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[心得交流] 关于其它星球表面大气层飞行器设计计算探讨(下)

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发表于 2020-8-29 09:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 有容乃大 于 2020-8-30 08:51 编辑

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


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。
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(包括军用航空)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
采用(可变换)升力旋翼作垂直起降 电动垂直起降(以固定翼平飞)飞行器,是目前世界各创新公司(得到一些航空工业巨头支持)的热门研究课题。
  作者曾在以前系列文章点评综述(包括个别无固定翼的多旋翼方案)。至今看来,除小型(总起飞质量几十千克以下)电动垂直起降(以固定翼平飞)飞行器外,以及大型载重贝尔V系列(非电动)已投入军用多年外,在轻型载人电动垂直起降(以固定翼平飞)飞行器上尚无商业成功运行实例。
  而这些已投入商业运行的小型电动垂直起降(以固定翼平飞)无人机,普遍都是在小型电动固定翼无人机上简单叠加多旋翼的技术方案。即在机身电机驱动螺旋桨之外,在机翼上附加若干电动升力旋翼。垂直起降过程中,机身电机驱动螺旋桨不工作,靠若干电动升力旋翼工作;在水平飞行时,机身电机驱动螺旋桨工作,这些升力旋翼不工作,旋翼固定于任意位置。多旋翼和电机带来额外阻力和重量,使得垂直起降的升功比不高,固定翼飞行升阻比降低。由于旋翼尺寸和驱动功率随总起飞质量增大,这种简单设计方案无法照搬应用到数百以至数千公斤级的飞机。可以推算,对于火星探测,大气密度降低到1%,即便重力加速度减少到39%,用于几十千克总起飞质量也很困难。
   因此,必须另行找寻更高能效的创新设计方案,这里的高能效包括:垂直起降时的升功比,和水平飞行的整机升阻比两方面。应要求旋翼升功比达到同起飞重量高效直升机技术水平;巡航飞行时整机升阻比达到现有长航时高能效固定翼飞机水平。
   这里再重述所主张的垂直起降固定翼平飞方案设计四项具体技术要点:
1,        以电机驱动的成对的垂直转轴的高能效升力旋翼产生的升力,平衡垂直起降过程整机重力。在水平飞行模式,旋翼翼片应固定于阻力最小,升力最大的方位。
2,        以足够大展弦比优良翼型最佳迎角的固定翼水平飞行产生的升力,平衡垂直起降过程整机重力
3,        以与水平巡航速度匹配的高效螺旋桨作为水平飞行时整机驱动,螺旋桨叶片在垂直起降过程,以及在无动力滑翔过程不旋转,收褶于阻力最小位置。
4,        用同一套电机(不同转速转矩),在垂直起降时驱动旋翼,水平飞行时驱动螺旋桨。
   相信,如果能实现上述四点,设计方案或有可能用于火星探测,更能成功用于地球表面空中观光,空中短途交通和物流。

  当我们扩大思路,不限于垂直起降,而提出小场地定点地起飞着陆技术目标。允许非垂直路线起飞和着陆,只要求实现在四周无障碍的小场地定点起飞着陆。这样一来,为实现固定翼飞机小场地定点地起飞着陆技术目标,根据基本物理原理,就可能借助除增添动力升力旋翼系统实现垂直起降之外的两条更为节能的技术路线,方式和机构。一条是基于动能/重力势能可逆转换原理的地面设施;另一条是基于动能/弹性势能可逆转换的设施。由于免除了增添动力升力旋翼系统,一旦首先在地球上实现,更有可能用于大气密度小得多的火星表面(升力旋翼在火星能效过低)。

采用势能起降平台作定点起降(动能/重力势能 可逆转换机构,地面设施) 也就是作者数年前提出的势能起降平台原理。基于滑翔翼及翼装高台定点起飞,在无动力情况下靠重力加速到滑翔速度的实践,提出动力固定翼飞行装置,从小面积高台起飞;而在着陆过程,靠U形路线向上滑翔减速实现高台着陆。
   基本原理是:总飞机质量W(千克)在高度差h(米)所具有的重力势能 Wgh (焦耳),与该飞机在飞行速度V(米/秒)所具备动能 WV^2/2 (焦耳)之间的相互转化。有兴趣读者可参看以前的专题博文。
   读者肯定会提问,在被探测的未知火星表面,哪来的合适高度面积的起降平台?答案是:可以把质量体积比固定翼无人机大得多的主探测车作为可移动起降平台,车上可升降到所需高度的平台,供无人机起飞和降落。
   现在人们在地球环境还没有实现固定翼无人机在重力势能起降平台起降,普遍采用的是轨道弹射起飞,靠降落伞(或专门收集网)回收。不妨先在地球表面开展试验和探索,解决无人机在小面积高台起飞降落技术和开发自动控制起降程序软硬件。一旦成功,可在多方面场景得到应用,最终有可能用于火星探测。需要指出的是,相对与同样飞行速度,重力势能起降平台高度与总起飞质量无关,仅随重力加速度g不同而不同。若重力加速度小,则势能平台要变高才能提供同样质量同样速度的动能。这是相对于地球表面在火星表面使用重力势能平台的弱势。

