关于其它星球表面大气层飞行器设计计算探讨（下）
2020-08-29 08:24阅读：
关于其它星球表面大气层飞行器设计计算探讨（下）：
我国天问2号应配备固定翼平飞无人机
有容乃大展翅翱翔
引言
美国的火星地表小型无人直升机计划的实施，提醒作者对其它星球表面大气层飞行器应如何设计计算的思考。（上）篇已经阐明，只要求出所关注星球以上两个关键数据，把式中的大气密度d，以及地球重力加速度g两个关键数据，用所考虑星球的表面大气密度dx，以及该星球重力加速度gx
分别替代，就可以把已知的地球表面大气层飞行器设计各计算公式，用于其它星球表面大气飞行的升力旋翼或固定翼飞行器设计。当然，也适用于火星表面大气飞行器设计。
本篇准备从能效角度出发，对我国下次火星探测应配备何种飞行器课题作具体技术探讨，把思考结果与感兴趣读者分享。
因网络问题无法上传，把提纲列出，感兴趣读者可查看中国滑翔网上全文，连接：http://bbs.paracn.com/t-58191-1-1.html
固定翼平飞无人机更适合火星探测
空中飞行探测是火星探测的理想辅助探测方式
和无大气层的月球表面探测不同，火星表面的大气层（尽管只有地球大气密度1/100）提供了空中飞行探测的可能。利用无人机的低空飞行代替小车的地表行驶，虽然失去了随时停止作采样的可能，却可以把在有限能量和时间条件下探测未知星球地表面貌（拍照，摄像）的范围作极大扩展，有效提高每次火星探测“收获信息量”，理应成为与地面主探测基站（车）配套的最理想辅助探测工具。
乍一看，在未知荒漠崎岖地表起飞降落，似乎只有采用垂直起降的旋翼无人机一种可行方式。这也是美国此次“毅力号”火星车所测试的“灵巧号”火星飞行器的技术方案。但飞行能效分析表明，只有采用固定翼作平飞的设计方案，才能真正实现在有限能量和时间条件下，极大扩展探测未知星球地表面貌（拍照，摄像）的范围的技术目标，尤其对于大气密度远小于地球的星球。
火星上固定翼无人机水平飞行能效远高于旋翼无人机
从美国“灵巧号”火星飞行器的技术数据看，总质量1.8千克的旋翼无人机，预计飞行高度5米，水平飞行速度10米/秒，爬升速度3米/秒，每次飞行时间90秒。则可估算出起飞降落时间约3.3秒，每次飞行最大距离约（90-3.3）x10=867米。已知所准备驱动功率350瓦，设盈余倍数2，实际平均耗功率175瓦，总能耗175x90=15750焦耳。
而按固定翼理论，长距离飞行总能耗 E
=NJ/(Ve)= WgJ/(eh) （焦耳）
同起飞质量W 1.8千克，设距离J
1000米，总驱动效率e
0.5，整机升阻比15，已知火星表面重力加速度约为3.8
牛顿/千克，代入得总耗能E=1.8x3.8x1000/7.5=912焦耳。
即相同总质量飞行器在火星表面飞行千米耗能比，
旋翼机与固定翼飞机耗能之比约为17倍。
上述估算中固定翼飞机总驱动效率e
0.5，整机升阻比15都是一般技术指标，精巧设计制造完全可能实现更高。
已知在地球表面，相同起飞重量的固定翼无人机水平飞行能效要远高于旋翼无人机，但似乎相差不至于17倍。
为何火星飞行两种飞机能耗比会大于地球表面飞行两种飞机能耗比？上篇曾总结：对旋翼直升机而言，在翼型迎角，翼片数翼面积，翼片升阻比，等不变条件下，有效悬停功率与大气密度d的0.5次方成反比；与总质量及表面重力加速度的1.5次方成正比，与翼片升阻比成反比。
而旋翼直升机的水平飞行，由于飞行过程整机重力主要靠旋翼升力平衡，整机巡航功率与其悬停功率正比（由于旋翼平飞效果，巡航平飞功率一般小于悬停功率）。则水平飞行功率也应和大气密度d的0.5次方成反比；与总质量及表面重力加速度的1.5次方成正比。
而对固定翼飞机而言，固定翼飞行器以巡航速度直线飞行长距离的总耗能E
的大小，与飞行器总质量
W以及星球表面重力加速度gx，总飞行距离J成正比；与驱动系统效率e及整机升阻比h成反比。与大气密度无直接关系。
已知在地球表面固定翼无人机水平飞行能效就高于旋翼无人机。根据火星表面大气密度小于地球1/100，而重力加速度为地球表面重力加速度39%，可推算出在火星表面，相同起飞总质量飞行器（在相近hy和h设计制造水平）以巡航速度飞行相同距离，旋翼直升机比固定翼飞机总耗能比例，要比地球表面两类飞机的比例差别还要大约
(
0.39/0.01)^0.5=6.24倍。
遵从上述物理基本原理，在未来我国天问2号探测项目中，若增添飞行探测辅助装置，从能耗能效这个最主要性能考虑，顺理成章应该采用固定翼水平飞行方案。
