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NASA 利用新型火星直升机旋翼打破了音障
NASA 的新型火星直升机旋翼通过了超音速测试，升力提高了 30%，为这颗红色星球上更重、能力更强的空中探险者铺平了道路。美国宇航局工程师在旨在支持未来火星任务的测试中成功推动直升机旋翼叶片超过音速。这些实验于三月份在 NASA 的 Jet [...]
来源:SciTech日报NASA 的新型火星直升机旋翼通过了超音速测试，升力提高了 30%，为这颗红色星球上更重、能力更强的空中探险者铺平了道路。
在支持未来火星任务的测试中，美国宇航局工程师成功推动直升机旋翼叶片超过音速。这些实验于 3 月份在美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室 (JPL) 进行，结果表明，在为重现红色星球条件而建造的室内，转子叶片尖端可以安全地超过 1 马赫。 137 次试运行期间收集的信息将帮助工程师开发能够承载更大有效载荷（包括科学仪器）的飞机。
“NASA 的 Ingenuity 火星直升机表现出色，但我们要求这些下一代飞机在这颗红色星球上发挥更大的作用，”喷气推进实验室火星探索项目经理 Al Chen 说道。 “这不是一个容易的问题。虽然关于火星的一切都很困难，但飞到那里几乎是你能做的最困难的事情。这是因为它的大气层非常稀薄，很难产生升力，但火星却有很大的引力。”
2021年4月19日，Ingenuity创造了历史，实现了异世界首次动力可控飞行。然而，这架直升机是作为技术演示而建造的，没有携带任何科学仪器。 NASA 新宣布的 SkyFall 项目和其他未来的火星飞机旨在运输科学工具和传感器，为未来的机器人和人类探索任务收集有价值的数据。这些飞机还可以利用低空空中探索来研究从地面难以到达的区域。
NASA 的 Ingenuity 火星直升机于 2021 年 4 月 8 日，即任务的第 48 个火星日（sol）对其叶片进行了缓慢旋转测试。美国宇航局毅力号火星车上的 Mastcam-Z 仪器捕捉到的这架旋翼机在不到两个地球周后完成了历史性的首次飞行。图片来源：NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS
对于旋翼飞机，更大的推力通常来自更快的旋转速度或更大的旋翼直径。虽然这一原则也适用于地球，但为火星设计直升机需要工程师进一步推动这项技术。火星大气层的密度仅为地球大气层的 1% 左右，这意味着转子叶片必须接近音速才能产生足够的升力。在地球上，小型转子系统可以以极高的速度旋转，但更稠密的大气层提供了更多的空气分子来推动，从而减少了达到接近超音速条件的需要。
为什么在火星上飞行如此困难
在 Ingenuity 火星上的 72 次飞行中，工程师将直升机的复合材料泡沫转子叶片保持在 2,700 rpm 以下，主要原因有两个。他们希望避免音障附近发生的不可预测的影响，并确保突然的阵风（例如由尘暴引起的阵风）不会将旋翼尖端推入超音速。
“如果 Chuck Yeager 在这里，他会告诉你事情可能会在 1 马赫左右变得奇怪，”JPL 的转子测试负责人 Jaakko Karras 说道。 “考虑到这一点，我们计划 Ingenuity 的飞行将旋翼叶片尖端保持在 0.7 马赫（无风），这样，如果我们在飞行中遇到火星逆风，旋翼尖端就不会达到超音速。但我们希望下一代火星飞机具有更高的性能。我们需要知道我们的旋翼可以安全地运行得更快。”
在地球海平面，1 马赫约为 760 英里/小时（1,223 公里/小时）。在火星上，由于火星大气稀薄、寒冷且富含二氧化碳，声速要低得多，约为 540 英里/小时（869 公里/小时）。
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在 NASA 火星室内进行超音速转子测试
为了测试新的旋翼系统，Karras 和他的团队使用了由加利福尼亚州西米谷的 AeroVironment 制造的三叶片旋翼。该转子安装在喷气推进实验室历史悠久的 25 英尺太空模拟器内，该模拟器能够重现火星大气层。工程师们排除了室内的空气，并用二氧化碳代替，其压力水平与火星上的压力水平相似。然后转子暴露在越来越大的风速中，同时旋转得越来越快。
在美国宇航局喷气推进实验室最近的测试中，工程师们通过将转子推到超音速，正在开启低空火星探索的新可能性。图片来源：NASA/JPL-Caltech
作为一项安全措施，腔室的部分区域衬有金属板，以防刀片在测试过程中破碎。当转子速度攀升至 3,750 rpm 时，工程师在附近的控制室监控实时数据和视频。此时，叶尖的运动速度为 0.98 马赫。然后，工程师将强逆风引入测试室，在每次试运行后增加风速。
最终，旋翼叶尖达到了 1.08 马赫，飞机的升力能力增加了 30%。这一改进将使未来的火星直升机能够携带更大的科学有效载荷、更先进的传感器和更大的电池，以实现更长的飞行。
该团队还测试了专为 SkyFall 任务概念设计的双叶片转子。由于叶片比三叶片设计稍长，因此转子只需达到 3,570 rpm 即可在引入逆风之前实现类似的近超音速叶尖速度。
SkyFall 直升机可以携带更重的科学有效载荷
“这些旋翼的成功测试是证明在更苛刻的环境中飞行的可行性的重要一步，这对于下一代飞行器来说至关重要，”来自美国宇航局硅谷艾姆斯研究中心的空气动力学家、测试团队成员 Shannah Withrow-Maser 说道。 “我们以为能够达到 1.05 马赫就已经很幸运了，但我们在上次运行中达到了 1.08 马赫。我们仍在深入研究数据，可能会有更大的推力。这些下一代直升机将会令人惊叹。”
SkyFall 任务团队已将测试结果纳入其设计要求中。受到“独创”号（至今仍是唯一在另一个星球上飞行的飞机）的启发，该任务计划于 2028 年 12 月向这颗红色星球运送三架下一代火星直升机。
超音速旋转测试活动由该机构的火星探索计划资助，旨在最大限度地提高未来飞机在红色星球上飞行的能力。不错过突破：加入 SciTechDaily 时事通讯。