火星无人机为何要用旋翼式？

1双旋翼火星无人机成最佳选择

早在上世纪50年代，航天先驱们就勾勒出一幅有着又长又大的固定翼飞机降落在火星的画面，后来火星探测器Mariner4传回数据，显示出火星表面有稀薄的大气层后，世界各地的科研机构和高等学府都对火星无人机的研制产生了极大的兴趣。

从70年代开始航天爱好者们就开展了一系列关于火星无人机的研究研究发现，地球30公里高空的气象环境很类似于火星的大气层，所以就把高空无人机作为研制的基础。

战神阿瑞斯ARES的火星探测器

比如2004年，战神阿瑞斯ARES的火星探测器，使用的是基于二源推进剂，脉冲火箭推进系统的固定翼飞机，当ARES被释放到火星上空时，会以很高的速度冲向地面，这时为了降低速度，会自动打开降落伞，速度减小到一定程度和降低到一定的高度后，将开启肼燃料发动机，并伸展机翼，调整机身的姿态，最后沿水平方向巡航飞行，搭载的传感器，将对火星的环境进行测量，并通过火星附近的轨道环绕器传回地球。

GTMARS飞行器

又比如2000年，佐治亚理工大学研发的GTMARS飞行器的结构、推进系统类似于竹蜻蜓，折叠封装在四面体的着陆器中，随着陆器登陆火星后GTMARS就可以自动部署，展开旋翼和支架，可以前飞、上升、悬停和下降速度最高可达72公里每小时，动力系统由直流无刷电机和四个旋翼组成。由可再次充电的二氧化碳燃料电池供电。

火星无人机在当时比较流行的设计结构，主要分为固定翼和旋翼，但两者的优缺点也十分明显，固定翼虽然承载重量大、飞行速度快，但起飞和降落需要专业的跑道，而更为致命的不足是首次完成任务后，就无法再次从崎岖的火星表面上起飞。

旋翼式具有可垂直起降的能力，可以回到着陆地点补充能量，执行多次任务，从长远角度看，旋翼式更适合作为协助火星车进行地形勘测的侦察机，因此垂直起降无人机就成为比较理想的火星探测工具。

旋翼式火星无人机MARV

基于这样的构想，由马里兰大学研制的旋翼式火星无人机MARV被设计出来。采用共轴双旋翼结构，旋翼半径2.13米，能够自主展开，使用燃料电池供电，当时负载10.8公斤，飞行距离25公里，飞行时间39分钟，悬停能力为1分钟

2共轴双翼无人机的强大优势

这也是共轴双旋翼首次应用在小型无人机上，这种设计在当时还算是比较新颖的。因为在40年代中期才开始由俄罗斯研制，到90年代技术才趋于成熟，不过都是大型载人操作结构。而共轴双翼设计的优势相较于其它升力体是相当明显的。

首先在结构上，共轴双旋翼是由绕同一个轴线，一正一反旋转的上下两副旋翼组成。由于转向相反，两副旋翼产生的扭矩，在航向不变的状态下相互平衡。

通过上下旋翼的总距差动，产生的不平衡扭矩，就能实现航向的操纵，共轴双旋翼直升机在飞行中，桨叶既是升力面，又是纵横向和航向的操纵面。

这种浆叶有很多的优势，因为共轴式直升机的机身长度，可以设计的很短，同时结构重量和载重均集中在直升机的重心处，因而减少了直升机俯仰和偏航的转动惯量，所以整个机身的体积就可以设计得更小。

其次在气动布局上，由于采用的是上下两副旋翼，这就增加了直升机的垂向尺寸。

桨毂和连动装置均暴露在机身外，而两副旋翼的间距和直径是成一定比例的，这就避免了在飞行过程中，因为机身调整姿态而引起的叶片摆动，发生相碰的情况。

最后在升力上，共轴式直升机具有，合理的功率消耗，优良的操纵性、较小的总体尺寸，有较高的悬停效率。飞行过程中的空气动力也是对称的，在操控上也具有较大的俯仰、横滚力矩。

