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設(shè)備與工具北京時間4月19日18時52分，美國宇航局 NASA 正式宣布，首個火星無人機“機智號”成功在火星耶澤羅撞擊坑完成首飛，這是人類首次在地球以外的大氣層內(nèi)完成可控動力飛行，標志著人類對火星的探測正式從“火星車”時代向“火星飛行器”時代邁出歷史性的一步，是人類對宇宙探索方式的新突破?；鹦菬o人飛行器為人類打開“空地一體化”的太空探索新維度提供了可能。
與常見的小型航拍多旋翼飛行器和大型固定翼無人機不同，“機智號”是一架采用共軸反轉(zhuǎn)雙旋翼結(jié)構(gòu)的標準無人直升機（如下圖所示）。
NASA選擇直升機構(gòu)型的原因
讓我們從“機智號”在火星飛行面臨的各項難點和挑戰(zhàn)來分析：
1.極低的空氣密度和空氣壓力，需要最高效的飛行器形態(tài)
火星上的空氣密度大約只有地球上的1%，而氣壓更是低至0.1PSI。根據(jù)計算，在火星表面飛行，相當于在地球上空50km-60km的高度飛行，這對于大氣層內(nèi)依靠空氣產(chǎn)生升力的常規(guī)飛行器而言，絕對是一個巨大的挑戰(zhàn)。
眾所周知，對于旋翼飛行器來說，旋翼數(shù)量是決定其整體效率的重要一環(huán)。在同等重量下，旋翼數(shù)量越多，整體效率將會越低。而目前懸停效率最高的飛行器依然是共軸雙槳，現(xiàn)代旋翼槳葉由于采用變翼型、大負扭、大尖削等設(shè)計，懸停效率能達到0.8以上。
而隨著旋翼數(shù)量的增加，整體效率逐步降低?！皺C智號”攜帶的電池容量有限，數(shù)據(jù)顯示其2/3的電量需要用來為電池組和其他電子元器件做保溫工作，只有1/3的電量能夠用來飛行。
艱巨的任務(wù)決定了其需要在滿足盡可能低的起飛重量下達到盡可能長的飛行時間，因此直升機結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為了解決飛行效率問題的最佳方案。
2.載重能力與體積大小的平衡，結(jié)構(gòu)強度和重量的取舍
盡管火星上的重力大約只有地球上的1/3，但是要在0.1PSI的超低氣壓下依靠空氣垂直起飛，仍然比在地球上起飛的難度大了數(shù)十倍。“機智號”必須依靠足夠的動力和轉(zhuǎn)速才能夠順利起飛，這意味著需要穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)去支持，但又不能因此而增加更多的重量，因此飛行器材料選擇和動力形態(tài)的設(shè)計尤為關(guān)鍵，整臺機器必須具有極高的飛行效率和極輕的整體重量。
由于火星上的音速約為240m/s，經(jīng)計算，在同等體積大小和重量下下若采用單旋翼結(jié)構(gòu)，那么旋翼轉(zhuǎn)速的增加將使得翼尖線速度超過火星表面的音速，使得飛行變?yōu)椴豢赡?，?strong>采用1.2m直徑的雙旋翼，在2400rpm時，翼尖線速度將小于0.7馬赫（火星表面音速），處于安全區(qū)間內(nèi)。
*機智號原型在實驗室中的試飛
因此上下重疊的共軸雙旋翼方案成為了平衡載重能力和體積大小的唯一選擇。盡管下層旋翼將受到上層下洗氣流的影響而損失部分升力，但經(jīng)過不斷優(yōu)化與設(shè)計，其整體效率依然高出多旋翼飛行器不少。
3.抗風(fēng)性和防塵性的需求
盡管空氣如此稀薄，但火星并非是一個安靜的星球，火星上的平均風(fēng)速約為10m/s，極端情況下，火星上甚至?xí)a(chǎn)生28m/s（100km/h）的猛烈風(fēng)暴——這對于一個一米級別尺寸的小飛行器而言很可能是致命的。要想順利起飛，“機智號”必須具備一定的機動性和抗風(fēng)性，并且其結(jié)構(gòu)和各種電子元器件必須能夠在大風(fēng)揚起的沙塵中得以存活。
*共軸反轉(zhuǎn)旋翼示意圖，上下旋翼通過反向轉(zhuǎn)動抵消扭矩
直升機結(jié)構(gòu)具備了高機動性的先天優(yōu)勢。相較于多旋翼，其重量分布集中，可以以較短的力臂完成姿態(tài)改變，同時直升機獨有的變距結(jié)構(gòu)能夠在旋翼盡可能大、效率盡可能高的同時保持快速修正能力，使得其在與惡劣環(huán)境抗衡的同時還能滿足飛行的需求。
