黄志澄：NASA火星无人直升机技术的进展

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远望智库高级研究员   黄志澄

NASA火星无人直升机技术的进展

火星是在太阳系中与地球相邻的一个行星。它具有与地球相似的物理体积和地形地貌，完整地记录了太阳系50亿年中行星的诞生与演变历程。因此，火星探测对拓展人类的生存空间、探索生命起源等，都具有十分重要的意义。人类已经对火星开展了几十次无人探测任务，研究了火星的大气和地表。其中包括好奇号、机遇号、火星轨道探测器（MOM）、火星勘测轨道飞行器（MRO）、火星大气与挥发物演化轨道器（MAVEN）以及洞察号着陆器（InSight）等在火星表面着陆的探测器。美国宇航局(NASA)计划在2020年7月，在卡纳维拉尔角采用Atlas V火箭发射“火星2020漫游车”(Mars 2020 Rover)，它将于2021年2月份抵达火星。这次任务将探索航天员登陆火星时可能遭遇的火星环境，对着陆地点进行地质评价、探测环境的可居住性，为选定载人火星的着陆场点作出贡献。与此同时，它还要直接探测火星的生命迹象，采集岩石样本和进行开发火星资源的初步试验。在这次任务中，另一个亮点是要进行火星无人直升机的首次飞行试验。

图1   NASA的火星无人直升机项目

NASA火星无人机的研究概况

早在上世纪50年代，航天先驱沃纳·冯·布劳恩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，并计划于到达火星，以纪念莱特兄弟发明飞机100周年。可惜在不久之后，NASA因接连损失两艘火星探测器，研发火星飞机的计划也因此被迫中断。

在这之后，NASA Langley中心提出了“区域性环境航空测量（ARES）”的火星飞机计划。NASA Langley中心为了实现这个方案，进行了详细的设计优化和风洞试验。，成功进行了一次名叫“火星鹰”的缩比50%模型飞机，在地球高空的飞行试验。ARES原计划加入NASA火星探索项目于2011年发射，不过NASA最终并未将其列入。2015年7月6，NASA发布了可以在火星飞行的第一架飞机的消息。这架无人机可以在火星上巡逻，以寻找未来载人项目的着陆点。这个名为“着陆火星空气动力学设计初步研究（Preliminary Research Aerodynamic Design to Land on Mars， Prandtl-m）”的飞机是一个飞翼式飞机，它由NASA Ames中心设计。这架飞机由装在未来火星漫游车外罩里的3U“立方体纳卫星”来控制它的折叠和部署。目前这个计划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。接着，该中心研制了ＴＡＭＳ系列共轴旋翼式无人机。2005年，该中心经过详细的方案评审后认为，火星飞机虽然有飞行速度快，持续飞行时间长等优点，但在火星崎岖不平的地形下，无法在其降落后保障其复飞，当它进入火星大气层时，其防热问题也不易解决。因此，在要求探测范围并不太大时，研制一种由火星漫游车释放的，用于协助它完成探测任务的小型无人直升机，更为适宜。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。2015年，JPL发布了设想的火星无人直升机的原型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，位于机身下部的存储区集成了控制器、通讯仪器、测控仪器、电源等系统设备，极大地降低了无人机的质量。JPL还与马里兰大学等进行了合作研究，并选择美国AeroVironment公司研发进行飞行火星飞行试验的正式产品。

当14世纪，列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)首次构想出直升机的概念时，他可能从来没有想到，这种构想能有机会在火星上漫游。NASA决定将在“火星2020漫游车”(Mars 2020 Rover)的火星探测任务中，试验JPL的无人直升机在火星上的生存能力和潜力。直升机将附着在火星车底部，直到火星车选择合适的地点将它释放到火星的低空。

图2   NASA“火星2020漫游车”计划

NASA表示，在为期30天的火星飞行测试中，这架火星直升机最多应该能进行5次飞行，以便通过递进的方式飞行更远的距离。但是每次飞行都无法超过几百米或者持续90秒时间。在首次飞行中，它将垂直爬升到3米，在空中盘旋大约30秒。在完成这些测试后，火星直升机会协助火星车进行地质评估，并确定其着陆视野范围内的可居住型。这样做的目的是寻找火星上的古老生命迹象，并评估未来的载人任务可能用到的自然资源和可能面临的灾害风险。火星车还会首次在火星采集岩石和土壤的样本，将它们封装在密封管内，留在火星上以供未来的宇航员取回。即使火星直升飞机试验失败，“火星2020漫游车”的总体任务也不会受到影响。

