從星探測直升機(jī)設(shè)計競賽

美國國家航空航天局最近宣布，美國將在２０年內(nèi)登上火星。近來美國一些工程師正在考慮把自主飛行直升機(jī)作為進(jìn)行火星表面探測的空中平臺。為此，美國航空航天局、美國西科斯基公司和美國直升機(jī)學(xué)會，聯(lián)合舉辦了火星探測自主飛行直升機(jī)方案設(shè)計競賽。

這項(xiàng)競賽分３個單項(xiàng)：直升機(jī)機(jī)體設(shè)計、推進(jìn)支系統(tǒng)設(shè)計和飛行控制支系統(tǒng)設(shè)計。競賽規(guī)定：火星應(yīng)能在火星大氣環(huán)境下至少連續(xù)飛行３０分鐘，飛行高度應(yīng)達(dá)到１００米。它應(yīng)能自動起飛，能至少懸停１分鐘，能順利著陸和再次飛行。還規(guī)定，其質(zhì)量不應(yīng)大于５０千克，其中１０％的質(zhì)量用于傳感器和任務(wù)設(shè)備。另外，它還應(yīng)具備旋翼可停轉(zhuǎn)、能重新起動發(fā)動機(jī)等能力。

美國亞特蘭大喬治亞技術(shù)學(xué)院的研究生組成一個設(shè)計小組參加了這項(xiàng)競賽，其方案稱作“喬治亞技術(shù)學(xué)院火星探測直升機(jī)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)實(shí)際上是一架具有４副旋翼的電動自主飛行直升機(jī)，由圓柱形機(jī)身、旋翼、動力裝置、任務(wù)設(shè)備和起落架等組成。它在地球上的總質(zhì)量為２０千克（地球上重２０公斤，火星重則為７．２５公斤）。該機(jī)由環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料制成，每副旋翼半徑為０．９２米。全機(jī)伸出起落架呈著陸狀態(tài)的高度為１米。

該機(jī)設(shè)計考慮由“德爾它”Ⅱ７９２５－１０運(yùn)載火箭發(fā)射，采用與“火星開拓者”探測器相似的運(yùn)行軌道和程序飛往火星。在飛行過程中，它被折疊起來裝在一個呈四面體的火星登陸艙中。

火星探測直升機(jī)在火星表面展開的程序是：登陸艙打開；桁架式支臂支承著呈折疊狀的直升機(jī)垂直豎起；支承直升機(jī)４副旋翼的４根伸展臂由彈簧彈開，并牢固地鎖定在工作位置；位于旋翼中心用來驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)的電機(jī)從水平狀態(tài)轉(zhuǎn)到飛行時的垂直位置；每副旋翼的２片槳葉展開并鎖定；伸出起落架并鎖定在應(yīng)有位置上。到此，探測直升機(jī)即處于起飛狀態(tài)。

登陸艙打開后，其外壁板呈花瓣狀地平鋪在火星表面上。由于在它上表面裝有光電電池，所以它能收集太陽能給直升機(jī)上的電池充電。

火星探測直升機(jī)的圓柱形機(jī)身稱為“保溫電子設(shè)備盒”，里面裝有飛行任務(wù)計算機(jī)等任務(wù)設(shè)備和再生式燃料電池。前者位于后者的下面，中間有絕緣薄片隔開。飛行任務(wù)計算機(jī)是這種直升機(jī)的“大腦”，由硬件和作為“飛行員”的軟件組成。有小型攝影機(jī)、雷達(dá)高度表、慣性測量裝置和全球定位系統(tǒng)向它提供信息、數(shù)據(jù)，然后再由它進(jìn)行分析、處理，并發(fā)出指令。

對各種信息、數(shù)據(jù)的處理，以及指令的發(fā)出，是有序進(jìn)行的。因?yàn)榕c飛行任務(wù)計算機(jī)配套，還設(shè)有一個開環(huán)控制平臺，它可確定信息和指令的重要程度，并按步就班地發(fā)出控制、操縱指令，所以它完全能夠自主飛行。

該直升機(jī)在飛離登陸艙后，能以７２公里／小時的速度巡航。飛行中，它將利用散布在火星表面上的應(yīng)答機(jī)來進(jìn)行導(dǎo)航。這些應(yīng)答機(jī)是登陸艙在著陸前被拋投到火星表面的，其作用是為直升機(jī)飛行提供基準(zhǔn)位置參考。

旋翼系統(tǒng)重量輕，結(jié)構(gòu)極為簡單，因?yàn)樗鼪]有總距和周期變距操縱裝置，也沒有常規(guī)直升機(jī)的齒輪減速器，自動傾斜器，操縱拉桿、傳動桿和尾槳傳動裝置。該直升機(jī)在空間三個方向上的運(yùn)動狀態(tài)也不是按常規(guī)直升機(jī)來進(jìn)行操縱的，而是由改變４副旋翼的旋轉(zhuǎn)角速度，通過控制各旋翼氣動力的大小來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)需要進(jìn)行操縱時，其控制信號會由導(dǎo)線傳輸給電機(jī)，再由電機(jī)直接驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)。每個旋翼的驅(qū)動電機(jī)均為無刷直流電機(jī)，由充電電池為它們提供電能。

任務(wù)設(shè)備被安放在有登陸艙底座的轉(zhuǎn)盤架上。執(zhí)行不同的探測任務(wù)可換裝不同的任務(wù)設(shè)備。更換可在直升機(jī)返回登陸艙給電池充電時進(jìn)行。由于該機(jī)載重重量有限，所以它不攜帶機(jī)械臂、測繪設(shè)備和遙控探測器等。

２０００年１１月初，競賽組織者宣布了競賽結(jié)果：喬治亞技術(shù)學(xué)院的火星探測直升機(jī)，其推進(jìn)支系統(tǒng)和飛行控制支系統(tǒng)設(shè)計均獲得第一名，機(jī)體設(shè)計獲得第二名。

取得機(jī)體設(shè)計第一名的是馬里蘭大學(xué)的艾爾弗雷德·蓋索夫直升機(jī)中心。他們稱自己的設(shè)計為“火星自主飛行直升機(jī)”。該直升機(jī)采用能共軸式雙旋翼系統(tǒng)，旋翼有２片槳葉，能折疊。旋翼半徑１．１７米，機(jī)高１．５米，整機(jī)地球上重５０公斤（火星上重１８公斤），航程約２５公里。據(jù)設(shè)計者自己估計，其研制費(fèi)用約需１４５０萬美元，直升機(jī)本身的制造費(fèi)用約３３．３萬美元，包括運(yùn)載火箭在內(nèi)的任務(wù)總費(fèi)用將需要５．７萬美元。

據(jù)有關(guān)人士對這次競賽結(jié)果的初步分析，將來真正用于火星探測飛行的直升機(jī)，很可能是喬治亞技術(shù)學(xué)院和馬里蘭大學(xué)設(shè)計方案相結(jié)合的產(chǎn)物。

作者：盤石責(zé)任編輯：天友■