模拟如何帮助创造历史:火星上的首次飞行尝试

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。

火星飞行的挑战

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:

• 密度是地球的1%
• 95%二氧化碳
• 重力是地球的三分之一
• 杰泽罗陨石坑的平均温度为-60摄氏度(-76华氏度)，夜间温度为-90摄氏度(-130华氏度)

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

使火星飞行成为可能与Ansys Fluent

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?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。

为什么不是四轴飞行器?

“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。

Ansys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。

纪录已被打破

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。

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“独创性”火星直升机准备首次飞行

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。NASA喷气推进实验室没有参与它们的创建。