NASA的这次试验如果成功，这将意味着美国成为第一个在外星上操控航空器的国家。

无人直升机在火星探测中的作用

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。在火星上行驶漫游车实在是太艰难了。在地球上，无线电信号几乎能瞬间从控制中心传递给机器人，因此，用于各种探测的机器人能够实现远程遥控。在月球上以光速传播的无线电信号，只需要大约2.5秒就能够实现地球与月球间的往返。这种延迟并不足以对远程遥控产生严重的干扰。在20世纪70年代，苏联就以这种方式来操控无人驾驶月球车，并且成功探索了40公里的月球地域。但是火星山于它距离地球太远，操控就变得困难得多。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漫游车上，然后由漫游车自动执行程序。漫游车能够通过编程简单执行地球上发送的一系列运行指令，或者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，以这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。若探测车主动以摄像机图像来引导自己，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。在这种运行模式下，一小时只能行驶10米。实际上，火星的地形十分复杂，当火星车的前方路线因地形并不清晰时，它就不得不使用这种模式。“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探测车前飞行。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。

图3   NASA JPL对火星无人直升机任务的仿真

从长远来看，包括无人直升机在内的火星无人机，可以完成许多火星车难于完成的任务：

1.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；

2.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；

3.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；

4.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。

火星无人直升机的关键技术

人类在实现有动力飞行之后就一直在设想，能否在火星上使用航空器，为火星探测和科学研究提供帮助？答案是肯定的，但这一想法要成为现实，却面临重重困难。当前，NASA决定先从发展火星无人直升机着手，虽然它要比一般的火星无人机容易研制，但仍然遇到许多困难。研制火星无人直升机的主要关键技术为：

1.旋翼叶片的气动设计。在火星上无人直升机要面临着特殊的考验。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，通过向下推动空气产生浮力，这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，因此火星直升机就相当于在地面高空30公里上飞行。

为此，火星上无人直升机的旋翼只能选择更加快速的旋转，来产生足够的升力。NASA火星无人直升机采用双叶片共轴对称旋翼，其转速高达每分钟3000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。

火星无人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，黏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，从而使其在雷诺数雷诺数下，能够产生更大的升力。

图4   NASA JPL火星无人直升机的组成

2.飞行控制问题。在火星无人直升机的飞行控制中，稀薄的火星大气导致无人机旋翼升力随旋翼转速变化的幅度，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。火星风、火星尘暴等也将严重影响火星无人直升机飞行的稳定性，这要求火星无人直升机对变化的环境，能够进行快速调整，以保证无人机的飞行安全。此外，如果从地球上对火星无人机进行遥控，由于通信时存在信号传输延迟的问题。为此，火星无人机要有很强的自主判断和执行能力，不能完全依赖地面控制，必须使用预设程序的自动驾驶仪。火星无人机飞行过程中，无法使用ＧＰＳ导航，这就要求以火星漫游车或火星卫星作为基站，实现无人机的自主导航。因此，火星无人机的控制方法应在地球无人机控制方法的基础上，考虑无人机的低气压气动特性及抗环境干扰能力。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，实现火星无人直升机的转向控制与姿态调整。

3.适应火星复杂的环境。火星白天的温度可达30C０左右，但夜间的温度可以低到零下90 C０。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。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。

4.地面模拟试验。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。火星的大气和重力与地球完全不同，而我们对这样的差别对直升机性能有何影响又知之甚少，在地面上又不可能完全复现火星的环境。NASA喷气推进实验室(JPL)建设有一座直径为7.62m高为26m的太空模拟室。为了进行火星直升机试验，将其原来的介质由空气改成CO2，其密度为0:0175 kg/m3。从2016年5月开始，JPL对重量为850g的直升机有试验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。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对火星直升机的试验样机在上述太空模拟室。进行了严格的验证试验，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，包括它在真空室中模拟火星的低密度环境，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。

图5   NASA JPL火星无人直升机的地面试验

结束语:开拓火星探测新途径

NASA的“火星2020漫游车”计划，将为人类揭示这颗红色星球更多的奥秘。如果火星无人直升机的探测方式被证明可行，我们就可以得到传统火星车无法获得的更多信息和图像。如果一切顺利，火星无人直升机可以证明在未来的任何的太空任务里，低空飞行的无人机可以起到很大作用。未来的任务可能包括对土星最大的卫星泰坦，开展机器人探索任务，希望利用无人直升机来探测其地表和大气。

火星无人直升机是航空和航天技术融合的一个范例。NASA科学任务委员会副主管托马斯·泽巴辰（Thomas Zurbuchen）说：“这体现了科学与技术创新的完美结合，也是推动未来火星探索的独特机遇。在莱特兄弟之后，另一批美国先驱或许会证明，人类不只是在地球上，而也可以在另外一颗行星上，进行持续可控的动力飞行。” NASA局长吉姆·布莱登斯汀（Jim Bridenstin）近日称，研制这种无人直升机，符合NASA一直以来的创新传统。他说：“NASA有着骄人的历史，让在地球上制造的直升机，在另一颗行星上空飞行，这种想法令人兴奋。火星直升机可以为我们未来的火星科学、发现和探索任务带来很大的希望。”

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