8500萬美元的小直升機,起飛就是成功,在火星飛行有多…


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8500萬美元的小直升機,起飛就是成功,在火星飛行有多難?

為了配合“火星2020”探索任務,美國航天局的噴氣推進實驗室打造了一架無人直升機,它只有1.8公斤重,卻總共花掉了8500萬美元,相當於每克重量耗資47222美元!考慮到國際金價是61.66美元/克,這架名叫“機智號”的小飛機每克價格達到黃金的766倍,說它是“史上最貴”應該不會有人反對吧。

火星直升機機智號

如此昂貴的小飛機,它肩負著什麼樣的科學使命呢? NASA對它的期待很簡單,三個字:飛起來。

任務是如此地簡單,“機智號”上沒有攜帶任何的科學設備,只裝了兩個攝像頭和一個低帶寬的無線傳輸設備,負責在1公里以內把飛行過程的照片傳給火星車。當然了,由於火星距離地球太遠,電磁波一來一回至少需要十幾分鐘,從地面遙控無人機飛行不太現實,因此“機智號”會按照地面設定的程序,再根據傳感器的數據“自主”飛行。

飛行模擬動畫

有朋友說,NASA傻呀!不就是飛起來麼,用大疆分分鐘搞定,1萬塊錢不到的事。你別說,用大疆還真未必行,因為火星跟地球的環境完全不一樣。

火星半徑大約是地球的一半,平均密度也小於地球,所以火星表面的重力很低,一個體重100斤的漂亮姑娘要是去到火星稱重,她大約只有38斤。也就是說,地面上1.8公斤的“機智號”,在火星表面只需要0.68公斤的推力(差不多是電風扇三檔風)就能飛起來。是不是很容易?

在火星啟動測試成功

但是且慢!你可能不知道火星大氣極度稀薄,表面大氣壓力只有地球海平面的0.6%,電風扇開三檔好比你打了個哈欠。火星空氣差不多相當於地球34公里高度的空氣密度,在地球上只有一架飛機能飛到這麼高,1977年前蘇聯的米格-25曾短暫地衝上37650米高度,排名第二的美國“黑鳥”升限是26600米。 34公里已經接近真空了,直升飛機那是想都別想。

米格-25與“黑鳥”

這麼看起來,“機智號”想在火星上飛起來還真是不容易。

別看火星直升機身板兒小,總重量只有1.8公斤,但噴氣推進實驗室卻給它配了兩對“巨大”的碳纖維螺旋槳,旋轉起來直徑達到1.2米;為了能飛起來,螺旋槳的轉速要達到2400轉/分鐘,翼梢速度接近0.7馬赫。你可能會說,2400轉不快呀,但相對於這麼大的螺旋槳和如此輕的重量,要做到精準可控,還是有點難的。

機智號

“機智號”採用了共軸雙槳的推進方式,也就是說它的兩副螺旋槳是上下重疊,下邊的螺旋槳順時針旋轉,上邊的逆時針轉動,跟我們平常見到的大多數直升飛機不同。這又是為什麼呢?

說到底,NASA還是希望它能獲得更大升力。

我們常見的直升飛機大多頂著個主旋翼,在尾巴上還豎著裝一個尾槳。主旋翼在旋轉的時候會推動空氣,空氣的反作用力在旋翼上產生一個反向扭矩,旋翼逆時針旋轉時,機身就會順時針轉動,這是很危險的,會造成飛機失控。我們在直升機的尾巴上也安裝一個螺旋槳,讓它向左吹風,通過推力來補償機身的扭矩,就能達到控制方向的效果。

直升機力學簡圖

大多數直升飛機都採用這種方式,是因為它結構很簡單,不需要太過複雜的機械構件,可靠性也更高。但它的機械效率比較低,因為大量的能量被用來抵消扭力而不是用來產生升力。

1754年,俄羅斯科學家發明了同軸雙槳直升機,它將一對反向旋轉的螺旋槳裝在同一個軸上,當兩個螺旋槳的轉速相同時,它們產生的扭矩會相互抵消,因此機身可以保持方向,不需要尾槳來糾偏。

共軸雙槳直升機不需要尾槳糾偏

同轴双桨直升机的好处显而易见,它显著提升了螺旋桨的升力,输出功率稳定、飞行过程中叶片振动小、同时降低了后退叶片失速现象。它的不足之处就是旋转部件的结构复杂,并且由于叶片间气流扰动的关系,两对桨叶相加的推力只比一对桨叶多15%,不是我们想象的1+1=2的关系。

機智號啟動模擬動畫

“機智號”配備了一組2Ah的索尼鋰電池,只能供小飛機飛最多90秒和大約50米距離,完了它必須停下來利用太陽能充電。火星表面光照弱,充電時間可能會很長。

NASA在太空探索上面花錢向來都是不眨眼,一輛“毅力號”火星車耗資27.25億美元,花8500萬做一架小飛機——儘管它的任務只是飛起來拍個短視頻,那也在情理之中,畢竟這是在火星上的第一次飛行。

可能下次咱們天問二號訪問火星也會帶架飛機上去,當然,價錢肯定不會這麼貴,像“機智號”這樣的,85萬美元一架恐怕都有人罵“敗家”吧?

誰知道呢!