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航空环境公司协助NASA建造火星直升机
2018-07-18
【据航空周刊与空间技术2018年7月9日报道】尽管航空环境公司以其小型无人机产品而闻名,但公司最初成立的目标所涉及用于低速、高海拔环境飞行的飞行器,并在这方面积累了独一无二的气动设计经验。现在,这些经验将帮助NASA喷气动力实验室(JPL)开发一个用于在火星表面飞行的无人直升机,2020年7月随着“火星2020”探测器一起飞向火星。
火星表面的空气密度与地球上100000英尺(30480米)相当,在这方面,航空环境公司曾于2001年开发了Helios太阳能动力无人机,其飞行高度达到了98800英尺(30114米),但其翼展达到270英尺(82.3米)。而NASA要求火星直升机使用的共轴双旋翼直径只有4英尺(1.22米)。
低空气密度和小尺寸两方面的要求将影响旋翼的气动行为和特性。其中一个关键的因素就是雷诺数,即动量产生的惯性力与粘性力之比,这将决定气流是层流还是湍流。
火星直升机旋翼工作状态下的雷诺数在几千到几万这一量级,而地球大气下使用的全尺寸飞行器的雷诺数则通常在几千万这一量级。这意味着必须为火星直升机设计专门的翼型。
航空环境公司在此前设计微型和袖珍无人机过程中积累了很多低雷诺数飞行状态的设计经验,如公司在DARPA“袖珍飞行器”(NanoAir Vehicle)项目支持下开发的“蜂鸟”扑翼机。该机仅重9克,翼展只有16.5厘米。
利用其在高海拔环境和小尺寸无人机方面的设计经验,公司首先制造了缩比原型机,验证了其旋翼系统能够在火星大气环境下产生升力的可行性。随后在2016年5月,公司向JPL交付了火星直升机的旋翼和起落架装置。
目前,该机完成了全尺寸原型机及其和JPL开发的控制器的集成,并在一个直径7.62米的封闭舱室内验证了模拟火星大气环境的自由飞行。该机使用共轴双旋翼构型,下旋翼上专用周期变距和总距控制机构,上旋翼则只有总距控制,全机总重为850克。
为了进行测试,JPL将封闭舱室抽成真空,然后注入二氧化碳气体,使其与火星环境下的空气密度相当。由于地球的重力高于火星环境,因此不能建造一个质量与火星直升机完全相同的原型机来进行测试。因此JPL将火星直升机的动力和航电设备通过一条重量很轻的电线连接到无人机上,以降低测试用原型机的质量,使其所受的重力与在火星环境下的重力大致相当。
2017年秋天,公司向JPL交付了用于2架工程研制型机的主要子系统,包括旋翼、起落架、机身外壳和太阳能板基板。JPL则为其集成了航电系统、机载动力系统、飞行控制系统、传感器和通信系统。在加装了这些系统后,工程研制型机的总重提高到了1.7千克。
2架工程研制型机中的1架用于在火星大气模拟舱内进行飞行验证,另一家则用于进行环境试验,包括热力学试验、振动试验等,以保证其能够承受随火星探测器进行发射和着陆的过程,以及火星的夜间-100℃低温。
航空环境公司目前正在制造用于飞行的火星直升机的子系统,这些子系统将集成到JPL目前正在建造的技术验证机上。目前NASA计划让该机随“火星2020”探测器发射并着陆到火星表面,但这一计划并未最终确定。
火星直升机将在火星车抵达预定的区域后,由火星车探测并选择合适的地点进行部署。部署完成后火星车将驶离到安全范围外。当直升机的太阳能电池完成充电,系统完成自检后,地球上的控制员将命令直升机升空到3米的高度并悬停30秒。该机设计能够使用超过30个火星日(约24.8个地球日)。根据使用环境,以及太阳能板为机载的锂电池充电所需的时间,该机预计能够进行最多5次自主飞行,每次飞行的最长时间可达到90秒,以3-10米的高度飞行最远300米的距离,期间将使用机载的基于图像的导航系统进行导航。(中国航空工业发展研究中心 李昊)

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