【航天】卡莫夫在天含笑 地球外第一架直升機首飛

2021-04-19 22:48:54 最後更新日期:2021-04-20 11:35:52
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 106870119 1618830213230 nasa ingenuity perseverance flight shor高不到半米、淨重只有1.8公斤的獨創號第一次試飛的GIF圖畫面,由於全彩片段上傳需時,現時所得的都只是畫質較低且不連續的片段而已。(動圖來自NASA/JPL-Caltech)

經過幾翻延宕,美國太空總署「獨創號」(Ingenuity)實驗直升機終於昨天(香港時間4月19日傍晚)進行首次試飛,成為地球以外第一架人造大氣層飛行器。這架直升機雖然除鏡頭外不帶任何科學儀器(拍攝儀器只作火星車任務導航及發掘值得探究的地形),但其實也是日後火星以至其他有大氣的衛星(如土衛六)探測器的原型,意義不可謂不重。

unnamed 77由直播時的飛行動態圖表顯示,獨創號大約只飛行了30多秒及3.2米高。由於火星氣壓太低,這些原本要飛上百米都沒問題的小型飛行器,在火星上最高也只能飛五米而已。(Youtube擷圖)

稍有天文常識的都知火星大氣壓力只相當於地球1%,其「火」表大約就相當於地球30公里高空,空氣稀薄得已是人類無法呼吸的環境,且地球上幾乎沒有常規飛行器能在這高度平穩飛行,包括U-2在內,而搭載的平台(毅力號火星車)也嚴重限制實驗機的大小。為配合火星特殊大氣環境及外形、重量限制,美國太空總署選擇了一種較少人採用的構形、全球只有一家航太公司長期全心全意設計與生產這種構形的直升機,那就是潛心同軸對轉飛行器研發的俄羅斯卡莫夫設計局。

unn2現存維加一號探測氣球的複製品及在金星雲頂飄動的想像圖。(Planetary Data System網站照片,詳細資料可查看連結

追遡歷史,在其他行星飛過的人造飛行器不是沒有,不過那是沒有動力的東西-蘇聯1985年進行另一次登陸金星的維加一號 / 二號探金任務時,即曾在著陸探測器上裝上一個氣球,並在進入大氣層後、離地高度50公里時充氣放出,金星五十至六十公里高大約等如地球地面至對流層頂部相當,有相當強烈的大氣環流,氣球則存在了大約42分鐘,所攜帶的幾件儀器對金星雲層(剛好就大約在這高度)、下層霧氣反光情況及平均風速都採集到相當的數據,唯當時光學器材仍十分笨重,氣球沒法搭載而沒能留下珍貴影像而已。

bastion-karpenko.ruQQ1卡莫夫設計局還努力建造新一代艦載運輸直升機,例如現在正在開發的KA-65高速直升機,上圖相信是該廠正在製作中的全尺寸模型。(照片來源:bastion-karpenko.ru/vertolet-vmf/

事實上,第一架同軸對轉直升機是三十年代法國發明家發明的,且西方國家亦間中有出產無人或載人版本,但除了蘇聯的尼古拉·卡莫夫院士與其領導的設計局一直潛心研究與持續生產外,就沒有另一廠家有同樣熱情了。雖然這架火星直升機基本上和卡氏沒有關係,但看到自己一直愛好與潛心研究的的飛行器有機會在地球以外起飛,應該也有一絲欣慰吧。

unn3箭頭所指,是獨創號兩個2400轉/分電動馬達的裝置位置,而且是由馬達直接轉動槳葉,以期高轉速能樣更多空氣流過葉面,造成足夠升力。槳葉下方則是調整旋翼角度的操控機構。把引擎直接裝在主軸上是本機和現在一般同軸對轉直升機最大的不同。底下箱子中裝著的是鋰離子電池、通訊面板及鏡頭向下的攝影機。由於轉速很高,電池充滿狀態也只夠為直升機提供90秒的飛行動力而已。(圖片來自NASA/JPL-Caltech,技術資料來自Popular Mechanics)

