空气动力学 | 仿真助NASA“机智号”直升机火星首飞

在《Ansys Advantage》杂志上，探讨了通过仿真技术使得历史性的飞行成为可能，这项壮举从单位为磅的“机智号”直升机在火星上的首次动力飞行提到了全球关注。美国宇航局（NASA）的毅力号火星探测车搭载着这架重达1.8公斤的直升机，在2021年2月18日成功着陆于火星表面。4月，毅力号的展开与部署使得“机智号”成功启动了其在火星的任务，并且它在耶泽洛（Jezero）陨石坑表面的首次飞行超出了人们的最初预期，显示了微型飞行器在极端环境下的惊人表现。

火星的飞行挑战在于其稀薄的空气。地球上直升机的飞行高度记录为约42,500英尺，而火星的表面大气密度仅为地球表面10万英尺高度的水平。为了克服这个挑战，“机智号”利用了轻量化的设计、大型同轴旋翼以及适应于火星低引力环境的性能。

火星的飞行与地球环境相比，特例独行。大气密度仅为地球的1%，主要成分是二氧化碳，重力仅为地球的三分之一，而平均温度为零下60℃（76F），在特定夜间的温度可以降至90℃（130F）。要在如此条件下控制方向变得非常关键，需要对旋翼的俯仰、横滚以及攻角进行毫秒级的频率持续校正。这就使得仿真高级飞行控制系统的部署成为在火星上实现安全飞行的必要条件，同时，这也需要获取极其精准的空气动力数据支持。

登上火星的大门背后，技术团队使用了Ansys Fluent，一款著名的仿真软件，来进行旋翼叶片上空气动力作用的计算。通过将旋翼叶片分解为包含翼展、翼弦、翼扭转和翼后掠的薄片，团队能够预测不同迎角和马赫数对升力系数、阻力以及俯仰力矩的影响。这些数值形成了直升机动态性能模型的基础，通过模拟旋翼在大气层中的冲击过程，展示了旋翼上及其翼尖位置最大速率的分布，以红色标示，帮助优化直升机的最大升力表现。

相对于四旋翼布局，为何“机智号”选择了同轴旋翼设计？这是因为同轴设计能提高效率，从仿真结果中可以看出，同轴设计下旋翼下的高压区域更显著，充分利用稀薄的火星大气来提供更大的升力。四旋翼机在同等推力水平下会有额外的重量负担，主要来自于额外的旋翼结构和电机的自重，这种设计还面临着难以集成到毅力号内部、以及展开操作复杂的问题。

从技术演示到科学探索，首次火星动力飞行背后蕴含着NASA以及全球科学界对飞行技术的发展与未来探索潜力的更大展望。这一里程碑不仅记录着人类首次向另一个行星成功导航并启动飞行任务的时刻，也展现了仿真和科学如何合作，共同促成了这一行星探索史上的变革性进展。




数月以来，“机智号”的每一次飞行和探索活动都是技术与勇气的结晶，它们不仅超越了预定的目标，更是直升机科学的一次飞跃。现在，“机智号”正准备完成火星历史上最为艰难的飞行任务之一，采取两次飞行的方式穿越耶泽洛陨石坑“Séítah”区域，这不仅考验着任务的安全性，也是对仿真技术及其预测能力的一次重要验证。

这项技术的深化和应用，不仅推动了我们对火星环境理解的边界，也为未来的火星任务以及潜在的更远星际探索奠定了基础。通过投入先进的仿真技术来进行飞行动力学、空气动力学、结构强度分析等研究，“机智号”在火星的探索旅程不仅是一个行为的展示，更是一个科学发现和创新的起点，展示了工程仿真如何在行星探索领域发挥重要作用，重新定义并推动着我们对未来的艺术想象。

武汉格发信息技术有限公司，格发许可优化管理系统可以帮你评估贵公司软件许可的真实需求，再低成本合规性管理软件许可,帮助贵司提高软件投资回报率，为软件采购、使用提供科学决策依据。支持的软件有: CAD,CAE,PDM,PLM,Catia,Ugnx, AutoCAD, Pro/E, Solidworks ,Hyperworks, Protel,CAXA,OpenWorks LandMark,MATLAB,Enovia,Winchill,TeamCenter,MathCAD,Ansys, Abaqus,ls-dyna, Fluent, MSC,Bentley,License,UG,ug,catia,Dassault Systèmes,AutoDesk,Altair,autocad,PTC,SolidWorks,Ansys,Siemens PLM Software,Paradigm,Mathworks,Borland,AVEVA,ESRI,hP,Solibri,Progman,Leica,Cadence,IBM,SIMULIA,Citrix,Sybase,Schlumberger,MSC Products...