開啟火星的航空時代:十問機智號火星直升機

文/ 黃志澄

▲ 美國“毅力號”火星車與“機智號”火星直升機模擬圖

美國毅力號火星車于美國東部時間2021 年2 月18 日3 時43 分，在火星赤道以北的杰澤羅隕石坑成功著陸，并傳回火星圖片。它將至少花費一個火星年（約687地球日）對著陸區域進行探索。

“毅力號”是繼好奇號火星車之后，美國宇航局（NASA）造訪火星表面的第九個探測器，第五輛漫游車。“毅力號”任務的目標包括尋找火星遠古時期可能存在過的生命跡象，探索火星的地質和氣候特征，收集巖石和土壤樣本以供未來送回地球，以及為未來機器人和人類探索火星積累技術等。

“毅力號”腹部帶有首架火星直升機——“機智號”。它將是在火星天空翱翔的首架人類直升機。現在我們來探究一下這架小巧的火星直升機。

機智號火星直升機的性能如何？

機智號火星直升機構造輕巧，重量只有約1.8 千克，旋翼寬度為1.2 米。它能夠通過直升機接近頂部的太陽能板為鋰電池充電，飛行過程中的平均功率約為350 瓦。美國宇航局表示，在為期30 天的飛行測試中，“機智號”最多進行5次飛行，并逐步延長飛行距離。在首次飛行中，它將垂直爬升到3 米，在空中盤旋大約30 秒。最長飛行時間90 秒，最長飛行距離300 米，最高飛行高度約5米。即使“機智號”試驗失敗，“毅力號”的總體任務也不會受到影響。

機智號火星直升機是怎樣命名的?

美國宇航局曾為2020 年發射的火星車征集了來自28000 份美國中學12年級學生的提名。“機智號”（Ingenuity）這個名字最早是阿拉巴馬州的女高中生Vaneeza Rupani 為火星2020 火星車起的名字，在美國宇航局將火星車命名為“毅力號”(Perseverance)之后，該局覺得把“機智號”用在火星直升機上再合適不過，這是對火星直升機研制團隊最合適的嘉獎。人們在太空探索索的過程中要克服很多困難和挑戰，機智是人們完成這些任務的必備品質。

機智號火星直升機的任務是什么？

美國宇航局表示，這次“機智號”的唯一任務是驗證火星無人直升機技術，為未來機器人或人類探索火星時攜帶的先進飛行器打下基礎。那么，美國宇航局為何要發展火星無人直升機呢？

由于火星距離地球太遠，操控火星車十分困難。根據火星與地球間的相對位置的不同，信號需要8 ～42 分鐘才能實現往返。因此，預編程序必須被發送到火星車上，然后由火星車自動執行程序。當然，火星車也能夠借助車載計算機處理導航攝像機拍攝的圖像，并自主測定速度、判斷障礙物和危險。它甚至能夠繪制前往特定目標的安全路線。

▲ 女高中生Vaneeza Rupani 為火星車起的名字

▲ “機智號”安裝于“毅力號”“腹部”

▲ “毅力號”腹部下面的機智號無人直升機

▲ “機智號”在地面進行測試

▲ “毅力號”著陸地點圖像，上面可看到漫游車的6 個車輪之一

實際上，“勇氣號”和“機遇號”火星車，以前一種方式能夠在一小時內行駛124 米。但是采用這種模式并不安全。若火星車用后一種自主模式，行動會更加安全，但由于所有的圖像都需要處理。其行動則要緩慢得多。在這種自主模式下，一小時只能行駛10 米。“好奇號”單日行駛最長距離為144 米，“機遇號”單日行駛最長距離為224 米。如果地面指揮者能夠提前獲得一個更好的路線，他們就能夠編輯指令，讓未來的火星車能獲得更大的單日行駛距離。

由此，美國宇航局提出了無人直升機的想法。這種無人機能夠每天在火星車前飛行。它獲取的空中圖像，能夠讓地面指揮者能夠更好計劃火星車的行駛路線。

“機智號”將是在另一個世界上進行的首次動力飛行，也可以說是21 世紀的“萊特兄弟時刻”。這次試驗如果成功的話，飛機就可以把科學儀器帶到火星車無法前往的地方，比如懸崖兩側或陡峭隕石坑壁上的裸露冰層。它還可以架設攝像機來搜索更多地點，以便讓未來的火星車和航天員走得更遠更安全。

