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火星探测器|人类首架火星直升机升空！共轴反转双旋翼，这可是苏联的黑科技( 二 )


图注：火星直升机起飞的想象图 ， 这架直升机的尺寸很小 ， 螺旋桨直径为1.2米 ， 机高0.8米 ， 旋翼直径超出机身仪器舱长度 。

火星表面的温度区间为零下90摄氏度 ， 有些地区还会更冷 ， 大气压力仅为地球的1% ， 这对于航空器而言是个灾难 。 飞机起飞的原理是依靠机翼上下表面的压力差获得升力 ， 火星大气密度极低 ， 说明其飞行环境非常恶劣 。 同时 ， 火星的引力只有地球的三分之一 ， 这对降落、悬停提出了更高的要求 。 综合评判 ， Ingenuity直升机在火星表面的飞行环境相当于3万米高度的大气 ， 这是目前地球上直升机飞行高度的2倍以上 。 我们以黑鹰直升机为例 ， 升限为5700米 ， 科比所乘坐的西科斯基S-76直升机升限为4500米 ， Ingenuity直升机理论上能够在3万米高度进行飞行 。
每次起飞到着落 ， 持续时间仅为90秒 ， 这是因为Ingenuity直升机的总功率只有350瓦 ， 全靠太阳能电池提供电量 ， 电池板安装在直升机最顶端 。 设备舱内只有导航装置、高分辨率彩色成像仪 ， 没有其他科学仪器 ， 锂离子电池可为直升机蓄电 ， 在火星的夜晚为成像仪提供热量 。
图注：火星Ingenuity直升机折叠起来的样子 ， 收纳在火星车底部

图注：正在制造中的Ingenuity直升机 ， 可以看出其大小相当于一辆小孩的自行车

每分钟2800转的旋翼速度也比地球上直升机旋翼速度快10倍 ， 一般情况下 ， 10吨级这样的常规直升机旋翼每分钟的转速为300至400转 ， 无人直升机可达到上千转不等 ， 这是因为重量更大的直升机受到桨尖线速度的限制 ， 线速度要控制在每秒180至220米之间 ， 低于0.6倍音速 。 如果桨尖速度太大 ， 那么会导致失速 ， 并非旋翼转得越快 ， 速度或者升力也越大 。 Ingenuity直升机之所以能够达到每分钟2400转 ， 除了使用碳纤维材料外 ， 火星上的大气稀薄是最大的因素 ， 稀薄的大气需要更快的转速才能获得升力 。
图注：Ingenuity直升机放置在火星车底部

共轴反转技术共轴反转技术是直升机旋翼结构的一种 ， 最早可追溯到我国古代民间玩具竹蜻蜓 。 我们知道竹蜻蜓的结构为旋翼、中轴杆两个 ， 玩的时候要用力搓动杆 ， 旋翼就可以旋转了 ， 旋翼产生了升力 ， 就飞了起来 。 中国的竹蜻蜓出现的时间可追溯到1800年前 ， 比欧洲要早得多 。 共轴反转技术就在竹蜻蜓上又增加了一副旋翼 ， 形成双旋翼 ， 但技术原理与竹蜻蜓是一致的 。 一直到1754年 ， 俄罗斯科学家罗蒙诺索夫设计出世界上第一种共轴双旋翼飞行器 ， 实现了该设计的机械化进程 。 到了1861年 ， 法国、英国开始利用小型蒸汽机为动力 ， 研发出由三个齿轮转动的共轴双旋翼直升机 。
图注：共轴反转技术属于旋翼技术的一种 ， 后者源于我国1800多年前出现的竹蜻蜓

英国在1909年就研发使用共轴反转的涡轮螺旋桨发动机 ， 安装在著名的喷火战斗机上 。 在冷战时期 ， 苏俄获得了强劲的发展速度 。 1950年代 ， 苏俄也开发了NK12涡轮螺旋桨发动机 ， 采用了共轴反转技术 。 目前这款发动机仍然是世界上推力最大的涡轮螺旋桨发动机 ， 保持世界第一的位置半个世纪之久 ， 可见苏俄在这方面的技术已经达到了黑科技的程度 。 直升机方面 ， 卡莫夫设计局在1947年开始研制共轴反转螺旋桨技术 ， 目前成熟的型号诸如Ka-27、Ka-52、Ka-50、Ka-137等 ， 都是共轴反转的经典产品 。 从1945年开始 ， 苏联奠定了共轴式直升机领域不可撼动的地位 。
图注：共轴反转示意图 ， 上下旋翼的旋转方向是不一致的 ， 这样可以抵消力矩

图注：从侧面看共轴反转旋翼 ， 上下旋翼通过铰链整合在一起

为了简化直升机的结构 ， 美国宇航局在第一种火星直升机上采用了共轴反转设计 ， 我们看到Ingenuity直升机上有上下两副旋翼 ， 共用一个旋转轴 。 上下旋翼的旋转方向是相反的 ， 这样可以抵消力矩 ， 让直升机获得平衡 。 传统的直升机气动结构是单旋翼加一个尾桨 ， 用尾桨产生的侧向推力平衡主旋翼产生的扭矩 。 这种气动有个弊端 ， 在主旋翼与尾桨之间有一个传动轴 ， 这就增加了系统的复杂性和质量 。 采用共轴反转设计 ， 大大降低了Ingenuity直升机自身的质量 。


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