大家都知道一般直升機是靠主旋翼產生升力及向前的力,但因為要抵消單一槳葉高速旋轉帶來的反扭矩作用(即把機身轉向和螺旋槳方向相反的力),要分出部分動力到機尾推動垂直的螺旋槳,以和旋翼同一方向的推力抵消這股力;然而這在火星飛行上很難行得通,因為火星低氣壓所能推動的升力不足,若還要用20%的動力抵消反扭矩作用,那直升機就更難起飛,而且機身需要較長,更難摺疊在火星車有限空間上;同軸對轉則可解決問題-同軸對轉其實就是利用兩個動力相當但轉向相反的旋槳,以抵消反扭矩作用之餘,又可將所有動力(兩個電池馬達)都用於上升,也削減了尾槳多出來一個傳動軸及變速裝置,以減輕機身之餘,也不會造成動力浪費。

 實驗室中獨創號測試投放過程,非常節簡單。

 

更重要的是在相同動力下若果只用單一大旋翼(要維持上升的力足夠,需要較大面積旋翼以產生更大升力),不但同樣面對火星車空間有限問題,若選擇像地球的直升機一樣使用可向後收旋翼,一旦在火星施放時卡住,根本欲救無從,但用上現時構形,單片旋翼尺寸不單可較小,不用摺翼,施放動作也簡化成彈出兩隻著陸架而已,更加容易成功。

至於同軸對轉某些故有缺點,在本飛行器或火星環境上則根本不會出現,例如單一槳葉以復合材料製作,強度較高也不容易變彎,加上本機(或日後採用相同構形的大型探測器)不需要大機動飛行,火星環境也沒有非常強的風,幾乎沒可能讓直升機大側向飛行並讓旋翼互撞;另外往日較複雜的變速箱設計,也因這只是概念機且電動引擎直接就安裝兩個旋翼上方、無需變速箱而變得更輕更簡單。愈簡單就越難在惡劣環境中犯錯、愈容易成功,是航天儀器設計的不滅定律。

unn1比較令人擔心的是,剛由毅力號放下的「獨創號」,表面在幾小時內就積上一層薄薄的塵埃。(圖片來自NASA/JPL-Caltech)

 

最影響火星直升機的,其實還是沙塵。火星雖然大氣稀薄且寒冷,但根據資料,溫差仍然很大,火星表面的平均溫度約為218K (-55℃),但實際溫度從冬半球極區的140K (-133℃) 至夏半球向陽面的300K (27℃),故仍可形成不少的對流及大氣擾動,足夠捲起極細的沙塵土。這些塵土隨風飄過太陽能光伏板,就可能積聚在上面,阻隔光伏板吸收陽光的能力。今次直升機在車底被放出後不過幾天,光伏板上就鋪了一層薄沙。雖經螺旋樂稍稍轉動,氣流就足以吹走部分沙塵,但本機亦太小巧,若在再充電期初期遇上比較大的沙塵暴,有機會嚴重影響其充電能力;若沙塵進入旋翼的活動零件,則更可能損害直升機的飛行能力。

PIA15116 ip火星勘測軌道衛星(MRO)拍到一個高800公尺的火星塵龍捲,(圖片及資料轉自泛科學雜誌)

今次測試成功後,未來一個月內將會多進行四次測試,再往後的使用就要端乎機器狀況而定了,畢竟這只是架驗證直升機,又因重量限制似乎未造多少防強烈輻射處理,火星又沒有固定磁場,宇宙射線會更容易破壞當中的電子與操控系統,這直升機的壽命未必會長。不過本機的資料,將有助於仍在設計中並預定於2026年發射的土衛六探測器蜻蜓號(Dragonfly)上。

dragonfly on surface預定於2026年發射及2034年抵達土衛六的四翼同軸對轉機蜻蜓號,預計重量達450公斤且由鈈核電池充電驅動。(圖片來自NASA)

發佈於 科學新知
By 2021-04-19

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