毅力號火星車是怎樣支持“機智號”的？

在飛往火星的旅途中“機智號”將棲身于“毅力號”腹部， 并由一個防護罩進行保護，避免在下降過程中損壞。當“毅力號”著陸火星并抵達合適的地點后的60到90個火星日之間，“機智號”將從“毅力號”的底部開始部署。“機智號”的防護罩首先會脫落，解鎖釋放系統后將直升機放正，此時直升機槳葉朝上，著陸腿朝下，在解鎖著陸腿之后將直升機放置到火星表面上。然后火星車就會行駛到一個安全的地方。

“機智號”無法和地球聯絡，“毅力號”將充當“機智號”的遠程通信中繼器，接收來自地球上工程師的指令，并將其轉發給“機智號”。然后，“機智號”將向“毅力號”發送有關自身性能的圖像和信息，“毅力號”再將它們發送回地球。

為何在火星上首飛的航空器是無人直升機？

早在上世紀50 年代，航天先驅沃納·馮·布勞恩就勾勒出一幅有著又長又大機翼的飛機降落在火星的場景。1999 年年初，美國宇航局計劃派遣一個小型遙控飛機去火星，并計劃于2003 年12 月17 日到達火星，以紀念萊特兄弟發明飛機100 周年。可惜在不久之后，美國宇航局接連損失兩個火星探測器，研發火星無人機的計劃被迫中斷。

美國宇航局艾姆斯中心在2001 年論證了利用無人直升機（旋翼機）探測崎嶇的火星表面的可行性，并研究了無人機輕質結構、新型動力系統、自主飛行等關鍵技術，并預測了質量10～50千克無人直升機的旋翼轉速、飛行效率和工作時間。同時，美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)2004 年在對比了各類火星無人機的飛行原理、結構形式及適應性能之后，將無人直升機列為火星無人機研究的重要方向，并對該類無人機飛行的可行性、空氣動力學特性、旋翼系統的懸停特性進行了全面的研究和地面試驗。

▲ 美國宇航局火星無人直升機的原型

美國宇航局在綜合分析比較火星無人飛機和無人直升機的任務、可行性和支持經費之后，決定在2020 年的火星任務中列入火星直升機項目，并決定由JPL 組織團隊來實施。若這次試驗成功，這將意味著美國成為第一個在外星上實現有動力航空飛行的國家。

火星直升機和地球上飛行直升機有何不同？

火星上的無人直升機要面臨特殊的考驗。一方面火星引力為3.71 米/秒，只有地球的38%，因此直升機不需要產生與地球上相同的懸浮力。另一方面直升機的螺旋槳葉片，通過向下推動空氣而產生浮力，這在火星上更加難以操控。這是因為火星的大氣層不同于地球的大氣層，它的密度只有地球大氣層的1%。火星飛行器的飛行雷諾數（Re）約為103～104，要比地球上飛行器的飛行雷諾數小兩個量級，因此火星直升機在火星上飛行就相當于在地球上30千米高空飛行。

為此，火星上無人直升機的旋翼需要更加快速的旋轉，才能產生足夠的升力。“機智號”采用雙葉片共軸對稱旋翼，其轉速高達每分鐘2800 轉，是地球上直升機旋翼轉速的10 倍。為了提高在火星條件下旋翼的升阻比和效率，美國宇航局采用了極薄的較大弧度的翼型。為了保證旋翼有足夠的強度和剛度，旋翼采用了高強度復合材料。

火星大氣稀薄，旋翼升力隨旋翼轉速變化的幅度遠小于在地球環境的變化幅度，因而火星無人直升機的飛行姿態調整過程比較遲緩。同時，火星風、火星塵暴等也將嚴重影響它的飛行穩定性。這就要求它對火星惡劣而多變的環境，能夠進行快速調整，以保證飛行安全。此外，由于通信信號傳輸的延遲，火星無人直升機要有很強的自主判斷和執行能力。由于它在飛行中無法使用GPS 導航，這就要求以火星車或火星衛星作為基站，實現它的自主導航。目前火星無人直升機的控制，主要是通過調整翼端路徑平面與無人機質心的相對位置，實現其轉向控制和姿態調整。目前，火星無人機對姿態變換響應的控制技術和無GPS 時的自主導航技術等問題，仍未得到有效的解決。由此可見，火星無人直升機的飛行控制技術，將面臨嚴重的挑戰。

