黄志澄：开启火星的航空时代——10问“机智”号火星直升机

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远望智库高级研究员   黄志澄

“机智”号火星直升机构造轻巧，重量只有约1.8公斤，旋翼宽度为1.2米。它能够通过太阳能板充电锂电池，飞行过程中的平均功率约为350瓦。NASA表示，在为期30天的7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。

美国NASA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NASA将火星车命名为“毅力”号(Perseverance)之后，NASA官方觉得把“机智”号用在火星直升机上再合适不过了，这是对火星直升机研制团队最合适的嘉奖。人们在太空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。

NASA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，NASA为何要发展火星无人直升机呢？其原因是当然与火星离地球较远和火星表面的环境有关。火星由于它距离地球太远，操控火星车就变得十分困难。根据火星与地球间的相对位置的不同，信号需要8到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。

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。若火星车以后一种自主模式，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。此时 ，“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，NASA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。

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个火星天之间，“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。然后火星车就会驶到一个安全的地方。

“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。“毅力”号还将测量火星的风和大气数据，以帮助地球上的飞行控制系统。

早在上世纪50年代，航天先驱沃纳·冯·布劳恩(Wernher von Braun，1912-1977)，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年初，NASA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（Wright Brothers）发明飞机100周年。可惜在不久之后，NASA因接连损失两个火星探测器，使得研发火星无人机的计划被迫中断。在这之后，NASA Langley中心和 Ames中心都研究过新的方案，但都由于在火星上安全起降的困难而仍停留在初期研究阶段。

NASA Ames中心早在2001年，就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10-50kg无人直升机的旋翼转速、飞行效率和工作时间。同时，NASA喷气推进实验室(JPL)在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。

NASA在综合分析比较了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了火星直升机项目，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。

在火星上无人直升机要面临特殊的考验。一方面火星引力为3.71m/s，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，这浮力在火星上却更加难以操控。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，要比地球上的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面高空30公里上的飞行。

为此，火星上无人直升机的旋翼只能选择更加快速的旋转，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，NASA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，旋翼的材料采用了高强度复合材料。

由于火星大气的稀薄，导致旋翼升力随旋翼转速的变化，其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，实现它的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，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。

“毅力”号着陆点耶泽罗陨石坑的白天的温度可达30C０左右，夜间温度可低至零下90摄氏度。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。

环绕“机智”号旋翼的气体流动相当于地面30 公里上旋翼的绕流，过去研究很少。NASA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。

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7.62m高为26m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CO2，其密度为0.0175 kg/m3。从2016年5月开始，JPL对重量为850g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，我们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，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。