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万博ANSYS的博客
2021年4月8日
美国宇航局“毅力”号火星车和“匠心”号直升机在火星上的插图。来源:美国国家航空航天局/姓名
美国宇航局正在创造历史,一架重4磅(1.8公斤)、名为“匠心”的直升机。世界即将见证在另一个星球上首次动力飞行的尝试。
“匠心”号所在的美国宇航局“毅力”号火星车于2021年2月18日着陆火星土壤。4月4日,“毅力”号火星车将“匠心”号降落在火星表面。美国宇航局计划让这架直升机在4月11日之前沿着杰泽罗陨石坑表面飞行,并在31天的时间内进行一系列飞行。
在火星上飞行的潜在挑战是难以预料的。模拟和风洞对飞行测试至关重要,因为它们可以复制飞机的飞行体验。在地球上精确重现另一颗行星的重力和大气几乎是不可能的,所以成功首飞的关键将是真正超越这个世界的模拟。
火星飞行的主要挑战是非常稀薄的大气层。地球上直升机飞行的世界高度纪录由法国人Frédéric North保持142500英尺。平流层的空气非常稀薄,诺斯的直升机旋翼再也无法把他抬得更高。火星表面的大气密度相当于地球上10万英尺处的大气密度。“匠心”直升机将依靠轻巧的设计、大型同轴转子和较低的火星重力来在这种极端条件下飞行。
火星的飞行环境与地球截然不同:
一旦“匠心”号离开地面,在如此稀薄的大气层中保持方向控制是一个大问题。为了避免坠毁,需要以毫秒为单位对转子俯仰、滚转和迎角进行连续修正。模拟先进的飞行控制系统是在火星上安全飞行的关键,但这需要精确的空气动力学数据。
在火星上飞行在理论上是可能的,但是否有足够的控制让它成功?
美国宇航局的“匠心”直升机在火星上飞行的插图。来源:美国国家航空航天局/姓名
美国宇航局怎么能确定他们有一架直升机能长途跋涉到火星,并有机会飞行呢?万博Ansys流利.
根据一份研究报告2,利用Fluent软件计算动叶的气动力。为了预测这些力,将旋翼叶片分成许多片,包括跨度、弦长、扭转和掠掠。
然后计算了升力系数、阻力系数和俯仰力矩作为攻角和马赫数的函数。这些值被制成表格,并用于美国宇航局的直升机飞行动力学建模。
上面的模拟5显示无质量的示踪颗粒,突出转子的影响,因为他们切开大气层。示踪颗粒根据速度上色。我们应该看到最大速度(红色)在转子和附近的尖端。当粒子沿螺旋路径到达地平面时,我们会看到较低的速度。当转子相互通过时,我们不应该看到来自下转子的粒子被上转子拉起或干扰。我们希望将由旋翼拉动的反向旋转气流之间的相互作用保持在最小,以确保直升机的最大升力。
“匠心”的旋翼是同轴布置的,这不是许多地面无人机流行的四轴飞行器布局。为什么会这样?
同轴转子在独创性上的主要原因是效率。
Ans万博ys模拟显示了匠心直升机旋翼下的高压区域。
上图描述了转子下的高压区。下转子下的压力区更大,因为上转子已经压缩了火星稀薄的大气。这种现象允许较低的转子提供更多的升力。拥有四个独立旋翼的四轴飞行器就没有这种优势。此外,四轴飞行器相对于产生的推力会稍微重一些。额外的转子支持和多个电机增加重量。最后,将四轴飞行器从“毅力”号探测车的腹部收起和展开都很困难。
据美国宇航局称,匠心是所谓的技术演示——一个试图在有限范围内首次测试一种新能力的项目。如果成功,这将是匠心团队的工程师们6年多工作的结果。
他们已经证明,从理论上讲,建造一艘超轻型飞船是可能的,它可以在火星稀薄的大气中产生足够的升力,从地面起飞,并在具有挑战性的火星环境中自主运行和生存。正如美国宇航局所说:这些成就已经突破了飞行的界限。
1997年,美国宇航局的“旅居者”探测器登陆火星,证明了在这颗红色星球上漫游是可能的,并完全重新定义了我们探索火星的方法。同样,我们想了解匠心号对科学研究未来的潜力,”NASA总部行星科学部主任洛里·格莱兹在一份新闻稿中说。“巧妙的名字是一项技术演示,旨在成为另一个世界的第一次动力飞行,如果成功,可以进一步扩大我们的视野,扩大火星探索的可能性。”
这是一个令人兴奋的时刻,因为模拟和科学重新定义了行星探索。
3.工程的工具箱
5.免责声明:模拟视频和图像是由Ansys从直升机的公共领域模型中重新绘制的几何图形创建的,并由Ansys工程师运行和后期处理。万博NASA喷气推进实验室没有参与它们的创建。
我们在这里回答你的问题,期待与你交谈。我们Ansys销售团队的一名成员万博将很快与您联系。