“機智號”火星無人直升機的空氣動力學性能分析

2021年4月19日，美國“機智號”無人直升機成功在火星表面著陸。截至2022年12月9日美國國家航空航天局宣告，“機智號”無人直升機在火星上完成了第35次飛行。這是第一次真正意義上在火星表面實現了動力控制飛行。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，“機智號”無人直升機能成功飛行？就這一問題，本文從空氣動力學角度初步作一分析。

理論基礎

由于大氣分子是隨機運動和“無間隙”的，因此有“連續性定理”的存在，它是空氣動力學的基礎。盡管火星大氣密度只有地球大氣的百分之一，我們仍然可以認為能夠“遵循”空氣動力學規律，如30000m高空的飛行器，其飛行環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力學原理。

“旋翼”就是旋轉的機翼。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“機翼段”。我們知道，機翼的升力計算公式為

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，只相當于相同無人機在地球上1100m高度左右飛行時的升力水平。

為什么火星無人機采用共軸雙旋翼直升機？這是因為，如設計為單旋翼無人直升機，由于單旋翼的反扭矩作用，需要很長的尾身和尾槳，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“機智號”無人機沒有長機身和尾槳，體積緊湊。從資料報道“裝備了 4個1.2m長的旋翼槳葉”來看，雙旋翼有4個槳葉，有可能是可以折疊的，從而載荷主體只是“機身主體僅一個紙巾盒大小”，由“毅力號”火星車攜帶十分方便。

共軸雙旋翼直升機的好處就是避免了單旋翼直升機反扭矩的作用。由于共軸雙旋翼直升機具有繞共軸一正一反旋轉的上下兩副旋翼，轉向相反，兩副旋翼產生的扭矩相互平衡。通過所謂的上下旋翼總距差動產生不平衡扭矩就可實現航向操縱。共軸式直升機空氣動力對稱，具有較大的俯仰、滾轉控制力矩，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航時間。

共軸雙旋翼無人直升機如何實現平飛的呢？主要運用“變距”技術。槳葉的“槳距”，就相當于機翼的迎角。直升機旋翼有一套變距機構，槳距增大，則槳葉升力變大；槳距減小，則槳葉升力變小。直升機旋翼正是通過如圖4的周期“變距”，來實現旋翼傾轉與平飛的。

“機智號”無人直升機之所以在火星上飛到14m的高度也很困難，是因為無人直升機要實現爬升與平飛等機動飛行，需要提供更大的旋翼拉力。而從前面的分析，“機智號”無人機并沒有多少旋翼拉力余量。

美國早期火星無人機的發展

有趣的是，早在2001年美國佐治亞技術研究所在NASA資助下研發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特性（在火星上飛行的雷諾數相當于地球上距離地面30 km以上的雷諾數），傳統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獲得高升力。該研究所開始研發用于未來機器人火星任務的概念仿昆蟲飛行器。然而，由于沒有得到進一步經費的支持，實際到火星上試驗之事并未成行。