技術(shù)。槳葉的“槳距”，就相當(dāng)于機(jī)翼的迎角。直升機(jī)旋翼有一套變距機(jī)構(gòu)，槳距增大，則槳葉升力變大；槳距減小，則槳葉升力變小。直升機(jī)旋翼正是通過如圖4的周期“變距”，來實(shí)現(xiàn)旋翼傾轉(zhuǎn)與平飛的。

“機(jī)智號(hào)”無人直升機(jī)之所以在火星上飛到14m的高度也很困難，是因?yàn)闊o人直升機(jī)要實(shí)現(xiàn)爬升與平飛等機(jī)動(dòng)飛行，需要提供更大的旋翼拉力。而從前面的分析，“機(jī)智號(hào)”無人機(jī)并沒有多少旋翼拉力余量。

美國(guó)早期火星無人機(jī)的發(fā)展

有趣的是，早在2001年美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所在NASA資助下研發(fā)Entomopter火星微型飛行器。由于火星上大氣的稀薄密度和低雷諾數(shù)特性（在火星上飛行的雷諾數(shù)相當(dāng)于地球上距離地面30 km以上的雷諾數(shù)），傳統(tǒng)的飛行器在火星上飛行很困難。于是，他們研究仿昆蟲撲翼飛行器，可以在火星大氣中通過快速拍動(dòng)獲得高升力。該研究所開始研發(fā)用于未來機(jī)器人火星任務(wù)的概念仿昆蟲飛行器。然而，由于沒有得到進(jìn)一步經(jīng)費(fèi)的支持，實(shí)際到火星上試驗(yàn)之事并未成行。