从星探测直升机设计竞赛

美国国家航空航天局最近宣布，美国将在２０年内登上火星。近来美国一些工程师正在考虑把自主飞行直升机作为进行火星表面探测的空中平台。为此，美国航空航天局、美国西科斯基公司和美国直升机学会，联合举办了火星探测自主飞行直升机方案设计竞赛。

这项竞赛分３个单项：直升机机体设计、推进支系统设计和飞行控制支系统设计。竞赛规定：火星应能在火星大气环境下至少连续飞行３０分钟，飞行高度应达到１００米。它应能自动起飞，能至少悬停１分钟，能顺利着陆和再次飞行。还规定，其质量不应大于５０千克，其中１０％的质量用于传感器和任务设备。另外，它还应具备旋翼可停转、能重新起动发动机等能力。

美国亚特兰大乔治亚技术学院的研究生组成一个设计小组参加了这项竞赛，其方案称作“乔治亚技术学院火星探测直升机系统”。该系统实际上是一架具有４副旋翼的电动自主飞行直升机，由圆柱形机身、旋翼、动力装置、任务设备和起落架等组成。它在地球上的总质量为２０千克（地球上重２０公斤，火星重则为７．２５公斤）。该机由环氧树脂碳纤维复合材料制成，每副旋翼半径为０．９２米。全机伸出起落架呈着陆状态的高度为１米。

该机设计考虑由“德尔它”Ⅱ７９２５－１０运载火箭发射，采用与“火星开拓者”探测器相似的运行轨道和程序飞往火星。在飞行过程中，它被折叠起来装在一个呈四面体的火星登陆舱中。

火星探测直升机在火星表面展开的程序是：登陆舱打开；桁架式支臂支承着呈折叠状的直升机垂直竖起；支承直升机４副旋翼的４根伸展臂由弹簧弹开，并牢固地锁定在工作位置；位于旋翼中心用来驱动旋翼旋转的电机从水平状态转到飞行时的垂直位置；每副旋翼的２片桨叶展开并锁定；伸出起落架并锁定在应有位置上。到此，探测直升机即处于起飞状态。

登陆舱打开后，其外壁板呈花瓣状地平铺在火星表面上。由于在它上表面装有光电电池，所以它能收集太阳能给直升机上的电池充电。

火星探测直升机的圆柱形机身称为“保温电子设备盒”，里面装有飞行任务计算机等任务设备和再生式燃料电池。前者位于后者的下面，中间有绝缘薄片隔开。飞行任务计算机是这种直升机的“大脑”，由硬件和作为“飞行员”的软件组成。有小型摄影机、雷达高度表、惯性测量装置和全球定位系统向它提供信息、数据，然后再由它进行分析、处理，并发出指令。

对各种信息、数据的处理，以及指令的发出，是有序进行的。因为与飞行任务计算机配套，还设有一个开环控制平台，它可确定信息和指令的重要程度，并按步就班地发出控制、操纵指令，所以它完全能够自主飞行。

该直升机在飞离登陆舱后，能以７２公里／小时的速度巡航。飞行中，它将利用散布在火星表面上的应答机来进行导航。这些应答机是登陆舱在着陆前被抛投到火星表面的，其作用是为直升机飞行提供基准位置参考。

旋翼系统重量轻，结构极为简单，因为它没有总距和周期变距操纵装置，也没有常规直升机的齿轮减速器，自动倾斜器，操纵拉杆、传动杆和尾桨传动装置。该直升机在空间三个方向上的运动状态也不是按常规直升机来进行操纵的，而是由改变４副旋翼的旋转角速度，通过控制各旋翼气动力的大小来实现的。当需要进行操纵时，其控制信号会由导线传输给电机，再由电机直接驱动旋翼旋转。每个旋翼的驱动电机均为无刷直流电机，由充电电池为它们提供电能。

任务设备被安放在有登陆舱底座的转盘架上。执行不同的探测任务可换装不同的任务设备。更换可在直升机返回登陆舱给电池充电时进行。由于该机载重重量有限，所以它不携带机械臂、测绘设备和遥控探测器等。

２０００年１１月初，竞赛组织者宣布了竞赛结果：乔治亚技术学院的火星探测直升机，其推进支系统和飞行控制支系统设计均获得第一名，机体设计获得第二名。

取得机体设计第一名的是马里兰大学的艾尔弗雷德·盖索夫直升机中心。他们称自己的设计为“火星自主飞行直升机”。该直升机采用能共轴式双旋翼系统，旋翼有２片桨叶，能折叠。旋翼半径１．１７米，机高１．５米，整机地球上重５０公斤（火星上重１８公斤），航程约２５公里。据设计者自己估计，其研制费用约需１４５０万美元，直升机本身的制造费用约３３．３万美元，包括运载火箭在内的任务总费用将需要５．７万美元。

据有关人士对这次竞赛结果的初步分析，将来真正用于火星探测飞行的直升机，很可能是乔治亚技术学院和马里兰大学设计方案相结合的产物。

作者：盘石责任编辑：天友■