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本科毕业设计（论文）外文文献翻译

文献题目HoverPerformanceofaSmall-ScaleHelicopterforFlyingonMars

专业飞行器制造工程

班号1308302

学号11

学生陈水添

指导教师评语：

指导教师签名：

年月日

可用于火星飞行的小型直升机转子悬停性能

RobinShrestha

UniversityofMaryland,CollegePark,Maryland20742

MobleBenedict

TexasA&MUniversity,CollegeStation,Texas77843

以及

VikramHrishikeshavan和InderjitChopra§

UniversityofMaryland,CollegePark,Maryland20742

DOI：

摘要：

本研究是为了回应对于评估用于火星探测的小型自动化直升机（总质量小于1kg）飞行可行性与日俱增的兴趣。

自主旋翼航空器可以理想地适用于这样的应用，因为它具有独特的优点，其中包括在与传统的地面漫游器相比时在恶劣的地形上垂直起飞/着陆的能力以及更大的速度，范围和视野。

火星上的大气条件呈现出独特的设计挑战。

尽管火星的重力只有38％左右地球的重力，火星的平均大气密度是地球大气密度的七十分之一。

因此，转子将以非常低的雷诺数运行，对于小型直升机而言，甚至低于5000。

然而，由于需要更高的尖端速度（由于密度较低），马赫数将显着更高（M>），并且由于火星上的声速仅为地球声速的大约72％。

桨叶上的低雷诺数，高马赫数流动条件对转子设计施加了严格的限制。

本研究提出的解决方案涉及扩大转子尺寸以在可接受的马赫数和雷诺数条件下产生所需的推力。

实验在一个真空室中评估了200g火星同轴直升机的全尺寸转子的悬停性能，真空室完全模拟了火星空气密度。

在雷诺数为3300，马赫数为的情况下，基线转子获得的最大品质因数小于。

通过改变空气密度以恒定的马赫数增加雷诺数，雷诺数为35,000，将同一转子的品质因数提高到以上。

随着雷诺数降低到极低值（Re<5000），最大品质因数的桨叶总距角甚至增加到30度。

这项研究的一个重要结论是小型火星无人机在火星持飞行（12–13min）是可行的。

I.引言

这里存在一个用于评价用于火星探测的小型旋翼机可行性的巨大兴趣。

本研究与NASA的在火星2020任务中操作一架小型旋翼无人机从火星漫游者起飞的目标一致。

小型的火星旋翼机被设想作为传统表面漫游车的探路者。

一架飞行平台的优势在于：

更高的速度、更广的范围以及相比于传统的漫游车更大的视野范围。

火星表面呈现出独一无二的挑战，因为它表面的多样性和崎岖不平，这将限制传统的漫游车到达许多值得高度关注兴趣点的机动性。

例如，让轮式漫游车去探索小火星沟中源头和沿着火星峡谷悬崖面分布的土壤似乎是不可能的。

然而探索这些特征对于了解它们形成和水在火星过去和现在扮演的角色至关重要[1]。

一个飞行器将会拓宽我们的探索能力。

一架星际飞行器将会移除穿过危险的巨石散落地区或击中不可能绕过障碍物的挑战。

一架理想的火星飞行器将是拥有从着陆区垂直起飞，穿过并且在具有高科研兴趣崎岖上方悬停，收集科学数据的能力。

为了这个任务，在过去，不同的飞行平台已经被提出来。

自1960年起，火星探测就被通过三种方式进行：

略过，环绕以及着陆/漫游。

然而，在过去的二十年里，已经有很多的研究聚焦于探索新概念飞行器的可行性，这些飞行器将通过高分辨率成像、下放探针或传感器、采集微小样品、作为探路者以及进行高危险性任务等方式来提升火星表面探索的能力。

这些研究关注点在于三种不同的概念：

比空气轻的飞行器、固定翼飞行器以及旋翼机。

这些飞行器的采用将取决于任务的类型以及财务预算。

例如，这里已经有很多通过实验和分析研究来设计/构建用于火星环境的比空气轻的概念机（热气球/飞艇）。

这里最大的挑战在于满足对于在火星大气环境中轻型热气球的平衡要求以及承受在展开和膨胀过程中的瞬态负载。

俄罗斯/法国的“火星空气飞行器”项目（1987-1995年）首先采取的主要措施之一，其目标是将气球系统（Aerostat）发射火星大气中，并在火星表面上飞行10天，进行原位科学探索[3]。

