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47222美元1克的机智号直升机,起飞等于成功,在火星飞行有多难?

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史上最贵的小飞机

  为了配合“火星2020”探索任务,美国航天局的喷气推进实验室打造了一架无人直升机,它只有1.8公斤重,却总共花掉了8500万美元,相当于每克重量耗资47222美元!考虑到国际金价是61.66美元/克,这架名叫“机智号”的小飞机每克价格达到黄金的766倍,说它是“史上最贵”应该不会有人反对吧。

  

  火星直升机机智号

  如此昂贵的小飞机,它肩负着什么样的科学使命呢?NASA对它的期待很简单,三个字:飞起来。

  任务是如此地简单,“机智号”上没有携带任何的科学设备,只装了两个摄像头和一个低带宽的无线传输设备,负责在1公里以内把飞行过程的照片传给火星车。当然了,由于火星距离地球太远,电磁波一来一回至少需要十几分钟,从地面遥控无人机飞行不太现实,因此“机智号”会按照地面设定的程序,再根据传感器的数据“自主”飞行。

  

  飞行模拟动画

  有朋友说,NASA傻呀!不就是飞起来么,用大疆分分钟搞定,1万块钱不到的事。你别说,用大疆还真未必行,因为火星跟地球的环境完全不一样。

在火星想飞起来有难度

  火星半径大约是地球的一半,平均密度也小于地球,所以火星表面的重力很低,一个体重100斤的漂亮姑娘要是去到火星称重,她大约只有38斤。也就是说,地面上1.8公斤的“机智号”,在火星表面只需要0.68公斤的推力(差不多是电风扇三档风)就能飞起来。是不是很容易?

  

  在火星启动测试成功

  但是且慢!你可能不知道火星大气极度稀薄,表面大气压力只有地球海平面的0.6%,电风扇开三档好比你打了个哈欠。火星空气差不多相当于地球34公里高度的空气密度,在地球上只有一架飞机能飞到这么高,1977年前苏联的米格-25曾短暂地冲上37650米高度,排名第二的美国“黑鸟”升限是26600米。34公里已经接近真空了,直升飞机那是想都别想。

  

  米格-25与“黑鸟”

  这么看起来,“机智号”想在火星上飞起来还真是不容易。

  别看火星直升机身板儿小,总重量只有1.8公斤,但喷气推进实验室却给它配了两对“巨大”的碳纤维螺旋桨,旋转起来直径达到1.2米;为了能飞起来,螺旋桨的转速要达到2400转/分钟,翼梢速度接近0.7马赫。你可能会说,2400转不快呀,但相对于这么大的螺旋桨和如此轻的重量,要做到精准可控,还是有点难的。

  

  机智号

  “机智号”采用了共轴双桨的推进方式,也就是说它的两副螺旋桨是上下重叠,下边的螺旋桨顺时针旋转,上边的逆时针转动,跟我们平常见到的大多数直升飞机不同。这又是为什么呢?

说到底,NASA还是希望它能获得更大升力。

  我们常见的直升飞机大多顶着个主旋翼,在尾巴上还竖着装一个尾桨。主旋翼在旋转的时候会推动空气,空气的反作用力在旋翼上产生一个反向扭矩,旋翼逆时针旋转时,机身就会顺时针转动,这是很危险的,会造成飞机失控。我们在直升机的尾巴上也安装一个螺旋桨,让它向左吹风,通过推力来补偿机身的扭矩,就能达到控制方向的效果。

  

  直升机力学简图

  大多数直升飞机都采用这种方式,是因为它结构很简单,不需要太过复杂的机械构件,可靠性也更高。但它的机械效率比较低,因为大量的能量被用来抵消扭力而不是用来产生升力。

  1754年,俄罗斯科学家发明了同轴双桨直升机,它将一对反向旋转的螺旋桨装在同一个轴上,当两个螺旋桨的转速相同时,它们产生的扭矩会相互抵消,因此机身可以保持方向,不需要尾桨来纠偏。

  

  共轴双桨直升机不需要尾桨纠偏

  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。

  

  机智号启动模拟动画

  “机智号”配备了一组2Ah的索尼锂电池,只能供小飞机飞最多90秒和大约50米距离,完了它必须停下来利用太阳能充电。火星表面光照弱,充电时间可能会很长。

  NASA在太空探索上面花钱向来都是不眨眼,一辆“毅力号”火星车耗资27.25亿美元,花8500万做一架小飞机——尽管它的任务只是飞起来拍个短视频,那也在情理之中,毕竟这是在火星上的第一次飞行。

  可能下次咱们天问二号访问火星也会带架飞机上去,当然,价钱肯定不会这么贵,像“机智号”这样的,85万美元一架恐怕都有人骂“败家”吧!

  谁知道呢?

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