“機智號”的相關(guān)參數(shù)：
| 旋翼直徑 | 1200mm | 單次飛行時間 | ＜90s |
| 旋翼轉(zhuǎn)速 | 2400rpm | 最大飛行半徑 | 50m |
| 起飛重量 | 1.8kg | 最大水平速度 | 10m/s |
| 電池容量 | 35-40Wh | 最大垂直速度 | 3m/s |
與其他飛行平臺構(gòu)型對比
1）多旋翼。同樣起飛重量下，多旋翼的槳葉直徑遠小于直升機，因此需要更高的轉(zhuǎn)速來維持飛行，并且還需要預(yù)留足夠的轉(zhuǎn)速上升空間滿足姿態(tài)修正，這對于即將觸碰到音速邊緣的螺旋槳而言，并不是一個好的選擇。而多旋翼的結(jié)構(gòu)決定了將存在多個布置在結(jié)構(gòu)邊緣的電機，這對于可靠性和機動性而言都將有所降低，同時，還要增加不少結(jié)構(gòu)重量。“機智號”目前所用的1.2米大槳單只重量僅為35g，而一個電機增加的重量遠大于此。
2）垂直起降固定翼。固定翼的優(yōu)勢和所取得的成就讓人向往，但是在空氣稀薄的火星表面，為獲得足夠的升力，固定翼無法將速度控制在較低水平。對于有限通訊距離的火星探測器而言，固定翼的航程優(yōu)勢將不存在。而垂直起降固定翼的懸停能力有限，巨大的翼展也決定了其在起降階段無法抗衡火星上的風(fēng)力環(huán)境。
由此可見，在火星這種極其復(fù)雜的環(huán)境下，無人直升機這一構(gòu)型無疑是最可靠的選擇。
機智號”的順利首飛無疑是人類航空史和航天史的重要里程碑，回望地球，在各類危險復(fù)雜的環(huán)境中擔(dān)當重任的，依然是無人直升機。尤其在高海拔地區(qū)，由于空氣密度降低，高效率且具備足夠載重性能和機動性能的直升機或?qū)⒊蔀槲ㄒ豢煽康倪x擇。
在國外，無人直升機其實已是工業(yè)領(lǐng)域的主流應(yīng)用產(chǎn)品，放眼國內(nèi)，我們同樣擁有完善工業(yè)級無人直升機技術(shù)體系的廠家。
正如環(huán)球時報報道稱：中國不僅在固定翼無人機方面已經(jīng)成為世界上最大的參與者，而且在無人直升機方面也是如此?，F(xiàn)在許多中國公司都在提供各種各樣的無人直升機選擇，包括中國航空工業(yè)集團公司(AVIC)的AR500C，廣東珠海紫燕無人機公司的可在高海拔邊境地區(qū)作業(yè)的河豚A2，中國075型兩棲艦上可兩棲作戰(zhàn)的不明型號飛行器，以及同樣由中航工業(yè)生產(chǎn)的可以夜間作業(yè)的AV500。
*環(huán)球時報相關(guān)報道
其中備受美國國防部關(guān)注的國內(nèi)無人機廠商——珠海紫燕研發(fā)的無人直升機，早在2018年7月便成功從4000米海拔高地垂直爬升至7000米高空，創(chuàng)下當時的無人機之最，旋翼轉(zhuǎn)速達2321（“機智號”轉(zhuǎn)速2400rpm）。目前，珠海紫燕明星產(chǎn)品河豚A2無人直升機已在2021年進一步完成了高原載重測試。
*飛行過程地面站截圖，當前海拔高度6993米
*7000米高度下的吊艙視角，遠處云霧中為昆侖山東段最高峰-玉珠峰
“機智號”在火星上39秒的飛行，開啟了人類用直升機在火星探索的新征程，刷新了無人直升機的飛行極限，驗證了直升機構(gòu)型在復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)能力。相信不久的將來，無人直升機將會成為工業(yè)級飛行器的主流形態(tài)。
紫燕致力于使用成熟技術(shù)與前瞻科技，制造智能化電動無人直升機平臺，并擁有飛控軟硬件系統(tǒng)研發(fā)、飛行動力系統(tǒng)研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、整機集成以及解決方案一體化定制的實力。
紫燕目前主打產(chǎn)品為電動無人直升機，可適用于高速巡查、救援、邊境巡邏、反恐、特種作戰(zhàn)與空中警戒、訓(xùn)練靶機、中小型快速物流平臺等；未來的空中智能無人貨運平臺可廣泛運用于民用與軍用市場，依托先進無人直升機技術(shù)紫燕已經(jīng)打造出優(yōu)秀的單兵個人飛行系統(tǒng)。
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