航空環境公司協助NASA建造火星直升機

原標題：航空環境公司協助NASA建造火星直升機

　　【據航空周刊與空間技術2018年7月9日報道】儘管航空環境公司以其小型無人機產品而聞名，但公司最初成立的目標所涉及用於低速、高海拔環境飛行的飛行器，並在這方面積累了獨一無二的氣動設計經驗。現在，這些經驗將幫助NASA噴氣動力實驗室（JPL）開發一個用於在火星表面飛行的無人直升機，2020年7月隨著「火星2020」探測器一起飛向火星。

火星表面的空氣密度與地球上100000英尺（30480米）相當，在這方面，航空環境公司曾於2001年開發了Helios太陽能動力無人機，其飛行高度達到了98800英尺（30114米），但其翼展達到270英尺（82.3米）。而NASA要求火星直升機使用的共軸雙旋翼直徑只有4英尺（1.22米）。

低空氣密度和小尺寸兩方面的要求將影響旋翼的氣動行為和特性。其中一個關鍵的因素就是雷諾數，即動量產生的慣性力與粘性力之比，這將決定氣流是層流還是湍流。

火星直升機旋翼工作狀態下的雷諾數在幾千到幾萬這一量級，而地球大氣下使用的全尺寸飛行器的雷諾數則通常在幾千萬這一量級。這意味著必須為火星直升機設計專門的翼型。

航空環境公司在此前設計微型和袖珍無人機過程中積累了很多低雷諾數飛行狀態的設計經驗，如公司在DARPA「袖珍飛行器」（NanoAir Vehicle）項目支持下開發的「蜂鳥」撲翼機。該機僅重9克，翼展只有16.5厘米。

利用其在高海拔環境和小尺寸無人機方面的設計經驗，公司首先製造了縮比原型機，驗證了其旋翼系統能夠在火星大氣環境下產生升力的可行性。隨後在2016年5月，公司向JPL交付了火星直升機的旋翼和起落架裝置。

目前，該機完成了全尺寸原型機及其和JPL開發的控制器的集成，並在一個直徑7.62米的封閉艙室內驗證了模擬火星大氣環境的自由飛行。該機使用共軸雙旋翼構型，下旋翼上專用周期變距和總距控制機構，上旋翼則只有總距控制，全機總重為850克。

為了進行測試，JPL將封閉艙室抽成真空，然後注入二氧化碳氣體，使其與火星環境下的空氣密度相當。由於地球的重力高於火星環境，因此不能建造一個質量與火星直升機完全相同的原型機來進行測試。因此JPL將火星直升機的動力和航電設備通過一條重量很輕的電線連接到無人機上，以降低測試用原型機的質量，使其所受的重力與在火星環境下的重力大致相當。

2017年秋天，公司向JPL交付了用於2架工程研製型機的主要子系統，包括旋翼、起落架、機身外殼和太陽能板基板。JPL則為其集成了航電系統、機載動力系統、飛行控制系統、感測器和通信系統。在加裝了這些系統後，工程研製型機的總重提高到了1.7千克。

2架工程研製型機中的1架用於在火星大氣模擬艙內進行飛行驗證，另一家則用於進行環境試驗，包括熱力學試驗、振動試驗等，以保證其能夠承受隨火星探測器進行發射和著陸的過程，以及火星的夜間-100℃低溫。

航空環境公司目前正在製造用于飛行的火星直升機的子系統，這些子系統將集成到JPL目前正在建造的技術驗證機上。目前NASA計劃讓該機隨「火星2020」探測器發射並著陸到火星表面，但這一計劃並未最終確定。

火星直升機將在火星車抵達預定的區域後，由火星車探測並選擇合適的地點進行部署。部署完成後火星車將駛離到安全範圍外。當直升機的太陽能電池完成充電，系統完成自檢後，地球上的控制員將命令直升機升空到3米的高度並懸停30秒。該機設計能夠使用超過30個火星日（約24.8個地球日）。根據使用環境，以及太陽能板為機載的鋰電池充電所需的時間，該機預計能夠進行最多5次自主飛行，每次飛行的最長時間可達到90秒，以3-10米的高度飛行最遠300米的距離，期間將使用機載的基於圖像的導航系統進行導航。（中國航空工業發展研究中心 李昊）

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