模拟如何帮助创造历史:首次火星飞行尝试

NASA毅力号火星车和匠心号直升机在火星上的图示。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)的直升机被命名为匠心。世界将见证在另一个星球上的首次动力飞行的尝试。

2021年2月18日，美国宇航局的毅力号火星车在火星土壤上着陆，匠心号就储存在那里。4月4日，“毅力”号火星车将“匠心”号送到了这颗红色星球的表面。美国宇航局计划让这架直升机在4月11日之前沿着耶泽洛陨石坑的表面飞行，在31天的时间内进行一系列飞行。

很难预测在火星上飞行的潜在挑战。模拟和风洞对飞行测试至关重要，因为它们可以复制飞机将经历的情况。在地球上精确地模拟另一个星球的重力和大气几乎是不可能的，所以成功的首次飞行的关键将是真正脱离这个世界的模拟。

火星飞行的挑战

火星飞行的主要挑战是非常稀薄的大气层。直升机在地球上飞行的世界高度纪录是由法国人弗莱姆·诺斯保持的¹在42,500英尺。平流层的空气非常稀薄，诺斯的直升机旋翼无法再把他抬得更高。火星表面的大气密度相当于地球表面10万英尺的大气密度。“匠心”号直升机将依靠轻型设计、大型同轴旋翼和较低的火星重力，在如此极端的条件下飞行。

火星的飞行环境与地球截然不同:

• 密度是地球的1%
• 95%二氧化碳
• 地球引力的三分之一
• 平均气温为零下60摄氏度(零下76华氏度)，在耶泽罗火山口，夜间气温可低至零下90摄氏度(零下130华氏度)

一旦独创性离开地面，在如此稀薄的大气中保持方向控制是一个大问题。为了避免坠毁，需要以毫秒为单位不断修正旋翼俯仰、横摇和迎角。先进飞行控制系统的模拟是火星安全飞行的关键，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呢?

图为NASA的匠心号直升机在火星上飞行。来源:美国国家航空航天局/姓名

利用Ansys Fluent实现火星飞行万博

美国宇航局怎么能确定他们有一架直升机能够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计算动叶上的气动力。为了预测这些力，旋翼叶片被分成许多片，包括跨、弦、扭和掠。

然后计算了升力系数、阻力系数和俯仰力矩随攻角和马赫数的变化规律。这些数值被制成表格，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显示无质量的示踪粒子，突出转子的影响，因为他们通过大气切片。示踪粒子按速度着色。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。当转子相互经过时，我们不应该看到来自下转子的颗粒被上转子拉起或受到干扰。我们希望将旋翼牵引的反向气流之间的相互作用保持在最小，以确保直升机的升力最大。

为什么不是四轴飞行器?

“匠心”无人机的旋翼是同轴布置的，这与许多地面无人机普遍采用的四轴布局不同。为什么会这样?

独创性上同轴转子的主要原因是效率。

Ans万博ys仿真显示独创性直升机旋翼下的高压区域。

上面的图片描绘了转子下的高压区域。由于上转子已经压缩了稀薄的火星大气，所以下转子下的压力区更大。这种现象允许较低的转子提供更多的升力。四轴飞行器，有四个独立的旋翼，没有这个优势。此外，由于产生的推力，四轴飞行器会稍微重一些。额外的转子支持和多个电机增加重量。最后，一架四轴飞行器将很难被收纳，然后从毅力号的腹部展开。

已经打破的纪录

美国国家航空航天局表示，“匠心”项目被称为技术示范项目，旨在首次在有限的范围内测试一种新能力。如果成功，这将是匠心团队工程师六年多工作的结果。

他们已经证明，从理论上讲，制造一种超轻量的飞行器是可能的，这种飞行器可以在火星稀薄的大气中产生足够的升力，从地面起飞，并在充满挑战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。

“当美国宇航局的旅居者号探测器于1997年登陆火星时，它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，我们想了解独创性对未来科学研究的潜在作用，”美国宇航局总部行星科学部主任洛里·格莱兹在一份新闻稿中说。“匠心号是一项技术演示，旨在成为第一次在另一个世界进行动力飞行，如果成功，可以进一步扩大我们的视野，拓宽火星探索的范围。”

这是一个激动人心的时刻，看着模拟和科学重新定义行星探索。

额外的资源

1.Fred-North.com

2.火星直升机的飞行动力学

3.工程的工具箱

4.美国宇航局“匠心”火星直升机准备首次飞行

5.免责声明:仿真视频和图像是由Ansys从直升机的公共领域模型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他们的创作。