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“机智号”无人机的火星起飞,难点在哪?

2021-06-30 12:39:35 航空知识微信公号 航空知识专栏

2021年4月19日“机智”号无人机在火星完成首飞,成为了人类首架在其他行星上飞行的可控飞行器。截止目前,“机智号”已经完成了7次飞行。

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“机智号”第7次飞行过程中拍下的照片(来源:NASA)

为什么要研发火星无人机?

作为一种新型的火星探测装置,火星无人机可以克服火星车和轨道探测器的一些缺陷,为探索火星、开发火星提供一条重要的技术途径。

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首先,火星无人机的飞行速度要远大于火星车,可以极大地提升探测的效率;第二,火星无人机能够应对复杂多变的火星地形,能够探测到火星车无法到达的区域,如陨石坑、古老高地等;第三,飞行器具有广阔的高空视野,极大的扩展了探测范围,且能够协助火星车选择行进方向以防陷入沙坑;第四,火星无人机能够悬停,实现对山峰、峭壁等特殊环境的取样;最后,火星无人机可对火星近地磁场和大气成分的空间分布进行科学测量。因此,火星无人机作为一个协作探测平台,可以进一步完成目前火星车所无法实现的探索任务。

火星起飞难点在哪?

苛刻的火星环境对火星无人机技术研究具有极大的挑战。火星是太阳系内八大行星之一,紧邻于地球,直径约为地球的53%,质量约为地球的14%,重力约为地球的38%,其自转轴倾角和自转周期与地球相似,公转一周的时间大约是地球公转时间的两倍。

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来源:参考文献[1]

火星大气密度仅为地球大气密度的1/70,此时低雷诺数飞行条件导致的黏性效应与流场分离现象将对无人机的气动特性产生巨大影响。火星地表存在大量陡峭的环形山,这要求无人机具有合适的飞行高度。火星地表存在反复无常的火星风、尘暴,风速为2-7m/s,地形交界处甚至达到50 m/s,这要求无人机能够快速地对变化的飞行环境进行姿态调整。火星昼夜及四季地表温度变化明显,夏季平均温度为-60℃,冬季平均温度为-120℃。低温使火星声速仅为地球的72%,这导致无人机桨叶边缘处于高马赫数状态并易产生空气压缩效应与激波振荡。火星表面呈现多坑地貌,存在大量凸起的环形壁垒、高山与峡谷,这要求火星无人机能够在复杂多变的地表完成起降。

  

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火星无人机的飞行参数(来源:参考文献[1])

美国火星无人机研究历程

2001年,美国埃姆斯研究中心论证了利用旋翼式无人机垂直起降特性探测火星表面崎岖地形的可行性,预测了质量10~50 kg无人机的旋翼转速、飞行效率和工作时间。2002年,埃姆斯研究中心基于四桨叶独立转子,研制了TAMS(Terrestrial-Analog MarsScouts)系列共轴旋翼式无人机。

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线性转子试验台与第2代TAMS无人机

2000年,马里兰大学开展了共轴反桨双旋翼火星无人机研究,并在2001年研制了旋翼式火星无人机MICRO,采用悬停方式对环境进行探测,悬停时间为20~30min,并具有良好的飞行稳定性和控制性能。

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MICRO无人机

2003年,马里兰大学研制了一种质量约为50kg、能实时进行姿态调整的大型火星无人机MARV,具有10.8kg的有效载荷,能够在25km范围内飞行39min并能悬停1min;之后,基于埃姆斯研究中心的转子悬停试验,马里兰大学对试验结果进行了详细分析,最终论证并研制了质量为200g的共轴旋翼式火星无人机Microro-torcraft,该无人机能够在模拟的火星环境中飞行12~13min。

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MARV无人机

2008年,萨里大学将旋翼式无人机垂直起降特性与火星探测任务结合,规划了利用火星无人机协助火星车完成火星表面多点采样的方案。2012年,萨里大学研制了一种倾斜旋翼式无人机Eye-On,该无人机质量为15kg,旋翼翼展达1.4m,能够在100km范围内巡航飞行38min。

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Eye-On无人机

2016年,萨里大学研制了新一代倾斜旋翼式无人机Y4TR,该无人机采用非线性系统SDRE控制,可实现无人机的自主巡航。

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“机智号”火星无人机

2004年,美国喷气推进实验室(JPL)对比了各类火星无人机的飞行原理、结构形式及适应性能,将旋翼式火星无人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。

2015年,JPL发布火星无人机原型JPL-2015,该小型共轴旋翼式火星无人机质量约为1kg,翼展大小为1.1m;采用太阳能供电,搭载一个高分辨率的测量相机探测地形,并将数据中继到火星车的通信系统;无人机能够在模拟的火星大气环境中完成起飞、悬停、偏转、降落等飞行动作。JPL-2015每次只能使用约3min,能够上升到100m的高度。

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JPL-2015原型机

2020年7月,NASA研制的火星无人机作为“毅力号”火星车的配置载荷前往火星。“机智号”无人机的基础构型正是JPL-2015火星无人机,重量不到1.8kg,是一个小型自动旋翼飞行器,机身尺寸约9cm,搭载了太阳能电池和锂离子电池,2个反向旋转的叶片能够以近3000r/min的速度咬入火星稀薄大气,这一转速约是地球直升机转速的10倍。

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2021年4月19日,NASA发表声明称“机智”号小型双旋翼无人机于美东时间19日凌晨3时34分在火星杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)执行首次飞行任务。本次飞行最高高度达10英尺,并保持稳定盘旋30秒,之后开始下降,并在火星表面着陆,飞行共经历39.1秒。美东时间当日上午6时46分,“机智”号通过“毅力”号火星探测器向地球传回的数据显示,这架无人机完成了首次飞行任务。这是首架在其他星球上完成动力飞行的旋翼飞机。

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“蜻蜓”无人机

2019年,NASA宣布将发射一架旋翼无人机——“蜻蜓”前往土卫六(泰坦)进行全面探测。“蜻蜓”的设计是基于300kg重的“四角八度飞行器”,本身也是一个着陆探测器,体长约3m,四角各有一对共轴螺旋桨,构成一架四轴旋翼机。“蜻蜓”使用30kg放射性同位素电池供电,可支撑以10m/s的速度飞行2h,电池工作寿命内飞行总里程可能达60km,其中任务设计的单次飞行距离最远可达8km。

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“蜻蜓”基本构型艺术图

   除了长距离飞行外,“蜻蜓”还可以通过“降高”地面几米来重新定位传感器,实现近距离精确移动。下图为“蜻蜓”在土卫六的探测任务流程图,包含进入、下降与着陆段、飞行探测、重复着陆、重复探测。

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“蜻蜓”在泰坦表面探测的艺术图

2018年5月,“蜻蜓”开始进行样机外场飞行控制测试,主要包括飞行稳定性测试与导航跟踪测试。

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我国火星无人机研究进展

我国在火星无人机研究领域起步较晚。其中,南京航空航天大学的姚克明对中国未来火星无人机探测进行了任务规划与建模分析,建立了火星无人机控制的非线性模型。哈尔滨工业大学已经开始设计一种旋翼飞行器以适应火星稀薄大气环境。

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哈尔滨工业大学的火星无人机概念渲染图

目前,中国在火星无人机原理样机的研制与试验方面仍然处于空白状态,未来仍需持续投入研究。(作者:做硬科普的)

责任编辑:@intern