▲ 美國宇航局對火星無人直升機任務的設想

“機智號”如何適應火星的環境？

“毅力號”著陸點杰澤羅隕石坑白天的溫度可達30℃左右，夜間溫度可低至零下90℃。因此，火星無人直升機的各種器件，必須經受反復的冷熱交替。如何在寒冷的火星夜晚生存下來也成為“機智號”主要任務之一。目前的設計是直升機配備一個加熱裝置，使用鋰電池為其供電，以保障控制系統正常土作。實際上火星上的沙塵暴，會導致電池無法充電，而由沙塵暴產生的細小沙塵，很可能會導致火星直升機很薄的旋翼葉片加速磨損。這些問題雖然在設計時已經有所考慮，但仍須通過飛行試驗來驗證。

火星直升機要解決哪些空氣動力學問題？

環繞“機智號”旋翼的氣體流動相當于地面30 千米上旋翼的繞流，過去研究很少。美國宇航局組織力量對此進行了較深入的分析研究。火星無人直升機的旋翼在低雷諾數條件工作時，流場的黏性效應將導致產生層流分離現象。另外，粘性效應將導致旋翼后緣流場由層流轉捩為湍流；較高的湍流能量又使旋翼后緣的流場中形成分離泡。層流分離將引起旋翼的失速與低頻振蕩，并嚴重影響其氣動性能。實際上，低雷諾數對翼型的升阻特性的影響遠大于馬赫數對翼型升阻特性的影響。研究表明，最大彎度位置為25%，彎度為5%的翼型，在低雷諾數環境下將具有最大升阻比。這種翼型能夠弱化其表面流場的層流分離現象，從而使其在較低雷諾數下，能夠產生更大的升力。

▲ 美國宇航局火星無人直升機的地面試驗

▲ 美國宇航局設想的一種火星無人機

火星直升機在地球上如何進行試驗 ？

火星的大氣和重力與地球完全不同，在地面上又不可能完全復現火星的環境,因此，在地面模擬火星無人直升機在火星上的飛行環境面臨重大挑戰。為此，JPL 建設了一座直徑為7.62 米、高為26 米的太空模擬室。為了進行火星直升機試驗，將其介質由空氣改成二氧化碳，其密度為每立方米0.0175 千克。從2016 年5 月開始，JPL 對重量為850 克的火星直升機樣機進行了一系列試驗。試驗的重點是確定直升機的推力和功率、關鍵系統的動力學特性和自由飛行的控制特性。火星無人直升機的旋翼在火星大氣環境產生升力，與無人機的自重在同一量級，且旋翼的升力、扭矩、功率等參數的變化速率，遠小于旋翼轉速的變化速率。這要求測試裝置能夠直接測量旋翼升力或將升力轉換為角度、位移等進行間接測量。

2019 年1 月下旬，JPL 對“機智號”的試驗樣機在上述太空模擬室進行了試驗，試驗時間超過75 分鐘。試驗盡可能模擬火星上直升機的運行條件，包括低密度環境和類似火星上的溫度變化，以驗證直升機能否在寒冷的氣溫下生存和正常工作。為了真正模擬在火星上的飛行，必須模擬地球三分之二的引力，研制團隊通過一個連接到直升機頂部的機動掛繩的重力卸載系統，實現了這一目標。

火星直升機在未來深空探測中將發揮何種作用？

火星無人直升機技術是航空和航天技術融合的一個范例。“機智號”的成功飛行，將開啟火星探測的航空時代。之后，包括無人直升機和無人飛機在內的火星無人機，將會在火星上空飛行，完成許多火星車難于完成的任務：無人機具有較高的飛行速度，能夠極大地提升火星探測的速度與效率；無人機具有較廣的探測能力，能夠擴展火星車的探測范圍，能夠實現對火星漫游車難以到達區域進行深度研究；無人機具有局部探測能力，從而避免火星車進入沙坑等危險區域；未來無人機還能進行定點著陸探測，能夠輔助火星車完成火星多點采樣任務。

在未來的太空探索任務里，無人機不僅將在火星探測中發揮很大作用，還有助于其它深空探測任務。如對土星最大的衛星“泰坦”的探索任務，可以利用無人機技術來探測其地表和大氣。由此可見，火星無人機的發展，將為深空探測開拓一種全新的途徑。★