拟议的空气飞行器将在距离地面4公里的高度漂浮5500立方米圆柱形超压外壳。

但是，这个项目是在取得重大特破之前便在1995年被取消了。

喷气推进实验室的火星气球验证计划（MABVAP）的另一项重大工作，该工作是1997年8月发起，旨在开发和验证火星任务所需的关键技术[4]。

MABVAP的三个主要组成部分是验证空中展开和膨胀，超压热气球设计和开发新的仿真工具。

作为该计划的一部分，从1997年到2002年，制造和测试了一些超压气球。

其次是联合喷气推进实验室（JPL），Wallops飞行设施和近空间公司进行研究成为称为“超级-M”的工作。

2006年，SUPER-M队对火星全尺寸原型气球进行了成功的空中展开和膨胀测试[5]。

这些测试发生在31公里高度的地球平流层，在那里低气压密度与火星表面附近的大气密度相当，主要技术重点是进行空中产开和膨胀过程。

在20世纪70年代后期，随着JPL的资助和指导，发展科学公司（DSI）进行了可能是对火星固定翼飞机可行性的最全面的早期调查[6]。

设计的最终飞机（名为“Astroplane”）的翼展为21米，机翼面积为20平方米，标称质量为300公斤。

采用一个复杂的折叠方案，其中包括六个翼折，三个机身折叠和折叠螺旋桨，以将Astroplane装配到米的类Viking壳中。

自从DSI研究以来，已经有几个美国航空航天局，工业和大学对火星飞行任务的研究。

众所周知的工作是NASA兰利研究中心的ARES（火星地区范围的火星环境调查）项目，目标是使用专门设计的固定翼飞机来探索火星南部高地[7]。

最终飞机设计的翼展米，估计总重150公斤，范围500公里，耐力1小时。

飞机的大尺寸（翼区面积7平方米）允许它以可操控的空气动力学状态中（马赫数在和之间，雷诺数在100,000和200,000之间）运行。

该飞机的推进系统由双组元推进剂，脉冲控制火箭推进系统与单甲基肼燃料和氮氧化物混合氧化物组成。

这架飞行器的半尺度模型是在2002年建成的，并在103,500英尺的高度进行了成功的自主高空展开和抽出过程，许多其他固定翼飞机任务和概念设计由各个机构提出[6-9]，其中飞行器尺寸范围从2到12米，翼展，总重量从20到200公斤，耐力15分钟至3小时，范围从130到1800公里，巡航速度从110到160米/秒不等。

