作者罗伯特·帕金斯，加州理工学院 信用:美国航天局/JPL-加州理工学院 智谋直升机可能是第一架在火星上飞行的飞行器，但火星不是它飞行过的第一个地方
在把它打包并爆破到红色星球之前，JPL的工程师在一个特殊的风洞中对直升机进行了试运行，这个风洞是在加州理工学院研究人员的帮助下设计的
为了模拟在大气层比地球薄100倍的星球上飞行，在JPL一个85英尺高、25英尺直径的真空室里建造了一个定制的风洞，由加州理工学院为美国宇航局管理
舱室中的压力被抽到接近火星大气的水平，同时一组441对独立可控的风扇吹向直升机，模拟在封闭空间中的向前飞行
该风扇阵列是由JPL的工程师根据加州理工学院的克里斯·多尔蒂和马塞尔·维斯曼的意见设计和制造的
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与莫利·加里布一起工作的学生
航空学和生物工程教授兼加州理工学院自主系统和技术中心的布斯-克雷萨领导主席
多尔蒂和韦斯曼此前曾负责为2017年开放的CAST真实天气风洞设计和组装类似的1296对风扇
他们的设计使用现成的电脑冷却风扇(尽管是目前最强大的)
“这种类型的风洞特别适合预期的应用，因为与单风扇风洞相比，使用一系列小型廉价风扇的概念提供了一个节省空间和成本的解决方案，”维斯曼说
“此外，这些类型的风扇相对坚固，操作安全，模块化使我们能够在建造全尺寸设施之前测试墙壁的性能
" 杰森·拉宾诺维奇(Jason Rabinovitch)是JPL的一名机械工程师，致力于测试直升机，他在2017年联系了CAST团队
“我获得了博士学位
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现在是新泽西州史蒂文斯理工学院机械工程助理教授的拉比诺维奇说
设计一架直升飞机在火星上飞行，火星的重力和气压比地球低得多，这给JPL的工程师们提出了一系列新的挑战
简单地测试直升机需要新的设备
学分:加州理工学院 多尔蒂说:“即使是在一个大真空室里，也不可能以任何有意义的方式自由向前飞行。”
“因此，为了测试向前飞行，要么建造有史以来最大的真空室，这将是时间和成本禁止的，要么找到一种方法来模拟火星在密封和受限空间环境中的向前飞行条件
这就是我们的风扇阵列的用途
" 多尔蒂和韦斯曼设计了CAST的风扇阵列，以模拟部分封闭环境中的真实世界地面天气条件，使研究人员能够在加里夫的监督下，在现实条件下测试无人驾驶飞行器
这个10英尺乘10英尺的阵列被安置在一个三层楼高的无人机竞技场里
一个计算机程序控制着2000多个独立风扇的动作，允许工程师模拟无人机在现实世界中可能遇到的任何风况，从微风到大风
“如果我们想建造能够在现实世界中运行的东西，我们需要在现实世界中测试它们
这就是为什么在CAST，我们有自主系统面临现实挑战的设施，”CAST主任加里布说
对火星直升机来说更重要的是，风扇阵列的软件使它能够根据需要灵活地生成真实的湍流，因为每个风扇每秒钟都在发送和接收信息
“我们有很多空气动力学问题，”拉宾诺维奇说
“您想了解车辆在相关环境中的性能
你想确保飞行器在火星上飞行时是稳定的，并且在大范围的机动过程中能如预期的那样工作
" 与直觉相反，独创性试验设施能够产生稳定的低速风是很重要的
传统的风洞只有一个巨大的风扇，设计用来产生高速风，以测试时速数百英里的飞机
该小组研究了使用位于美国国家航空航天局兰利研究中心的跨音速动力风洞的可能性，这是一个能够产生气流条件的风洞，用于测试在地球高海拔地区以音速飞行的飞机
相比之下，“心灵手巧”直升机的速度约为每秒10米，或每小时20英里
2021年4月19日，美国宇航局的智谋火星直升机拍摄了这张照片，捕捉到了自己的影子，当时它在火星表面盘旋，这是在另一颗行星上进行的第一次动力控制飞行
信用:美国航天局/JPL-加州理工学院 “如果我们去了兰利，他们将不得不闲置他们的风扇来获得我们想要的风速，”艾米·科恩说，她是JPL的一名机械集成工程师，曾帮助测试直升机
JPL火星直升机团队确保了该项目使用JPL最大的真空室之一
这个房间高85英尺，直径25英尺
大约需要两个小时才能抽出空气来重现火星大气的状况
在一个真空室内建立一个单独可控的风扇阵列并不像组装这些单元并打开它们那么简单
首先，真空室的本质——它被紧密密封的事实——意味着不能有多根电线进出
所有投入和产出都必须精简和缩减 该设施本身对JPL的火星任务至关重要
“这是我们对所有火星漫游者进行主要热真空测试的舱室，它通过抽出所有空气并在高温和低温之间循环来模拟太空
我们必须保持它的清洁，”科恩说
“我们担心灰尘，但我们也担心风扇部件的排气
“由于污染控制的要求，JPL团队不得不重新给风扇布线，用向空气中释放较少化学气体的特氟隆来替换他们现有的聚氯乙烯(聚氯乙烯)布线外套
“这很有趣，但有很多细节需要考虑，”科恩说
“我们采用了一种完全不是为风洞试验设计的设备，并首次将其改造成风洞
" 由于模拟火星极低的大气压力需要时间来抽空燃烧室，任何出现的错误都需要远程修复
为此，多尔蒂和韦斯曼获得了加州理工学院夏季本科生研究奖学金学生亚历杭德罗·斯特凡-扎瓦拉的帮助
一架四旋翼无人驾驶飞机在CAST机场的风扇墙前盘旋
学分:加州理工学院 斯特凡-扎瓦拉说:“我们这里使用的风扇有一个内置传感器，可以告诉你它们旋转的速度，你必须编写一些软件来访问这个传感器。”
“有441对风扇，有很多传感器，您想实时了解发生了什么，这样您就可以诊断出某些部件是否工作不正常
" 当不在真空室内时，这是一个简单的过程:只需将一根USB线插入有故障的组件，并将其连接到笔记本电脑上
为了在真空室中完成这种类型的纠错，需要80条单独的USB线来携带足够的数据来控制风扇
相反，斯特凡-扎瓦拉开发了定制软件，远程监控风扇，并在必要时指导它们自动重新编程
该项目的可行性研究始于2017年，测试于2018年9月中旬完成
考虑到对模拟空间环境的真空室的持续需求——JPL研究人员将其用作空间模拟器——该团队几乎没有时间组装风扇阵列，让其工作，进行测试，然后将其全部拆除
最终，风扇阵列仅在几周内保持组装状态
“太紧了
拉宾诺维奇说:“我们晚上和周末都在工作。”
拉宾诺维奇说，他并不感到惊讶，为测试一项全新的火星技术而设计一个同类风洞所需的特殊技术诀窍来自学生
“他们是加州理工学院的研究生，”他说
“我对这种专业水平并不感到惊讶
"
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