地球上的直升機基本上分成是兩大類:有尾槳的和沒有尾槳的。
有尾槳的直升機有一個單旋翼,然后再加上一個尾部的螺旋槳。尾部螺旋槳是為了平衡主旋翼上的旋轉力矩。
當然,還可以采取另外的方法來平衡這個旋轉力矩,就是把主旋翼做成2個(或者4個),旋轉方向相反,就可以省掉尾部的螺旋槳。
雙旋翼的布置有兩種方式,一種就是分開布置,還有一種就是共軸布置。
分開布置的主旋翼很有名氣的是美國運輸直升機支奴干(是一個印第安部落的名字,也可以叫做齊努克)。
這種分開布置兩個旋翼的揮動范圍是重疊的,為了防止槳葉打在一起,專門有一個機械鎖定裝置。
除此以外,還有一種旋轉軸的軸線完全重合,實際上是一個套筒結構,外側的套筒轉向和內側的軸轉向相反。
這種共軸雙旋翼的直升機,以俄羅斯的卡系列最為著名,它的特點就是可以把直升機做得很短。
共軸雙旋翼的布置有一個缺點,上下揮舞的這兩個旋翼有可能會打到一起。一旦下旋翼槳葉往上翹,上旋翼的槳葉往下彎,就會打槳,直升機會立刻墜毀。
但是共軸雙旋翼布置的直升機省掉了一個尾部的螺旋槳, 效率高,升力系數比較大。據前蘇聯的測試,在同樣功率下,共軸雙旋翼布置的直升機要比常規布置的直升機升力提高12%。
美國火星直升機的動力來源于太陽能電池,而且火星距離太陽比地球距離太陽要遠,太陽輻射到達火星時,輻射強度只相當于地球上的43%。
所以火星直升機必須節約每一分功率,不能浪費,因此火星直升機就是采用這種共軸雙旋翼的布局。
為了防止打槳,旋翼做成剛性的。火星直升機的旋翼看上去更像是飛機的螺旋槳,類似于魚鷹垂直起降飛機的那一種形式。
●美國國家航空航天局(NASA)的Ingenuity直升機。
市面上大多數的商業無人機,像大疆的無人機都采用4個旋翼,理論上說美國的火星直升機也可以做成4個旋翼的。
四軸直升機的最大的特點就是特別靈活,因為它有4個升力點,自由度更高。而且這樣布置最大的好處是對使用者比較安全,因為每一個旋翼的直徑比較小。
直升機旋翼揮舞的時候,翼尖的線速度非常高,有可能會造成非常嚴重的傷害事故。
香港有個模型愛好者玩大型的模型直升機,直升機的旋翼有1.5米,因為操縱不當,結果被旋翼爆頭。
4軸直升機要頻繁的和人接觸,所以把它的旋翼做小,對于人體安全。
但是火星上是無人的,所以不必考慮到人員的安全性問題,而且4個電機比一個電機的出問題的概率要大。
除此以外,共軸雙旋翼的螺旋槳安裝高度高,起飛和降落的時候吹起的沙塵較少,對設備的磨損少。
火星空氣的密度大概只相當于地球大氣的1%,所以螺旋槳的轉速必須很高、揮舞面積必須大,才能提供足夠的升力。火星無人,這種對人員傷害的設計要素都可以不必考慮。
相比較于月球來說,火星的地形更加復雜,直升機可以跨越崎嶇的地形。
共軸雙旋翼,升力在重心之上,在目標上空懸停比四軸直升機要穩定的多。實際上,共軸雙旋翼直升機在懸停穩定性上是所有直升機里面最佳的一種,而且我們要知道火星上雖然空氣稀薄,但是畢竟還是有風的。
Ingenuity直升機于4月19日在火星上升空,在地球以外的世界上進行了有史以來的首次動力飛行。
Ingenuity重1.8公斤,高度48公分,雙旋翼直徑1.2米。
到4月27日,直升機已經進行了三次試飛,最后一次在空中懸停了80秒。
由于對重量控制很嚴格,直升機上只有攝像頭,沒有其他的設備。
毅力號火星車是火星直升機飛行活動的控制中心,地球和直升機之間的通信必須依靠毅力號火星車進行中繼。
火星直升機接下來的主要任務是在45公里長的杰羅澤古河道上,尋找可能存在的古代生命證據。