再加上火星飞机翼面积大（因火星大气密度比地球低约100倍，重力加速度仅低到39%，同飞行总质量同巡航速度，翼面积需比地球设计约大39倍），更适合兼做太阳能接收面（火星距太阳距离虽大于地球，根据百度搜索：地球公转轨道半径约14960万公里，火星公转轨道半径22794万公里，不考虑大气吸收，火星表面太阳辐照强度约为地球的43%；但大气吸收对太阳能减弱程度则远小于地球），实现长时段自主飞行。
作为对比，美国灵巧号旋翼无人机设计由于只能靠顶部小太阳能转换板（过大则增大飞行阻力及总起飞质量）接收太阳能，每飞行90秒，需要在火星表面停止24小时补充电能，才能进行下次90秒飞行。
综上所述，火星表面探测用的靠太阳能驱动电动无人机，采用固定翼水平飞行方案，就更是不二的选择。
对未来火星探测飞行器的几项基本技术预言
2020-08-24
北京大学国际关系学院教授潘维接受观察者网的采访报导中，曾有一句精彩论述:
“今天，人类财富主要不是“种植和养殖”出来的，甚至也不再主要是“制造”出来的，而是“设计研发”出来的。”
令人印象深刻。作者觉得还应补充为：“今天，人类财富主要是，在基本科学原理指导基础上“设计研发”出来的。”
正确提出需解决的技术问题，是最终解决实体设计研发目标的关键一步。未来火星探测飞行器应该采用哪些基本技术路径？除具备智能/遥控飞行功能，各种光谱摄影功能，与主探测车数据传输功能外，从飞行动力平台本身考虑，作者在此合理预言其应具备各项基本技术特征如下：
所提各项技术，其中有的技术要求较容易实施；也有的实施难度较大，在地球飞行器技术发展中暂时还未能实现，有可能在研究开发中首先在地球飞行器上实施后再用于火星；有的也可能在火星表面飞行器研制中更容易实施。
以固定翼作水平飞行
上面已经充分论述，从提高能效为根本出发点，火星探测飞行器在水平飞行时，必须靠固定翼产生的升力平衡整机重力，而不能依靠旋翼升力平衡整机重力。
具有较大升阻比
已经论述，从降低单位飞行距离能耗为根本出发点，整机升阻比应做到技术可能实现的最大。
自主采用驱动飞行和利用上升气流作长途滑翔飞行
火星探测以最小能耗实现最大探测面积为主要目标，应开发自主智能感知风向风速控制飞行，包括主动寻找和盘旋上升气流作长途无动力滑翔，仅在必要时采用驱动飞行的相关软硬件。
机翼可自动收褶展开
这是火星探测需通过地球表面火箭发射运载所必须的要求，如同整个运载器太阳能板等大工作尺寸部件一样。在到达火星后的实际探测飞行运行中，也要求飞行器机翼可在着陆后（除非需要和可能太阳能充电时）可自动收褶，起飞时再自动展开，以保证在大风条件的稳定停靠。
合适的巡航飞行速度
尽管火星表面大气密度小，但并不意味其风速小。一旦飞行在大气中，相对地面速度是所计算的空速与风速之矢量和，如果巡航速度（空速）低于风速，就只能随风而去，无法逆风前进，飞抵预定目标。（灵巧号的预计10米/秒水平飞行速度，有可能过低）。而另一方面，巡航速度高要求驱动功率高，驱动电机质量大。在设计火星飞行器之前，靠现有探测器收集火星地表风速风向真实资料很有必要。
采用电动螺旋桨驱动
已知火星大气密度低于地球大气密度约100倍，其主要成分为二氧化碳，则任何现有地球燃油发动机都无法工作，只有靠电动机驱动一种可能。
（上）篇已经说到，尽管螺旋桨产生的推力和需要的转矩，功率等在固定转速时都和大气密度正比，与重力加速度无关，但是，用螺旋桨推动飞机飞行的驱动飞行效率与大气密度无关。说明，电驱动螺旋桨驱动固定翼飞行器在火星表面飞行的切实可行性（螺旋桨叶尺寸转速都需大于地球同起飞质量固定翼飞机）。
翼面薄膜太阳能收集
因火星大气密度比地球低约100倍，重力加速度仅低到39%，同飞行总质量同巡航速度，翼面积需比地球设计约大39倍，更适合兼做太阳能接收面。火星距太阳距离虽大于地球，根据百度搜索：地球公转轨道半径约14960万公里，火星公转轨道半径22794万公里，不考虑大气吸收，火星表面太阳辐照强度约为地球的43%，但大气吸收对太阳能减弱程度则远小于地球。火星探测飞行器采用固定翼太阳能薄膜覆盖，可实现长时段自主飞行。
具备任意小场地定点地起飞着陆能力
本项技术要求，是最重要也是最为困难实施的一条。
在未知荒漠崎岖地表起飞降落，没有预先修筑的合规大小平整度硬度的场地，如何实现固定翼飞机的起降？似乎只有采用垂直起降的旋翼无人机一种可行方式。
但我们扩大思路，不限于垂直起降，而提出小场地定点地起飞着陆技术目标。除垂直起降外，允许非垂直路线起飞和着陆，只要实现在小场地定点。这个定点，也可以是任意四周无障碍的火星表面，也可能是主探测车的专设起降台。这样一来，小场地定点地起飞着陆技术目标，意味着包括垂直起降的三种可能技术路线。任何一种路线的解决，不但能服务于未来天问2号探测，也必将为地球航空交通或物流带来巨大效益。特专设段络说明
解决固定翼飞机在任意小场地定点起降的三条可能技术路线
我国天问2号火星探测计划，应包括固定翼无人机，高校应该率先开展研究设计