尽管比空气轻概念在功耗方面是效率最高的，但由于对任何重要的有效载荷及其对风的敏感性都需要较大的气囊尺寸，因此它们并不实用。

他们也缺乏探索有针对性的科学兴趣领域的控制权。

固定翼飞机相对有效；然而，他们以非常高的速度（大于100米/秒）飞行的必要性对其任务能力施加了很多限制，并使它们在第一次飞行之后不可重新覆盖研究区域。

另一方面，旋翼航空器即使是三个系统中功耗最大的一种，但是它具有极高的灵活性，具有悬停/低速飞行能力，非常适用于许多任务。

旋翼航空器具有独特的优势，能够从崎岖的地形起飞和降落，以及悬停和低速飞行，以调查不利地形（比轨道飞行器更接近）。

它还可以将传感器从漫游车精确地传送到任何位置，并将样本从远程站点返回到主漫游车。

使用旋翼飞机作为火星行星探测的空中平台有很多潜在的好处。

然而，火星上的条件提出了非常独特的设计挑战。

火星的重力大约只有地球重力的三分之一，但是火星的大气密度是地球的七十分之一。

火星上的声速也只有地球上的72％。

火星上的超低空气密度要求转子以非常高的旋转速度运行，以产生所需的推力。

结果，叶片将经历独特的低雷诺数（Re）/高马赫数流动条件，这种情况通常不会在任何其他常规飞行器上发生。

低雷诺数，高马赫数流量没有实验数据；因此，空气动力学预测可能不准确。

因此，为这些流动状况生成的转子性能数据库至关重要。

目前的研究集中在一个小型旋翼机（质量〜200克），这可以用来从漫游车上进行巡视任务。

已经有一些实验研究系统地研究了微型飞行器（MAV）尺度转子（直径在6英寸内）的低雷诺数（Re=30;000至60,000）[10-13]的空气动力学。

然而，这些转子在非常低的马赫数（M〜）下在地球的大气密度（ρ=/m3）下进行了测试，低雷诺数是由于转子的缩小而导致的。

MAV转子研究的结果支持使用弧形（弧度为6至9％），圆弧平板翼型，锋利的前缘雷诺数小于60,000的桨叶。

Bohorquez在MAV规模转子（Re≈60;000）上进行的实验表明，具有锋利前缘的细圆弧形锯片（6-9％）桨叶的转子具有优异的性能[13,14]。

使用由Lakshminarayan和Baeder在悬停MAV标尺转子上进行的雷诺兹Navier-Stokes求解器的计算研究表明，具有钝前缘的叶片的性能差的原因是由于层流引起的前部压力阻力较大分离气泡[15]。

Benedict等人的进一步实验测试和系统优化了不同的叶片参数，包括叶片翼型，叶片弦，叶片扭转和平面锥度[16]。

这项研究表明，MAVscale雷诺数（Re〜30;000）运行的转子可以实现的品质因数，这比在雷诺数方面运行的其他转子有相当大的改进。

然而，现在的200克火星直升机将会运行的雷诺数范围（Re<5000）和马赫数（M≤）的数量级更高的雷诺数范围可以实现可比性能的问题，仍然存在。

本文重点介绍了基础实验，这些实验旨在支持美国航空航天局JPL主动调查火星上微型旋翼机（质量小于1公斤）的可行性。

本研究与NASA的目标一致，将微型旋翼机发射到火星，为2020年任务，作为漫游车的探路者。

本研究的具体目标是调查这样的微型旋翼机是否能够在火星上悬停，如果是这样，我们是否可以期望实际的耐力执行有用的任务。

所提出的飞行器是共轴旋翼机，总重量为200g。

在悬停时，每个转子需要在火星上产生N（N总）的推力。

为了以可控的转速（或低马赫数）和相当高的雷诺数来实现该推力，转子将必须放大。

对于目前的设计，每个转子的直径可以达到18英寸，可能是相同质量的地面MAV的2-3倍。

因此，本研究的主要目标是在定制的真空室中，在模拟火星大气密度（ρ=kg/m3）下，实验研究基准全尺度转子（18in直径）的悬停性能。

此外，通过保持转速恒定（恒定马赫数）并改变空气密度，对于相同的转子进行相同的转子的实验，以获得在宽范围的雷诺数（Re3300至35,000）下相同转子的性能。

这是一个1公斤级的小型直升机在薄弱的火星气氛中所能达到的雷诺数范围。

从这项研究中获得的见解将为火星气氛中的小型直升机转子的性能提供基础认知，这在现阶段是不可用的。

它还将提供验证数据以验证未来的计算研究。

另外，根据目前的实验结果，测试了这种具有超过10分钟耐力的旋翼航空器对于火星探测的可行性。

II.实验设置

研究的第一步是研制一个悬停实验台来测量悬停状态下转子的空气动力学性能。

图1（a）示出了悬停测试台上的测试转子的俯视图，并且用于测量每分钟的推力，功率和转数的传感器的特写视图如图1（b）所示。

为了精确测量推力，驱动电机和直接连接转子的行星齿轮箱安装在转子悬停测试台上。

悬架由推力和扭矩传感器组成。

称重传感器的限制高达kg（lb）。

称重传感器的校准集中在我们预期在火星密度（0至100g）下看到的窄范围内。

在1g精度内测量推力数据。

用于驱动转子的电动机是具有4:

1行星齿轮箱的直流无刷电动机（HackerB40）。

使