有研究资料表明在相同的起飞重量、发动机功率和旋翼直径下，共轴式直升机有着更高的悬停升限和爬升率。

由此引出另一个重要特性，随着升限增高，其航向转弯速度能够保持不变，甚至还能有所增加。这就极大地改善了航向的操纵灵活性。

综合来说，双翼共轴的结构，在增加相同拉力时，所需的扭矩增量是随着悬停高度的增加而增加的，这也就决定了共轴式直升机有较大的实用升限、较大的爬升速度、更大的续航时间，结合火星小重力，稀薄的空气环境，共轴双翼的设计结构，也被世界公认为是在火星大气环境中最优的选择针对双旋翼的MARV飞行器，马里兰大学又利用新的实验方法，研究了一系列翼型的性能，探索出翼型各项参数，对小型旋翼悬停的影响，优化旋翼工作最佳状态的各项参数，确定了小型旋翼的设计模型并在模拟火星环境的条件下，对影响飞行性能的翼尖雷诺数、马赫数也实施了一系列实验，NASA的科研人员也用同样的机型做实验设计出一系列的原型样机（TAMS），这些就是机智号火星无人机的前身。

3中国独立自主设计的火星无人机

中国的火星无人机研发虽起步晚，但在信息大爆发的时代，更是拥有后发的科技优势，伟大的科学家说过，站在巨人的肩膀上会看得更远，中国的研究人员也是吸取了前人总结的经验，同样以MARV无人机为原型，在没有任何外援的情况下，独立自主地开展了一系列的研究。

火星的大气环境，使旋翼式无人机的研制，面临许多重大的挑战，但中国人有一股钻劲，硬是在国内空白的研究经验上研制出成品，但中国并没有止于当时的实验成果。而是重新建立了数学模型，为后来的火星无人机研发奠定了理论基础。

地球和火星的环境综合对比

我们现在都知道了，火星大气环境和地球有很大的区别，引力只有3.71米/秒，密度只有地球大气层的1%。旋翼的气体流动特点，类似于地面30千米上的翼面绕流。

因为空气动力学是门复杂的学科，这里就简单说说，影响共轴双翼机飞行气动布局的两个关键因素，雷诺数和马赫数，其中的雷诺数是由翼型决定的，在马赫数一定的条件下，旋翼的外形就成了影响升力的主要因素

火星飞行器的飞行雷诺数约为10的3次方~10的4次方，要比地球上的飞行雷诺数小两个数量级，中国科研人员根据火星大气特殊的环境条件，得出无人机的最佳工作条件是依靠大马赫数和低雷诺数的精确组合。

火星无人机的旋翼在低雷诺数时，流场的黏性效应将产生层流分离现象，使旋翼后缘流场由层流转捩为湍流，如果湍流的能量过高，就会使旋翼后缘的流场中，形成分离泡，这就会引起旋翼的失速与低频振荡，严重影响无人机的气动性能，实际上，低雷诺数对翼型的升阻特性影响，远大于马赫数的影响。

雷诺数对翼型的升阻特性影响

研究数据表明，最大弯度的位置为25％，弯度为5％的翼型，在低雷诺数的条件下，将具有最大的升阻比，这种翼型能够弱化，其表面流场的层流分离现象，从而使其在较低雷诺数下，能够产生更大的升力。

中国的科研人员结合双旋翼的特殊空气流场结构和实验的数据，发现较小的厚度，适当的弯度，靠后的弯度位置和尖锐的前缘可以提升翼型的气动特性，基于这些结论，对火星无人机旋翼的翼型进行总体的设计，制造出中心宽翼尖窄的流线型旋翼，如果从正上方的视角看，就类似于水滴的形状。

中国火星无人机

尽管外观和机智号的火星无人机很相似，但内部的数据细节却有着本质的不同，比如叶片上的细纹结构。

即便中国研发的时间晚，但也是中国人依靠自己的智慧和汗水换来的劳动成果

4中国火星无人机的时代意义

其实机智号火星无人机的任务很单一，只是为了验证火星大气条件的飞行数据，为以后的机器人或人类探索火星时携带的先进飞行器提供参考。

而中国火星无人机的研制成功，是有着重大的时代意义，这将开启中国火星探测的航空时代，无人机会在火星上空飞行，完成许多火星车难以完成的任务。

首先具有较高的飞行速度，能够极大地提升中国火星车探测的速度和效率。

其次拥有较广的探测能力，能够扩展探测的范围，实现火星车难以到达区域的的深度研究。

最后无人机有局部地区的探测能力，这就避免了火星车进入沙坑等危险的区域，未来无人机还能进行定点着陆探测能够辅助火星车完成火星表面多点采样的任务。

在未来的中国太空探索过程中，无人机不仅在火星探测中发挥大的作用，还可以探测其星球的地表和大气，比如对土星最大的卫星泰坦的探索，由此可见，中国火星无人机的研制，将为深空探测开拓一种全新的途径

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