空气动力学 | 仿真助NASA“机智号”直升机火星首飞

本文原载于Ansys Advantage：《How Simulation is Helping Make History: The First Flight on Mars》

美国宇航局(NASA)重量4磅（1.8公斤）的“机智号”直升机创造了历史，全世界见证了人类技术在另一个行星上的首次动力飞行。

美国宇航局“毅力号”火星漫游车搭载“机智号”直升机，在2021年2月18日着陆火星。4月，“毅力号”将“机智号”展开、安放到火星地表，启动了“机智号”的火星任务。“机智号”沿耶泽洛(Jezero)陨石坑表面完成首飞，之后又进行了一系列飞行，它的表现远超人们对这架微型飞行器的最初预期。

在火星上空飞行的潜在挑战难以预测。一直以来仿真和风洞对飞行测试都至关重要，因为它们可以再现飞机将遭遇的状况。然而，在地球上准确地复制另一星球的重力与大气几乎无法实现，因此，成功飞行的关键在于在虚拟环境中运行仿真。

在火星上飞行的主要挑战在于大气稀薄。地球上的直升机飞行高度记录由法国人弗雷德里克·诺斯(Frédéric North)创造，为4.25万英尺。空气极为稀薄的平流层制约了诺斯的直升机旋翼，使他无法超越这一高度。火星表面的大气密度相当于地球表面10万英尺高度的水平。“机智号”直升机依靠轻量型设计、大型同轴旋翼和较低的火星重力，才能在如此极限的条件下飞行。

火星的飞行环境与地球截然不同：

• 大气密度仅为地球的1%

• 二氧化碳占其大气成分95%

• 重力是地球的三分之一

• 平均温度零下60℃ (-76F)，而耶泽洛(Jezero)陨石坑夜间可低至-90℃ (-130F)

当“机智号”飞离火星地面后，在如此稀薄的大气中如何保持方向控制是保障正常飞行的一大难题。为了避免坠机，需要以毫秒级的频率对旋翼的俯仰、横滚和攻角进行持续校正。因此，仿真高级飞行控制系统是在火星上安全飞行的必要条件，但此类分析需要获取准确的空气动力数据。

在本次火星探测任务之前，在火星上飞行虽然理论上可行，但工程师对成功飞行所需的控制水平并没有把握。

NASA如何确保将一架直升机送上火星，并让它有机会展翅翱翔呢？其中一大原因是他们使用了Ansys Fluent。

据一份研究论文显示¹，开发团队将Fluent用于计算旋翼叶片上的空气动力作用。为预测这些空气动力，旋翼叶片被分解成包含翼展、翼弦、翼扭转和翼后掠的许多薄片。

然后计算出不同的迎角和马赫数对升力系数、阻力和俯仰力矩的影响。之后，这些数值制表被NASA用于直升机的飞行动力学表现建模。

上述仿真利用无质量示踪粒子，重点显示旋翼穿过大气层时形成的冲击。示踪粒子按照速率标色。我们可以在旋翼上和靠近翼尖的位置观察到最大速率（红色）。随着粒子形成通向地平面的螺旋路径，我们还可以观察到较低的速率。由于旋翼彼此交错旋转，我们不能观察到来自下方旋翼的粒子被上方旋翼拉升或扰动。我们希望让旋翼拉动的反向气流间的相互作用保持最低，确保直升机的最大升力。

“机智号”的旋翼采用同轴布置，并非地球上无人机广泛采用的四旋翼布局。为何这样设置？因为在“机智号”上使用同轴旋翼能提高效率。

Ansys仿真显示了“机智号”直升机旋翼下的高压区域

上图体现了旋翼下的高压区。下方旋翼下的压力区较大，因为上方旋翼已经压缩了稀薄的火星大气。这种现象有利于下方旋翼提供更大的升力。采用4部单独旋翼的四旋翼机，则不具备这样的优势。此外，在同等推力水平下，四旋翼机的设计也会增加一定的重量。增大的重量主要来自额外的旋翼支架和多部电机的自重。最后，四旋翼机难以装载到“毅力号”漫游车的车腹，着陆后的展开操作也颇有难度。

NASA表示，“机智号”最初被视为一次技术演示，一个尝试在有限范围内首次测试新功能的项目。它是“机智号”项目组工程师6年里不断努力的成果。

即便“机智号”未能成功完成一系列飞行，项目组也已经证明，建造一架在火星大气里能产生足够升力的超轻型飞机，让其在恶劣的火星环境下自主起飞、巡航和留存，在理论上是可行的。正如NASA在试飞“机智号”以前曾表示，这已足以推动飞行技术向前发展。

NASA总部行星科学部主任Lori Glaze在首次飞行前的新闻发布会上表示：“我们的‘索杰纳’漫游车1997年登陆火星，证明了在这颗红色星球进行漫游探测的可行性，并彻底地重新定义了我们探索火星的历史进程。我们同样也希望借此了解‘机智号’推动未来科研方向的潜力。恰如其名，‘机智号’是一次在另一颗星球上完成首次动力飞行的技术演示。如果成功，便能进一步拓宽我们的视野，以及扩大火星探索的可能范围。”

在证明这项技术的可行性后，“机智号”又承载了新的使命。“机智号”实验已进入全新的运作演示阶段，研究空中探测等功能如何帮助未来探索火星和其他星球。

事实上，在完成16次飞行后，“机智号”的性能依然强劲。它已完成大约3公里的飞行距离，现在正与“毅力号”协作进行它们的共同目标：探索耶泽洛陨石坑。地球上的空气密度比火星标准温度和压力下的空气密度大30倍，这使得操纵“机智号”不仅是一项空气动力学上的创举，也是地外探索的一次颠覆。

截止本文撰稿时，“机智号”正准备完成有史以来难度最大的一次飞行。

飞越火星耶泽洛陨石坑“Séítah”区需要飞行至少两次，其中半途会降落一次，这是为了缩短持续飞行时间。因为旋翼转速较高，“机智号”飞行中会以更快的速度飞越相同的距离。然而速度加快会增大飞行中累积的导航不确定性，所以目标着陆范围会扩大。而如果以较低速度飞行，“机智号”则能更准确地抵达南“Séítah”的理想着陆点。另外，南“Séítah”东侧的地形也比西侧的地形更加险峻。

采用两次飞行的方式完成任务，“机智号”便能更准确地抵达南“Séítah”东侧的安全着陆点，避免了不必要的着陆风险。

在这次飞行中（即第17次飞行），“机智号”预计将以10米高度飞行187米，滞空117秒。

从开始任务至今，“机智号”已取得令人瞩目的成就。它并没有与“毅力号”失联，反而成为引领前路的称职前哨。

它们一起以前所未有的方式探索火星，窥探这颗红色星球是否曾经存在过生命。

这绝对是见证仿真和科学改写行星探索史的激动人心的时刻。

参考文献：

1. “Flight Dynamics of a Mars Helicopter,” H. F. Grip, W. Johnson, C. Malpica, D. P. Scharf, M. Mandić, L. Young, B. Allany, B. Mettlerz, and M. San Martin, 2017 (https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/ERF2017_final.pdf)

免责声明：仿真图像来自Ansys基于“机智号”直升 机公开发布模型重新绘制的几何结构，并经过Ansys 工程师运行仿真和后处理分析。美国宇航局喷气实验室并未参与该仿真的设计。