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毅力号无人机竟可“翱翔火星”,这技术难度有多大?
网友【了不起】 2021-02-19 04:57:51 分享在【时代发展的印记】版块    1    5

美国的毅力号火星车算是目前火星最先进的人造物体了,这辆耗资27亿美元、是同等重量黄金价格40倍的昂贵机器,不仅携带了大量科学载荷,还捎去一架名叫Ingenuity的火星直升机,这将是首次有直升机在这颗红色星球的上空飞翔。它每天可在5米高度自主飞行90秒,不用操控,还能靠太阳能充电,确实挺先进。

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毅力号携带的Ingenuity直升机

但火星表面的空气极其稀薄,气压还不到地球表面的1%,相当于地球上的3万到4万米高空。在如此稀薄的大气中,这架直升机还能飞起来,有什么秘诀呢?现在市面上充斥的四旋翼无人机,拿到那边能飞吗?

秘诀一:火星上的重力比地球小

火星其实没有你想象的那么大,它的半径是3397公里,略大于地球的一半,总质量还不到地球的9分之一,换算下来,火星表面的重力大约是地球表面的8分之3,还不到一半。如果160斤的人马君能上火星,会感觉自己只有60斤,算得上身轻如燕了。

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火星其实不大,重力不到地球的一半

这对一架直升机来说是最好的消息,直升机完全靠旋翼旋转产生的升力来飞上天空,重力小了,需要的升力也随之变小,实现目标的难度顿时减小了一大半。

秘诀二:质量轻,仅1.8公斤

ingenuity直升机的旋翼直径是1.2米,比常见的四旋翼无人机要大得多,高约0.8米,顶部还带有太阳能电池板。但机体却很小,是个边长仅14厘米的方形设备舱,里面只有导航和动力装置,彩色相机和锂电池。这块锂电池除了供飞行所需之外,还要留出夜间保温用的电。

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直升机顶部带有太阳能电池板

通过采用碳纤维旋翼等减重手段,火星直升机的总质量被控制在1.8公斤,非常轻盈。考虑到前面所说的重力差异,它在火星上需要的升力与地球上一架0.68千克的消费机无人机相当。

秘诀三:采用双旋翼,转速快

为了能升空,火星直升机采用了两副旋转方向相反的旋翼,直径1.2米,转速达到了惊人的每分钟2400转,这比一般的直升机要快得多,后者只有三四百转甚至一两百转。旋翼的转速其实受到音速的限制,桨尖的线速度不能超过0.85马赫,否则阻力会急剧增大。大型直升机旋翼很长,桨尖速度很大,再叠加上前飞的速度就会更大,所以转速都比较低。

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重型直升机的旋翼转速每分钟只有一二百转

但火星直升机为了在稀薄空气中获得足够的升力,必须转得更快,而稀薄空气的音速又比较低,为了尽可能降低转速,其采用了共轴双旋翼的设计,两副旋翼尺寸相同,反向旋转,正好可以抵消旋转力矩。即使如此,仍然需要每分钟2400转的高转速,好在1.2米的旋翼直径并不太大,桨尖速度控制在约0.7马赫左右。

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Ingenuity直升机采用双旋翼

大疆无人机拿到火星能飞吗?

不少网友表示,中国无人机发展正如火如荼,大疆的四旋翼无人机横扫世界,用到火星上行不行?这里得考虑两个因素,一个是无人机本身的能力,人马君查了一下,著名的大疆御系列无人机,最大飞行海拔高度是5000米,想飞到3万米以上是不可能的,所以拿到火星上必然飞不起来。另外大疆无人机虽然也有一定的自动飞行能力,但在很大程度上基于GPS,能否做到在火星上全自主飞行,估计比较够呛。此外还有太阳能发电和夜间保温问题要解决。

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大疆无人机

另一个因素是中国还缺乏火星表面的大气数据等信息,目前世界上只有美国一个国家曾经成功登陆过火星,并且不止一次,积累了相当多的数据,火星直升机在研制过程中肯定会参考这些数据。而中国就只能靠天问一号成功着陆后,才能拿到第一手资料。

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天问一号着陆后才会拿到第一手数据

不过,在科技领域,中国最大的短板是缺乏原创思想,其实就怕没有追赶目标。而一旦有了目标,要追上它只是时间和意愿问题。比如在地球上,我们的无人机,无论大的还是小的,军用的还是民用的,比起美国都已经不遑多让。相信以中国的科研实力和制造能力,将来再发射火星探测器,要搞一个火星直升机的话,一定也搞得出来,并且一定比美国货便宜!

出处:头条号 @人马座A

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