采用动势能转换起降装置(动能/弹性势能 可逆转换机构,机载或地面装置) 同理,小型固定翼无人飞机起降的动能也可以和弹性势能相互转化,从而避免了对小面积起降台高度的要求。
   基本原理是:总飞机质量W(千克)飞行速度V(米/秒)所具备动能 WV^2/2 (焦耳)与可移动小平台在滑轨位置弹性势能(焦耳)之间的相互转化。
   这种动能/弹性势能可逆转换机构,基本会装置在地面机动平台(火星探测则装置在主探测车),如果设计精巧,也可能装置在飞机本身(以增加总起飞质量为代价)。
网上曾有鸟腿式弹性起落架报导,并未说明是否能在着陆时收集该弹性势能。
现在人们在地球环境下,虽然早就实现轨道弹射起飞,还没有实现小型固定翼无人机在弹性势能起降平台降落,收集制动能作为下次起飞弹性势能的先例。
有兴趣的机构(大学,企业,研究机构)不妨先在地球表面开展试验和探索。
作者为在地面的装置研究试验方向提供几点基本建议:
1,        装备动能/弹性势能可逆转换机构的地面机动平台整体质量应该远大于无人机总起飞质量。
2,        动能/弹性势能可逆转换机构的滑轨上可移动小平台质量应远小于无人机质量,以便弹性势能转换为动能最终主要给与飞机。
3,        无人机起落架和平台之间靠电磁力固定。着陆时,接触即吸牢,当平台被弹簧完全制动后,电磁力才释放。起飞过程,当平台被弹簧完全加速后,电磁力才释放。
4,        小平台在滑轨弹性势能最大的制动位置被自动锚定,起飞时,释放该锚定装置。
5,        小平台及地面机动平台整体均有明显标志或装置便于无人机不同距离识别定位。
6,        小平台与滑轨的指向在地面机动平台上可以根据风向360度改变,保证在起飞,着陆时无人机都保持逆风姿态。
  相信,如果能认真执着研究试验,动能/弹性势能可逆转换机构无人机起降平台可以首先在地球实现。成功用于短途物流。设计方案也最终有可能用于火星探测。需要指出的是,与重力势能起降平台不同,弹性势能只取决于弹簧材料质量及尺寸,与重力加速度无关,也与大气密度无关,装置仅与总飞行质量及飞行速度有关。所以同起飞总质量及飞行速度的无人机动能/弹性势能可逆转换机构起降平台,在地球表面实验结果,可以直接用于火星表面(注意同质量同飞行速度无人机翼面积则会完全不同)。作者估计,三条技术路线中这种技术可能最适合用于火星探测。

建议我国天问2号火星探测计划,包括固定翼无人机,相关高校可率先开展研究设计
  如果说今年发射的火星探测装置中,我国首次发射天问1号就成功实现环绕,探测器着陆运行。
  美国在十多次成功着陆火星车探测基础上,今年发射首次实现小型飞行器试运行。美国的灵巧号飞行器以8000万美元研制费用,实现1.8千克飞行器在火星表面作每次历时90秒飞行探测,共6次。
  我国下次发射天问2号,应该首次实现小型长航时飞行器火星探测。实现5—8千克飞行器在火星表面作每次历时1小时以上飞行探测,共若干次。如果列下这样技术目标,提供1000万人民币以内的专项研制费用技术招标,相信不但能最终实现火星表面飞行探测技术目标,还能对我国无人机产业技术升级提供实质推动。
  我国高校相关专业青年教师和学子应该率先开展相关研究设计,踊跃投标。
  希望本文能起到抛砖引玉作用,欢迎有志参与者相关专业青年教师和研究生与作者通过电子邮件作具体技术探讨。
  (完)
2020/8/29发表
发表于 2020-9-6 08:30 | 显示全部楼层
发表于 2020-9-9 08:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 wh135 于 2020-9-9 08:49 编辑

还要考虑复杂条件下的起降问题,这方面固定翼劣势。让探测器飞不是目的,要根据不同探测任务的需要来选择不同的飞行方式
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