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你能在美国火星车拍的照中找到火星直升机吗？中国版本会更先进( 二 )



中国的火星直升机“第一架登陆火星的无人飞行器”这个名头已经被美国拿去了 ， 咱们现在已经与“第一名”失之交臂 。 现在我们只能做好第2名 ， 尽量“后来居上” ， 打造出一种性能更好、效率更高的火星无人直升机了 。

火星的大气密度只有地球的1/60左右 ， 而大气压强更是只有地球的1% ， 这意味着一架无人直升机要在火星表面起飞 ， 就相当于在地球上3万多米的临近空间飞行 。 迄今为止 ， 地球上还没有任何一架常规直升机能这个高度飞行 ， 稀薄的空气很难给旋转的桨叶提供足够的气动拉力来保持直升机在如此的高度飞行 。
另外一个重要原因就是 ， 虽然临近空间的大气密度和火星的大气密度相类似 ， 但是地球的万有引力却比火星要高得多 。 火星赤道地表重力加速度大概是3.72 ， 地球赤道表面重力加速度大概是9.78 ， 所以火星的引力大概只有地球的八分之三左右 。 正是因为火星的引力比较小 ， 那么即便它的空气密度很低 ， 在其地表起飞一架旋翼类飞行器仍然比在3万米高空的临近空间更有可能性 。
除了气动问题之外 ， 在火星上飞直升机还面临其他一系列挑战 。 比如说 ， 火星白天的太阳光照只有地球的一半不到 ， 夜间温度则会降低到零下90度 ， 这对于火星直升机的电池来说是一种“灾难” 。 此外 ， 巨大的昼夜温差也会影响到直升机旋翼桨叶结构应变 ， 可能会带来变形的风险 ， 影响它的飞行能力 。

除此之外 ， 火星上面还有巨大的沙尘暴 ， 其沙尘暴的最大风速堪比地球上12级台风的6倍 ， 所以火星无人直升机要在沙尘环境中生存下来也是一件不容易的事情 ， 此外 ， 高频率的沙尘暴很有可能会导致沙尘覆盖无人直升机的太阳能电池板 ， 从而使其难以接受太阳能补充电力而无法激活机器、驱动飞行 。
咱们可以充分参考美国火星直升机的一系列研究成果 ， 在此基础上 ， 就更有希望开发出新一代更强的无人直升机——目前中科院已经造出了一架与美国“机智号”火星无人机非常类似的火星无人机原型机 。 该原型机由中国科学院国家空间科学中心卞春江研究员领导的团队负责研制 ， 专门针对火星车在复杂火星地表行驶受限多、前进速度慢、探测范围小的问题 ， 提出了一种可以在火星表面巡航飞行的“多光谱探测系统” ， 也就是一架类似于“机智号”的共轴双旋翼无人直升机 。 这种无人直升机不仅可以独自探测火星地表的地形 ， 还可以充当火星漫游车的导航员实现火星漫游车 ， 更高效的对火星表面进行探测 。

美国NASA之所以采用共轴双旋翼的设计来作为火星无人直升机的第一选择 ， 主要是因为现阶段美国能够送上火星的无人直升机 ， 其尺寸大小是比较有限的 ， 而在有限的尺寸大小下 ， 共轴旋翼的效率显然是要比其他构型要更高 。 随着火星探测任务的推进 ， 咱们能够往火星上运送的漫游车和无人直升机尺寸都可以越来越大 ， 所以后续的无人火星直升机就未必一定要采用共轴双旋翼的构型 。
“机智号”火星直升机的共轴双旋翼之间有距离非常短 ， 所以双旋翼之间气动干扰非常眼中 ， 而且火星直升机前飞速度比较小 ， 因此上旋翼对下旋翼的气动干扰影响在整个飞行状态中都始终存在 。 这在一定程度上削弱了共轴火星直升机的总体气动效率 ， 如果采用多旋翼的模式 ， 可以在一定程度上减缓这个问题 。 多旋翼无人火星直升机是未来大型火星无人直升机的发展方向之一 。

咱们现阶段在火星直升机设计方面最欠缺的是缺少可以模拟火星环境的试验舱 。 在理论探索方面 ， 咱们与美国NASA之间已经不存在技术上的差距 ， 一旦类火星环境的试验舱问题得到充分解决 ， 那么咱们火星直升机技术研制应该能迅速得到提升 ， 从而面向火星低雷诺数/高马赫数的特殊气动环境 ， 研制出相应的桨叶、翼型并进行独特的旋翼外形优化设计工作 ， 从而充分发挥火星旋翼类直升机的气动性能 。 同时咱们也可以针对美国在火星上碰到的一系列问题开发出更合适的火星电池和能够处理沙尘暴积灰、积沙的电池板灰尘清理技术等等 ， 从而确保咱们的火星直升机技术能够一次取得成功 。

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