美國東部時間4月19日凌晨，毅力號火星車攜帶的機智號直升機成功進行了首次試飛，這是人類歷史上第一架能夠在地外天體上進行飛行的航空器。

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　　Mastcam-Z相機拍攝到的機智號直升機葉片旋轉(zhuǎn)測試的畫面

　　圖源：NASA

　　航空器，是在大氣層內(nèi)進行可控飛行的飛行器。火星上大氣層稀薄，且NASA賦予了機智號MarsHelicopter的稱號，基于這兩點，機智號應(yīng)該被稱為火星（無人）直升機。

　　從定義來看，機智號的意義可與萊特兄弟發(fā)明的飛機相媲美，后者作為地球上的第一架飛機，而機智號是火星上的第一架直升機，二者都屬于航空器這個類目。

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　　區(qū)域性環(huán)境航空測量（ARES）火星飛機的工作想象圖，圖源：NASA

　　根據(jù)NASA的數(shù)據(jù)顯示，本次試飛最大高度為3米，懸停時間為30秒。算上起飛、降落的時間，機智號在火星大氣中飛行時間共計39.1秒，旋翼轉(zhuǎn)速為每分鐘2400轉(zhuǎn)以上。由于火星與地球距離逐漸增加，信號延遲達到12分鐘，所以此次試飛是全程自動化。試飛計劃進行5次，每次不超過3分鐘，最大飛行高度不超過5米，距離不超過300米。從這些限制條件看，機智是一次技術(shù)演示性試飛，不具備科學(xué)觀測能力。

　　火星上起飛環(huán)境惡劣

　　既然是技術(shù)演示，那么到底什么樣的氣動設(shè)計才適合在火星上飛行？這需要我們先看看火星的飛行環(huán)境。

　　火星上的大氣密度只有地球的1%左右，且火星的引力場只有地球的38%，采用傳統(tǒng)的方法肯定是無法在火星上飛行。機智號的旋翼轉(zhuǎn)速達到了2400轉(zhuǎn)每分鐘，這個速度是地球上直升機旋翼轉(zhuǎn)速的8倍以上。由于火星大氣非常稀薄，機智號只能提高旋翼的旋轉(zhuǎn)來獲得足夠的升力。機智號工作的火星表面，其環(huán)境大致相當于地球上3萬米的高度，遠遠超出了傳統(tǒng)直升機的飛行高度范圍。而且，火星表面的溫度可低至零下90攝氏度，機智號還需要做好保溫工作，防止設(shè)備被凍壞。

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　　機智號在火星表面上方數(shù)米位置懸停 圖源：NASA

　　一般情況下，直升機升限在數(shù)千米不等，目前最高的數(shù)據(jù)，是1972年法國直升機創(chuàng)造的1.2萬米的升限記錄。理論上說，機智號理論上能夠飛行的高度可達3萬米。但不得不說的是，火星上的起飛環(huán)境是相當惡劣的，因此機智號不僅要在地球上3萬米高度飛行，同時還要安裝到毅力號火星車下方，因此它采用了共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計。

　　旋翼設(shè)計是亮點

　　為了應(yīng)對火星表面環(huán)境和便于部署，NASA在機智號上采用了共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計，同時使用電動機驅(qū)動。這也是馬斯克大力發(fā)展電動車的原因之一。因為火星上沒有石油，只能使用電動車作為火星定居點的交通工具。旋翼系統(tǒng)使用4片由碳纖維特殊材料制造的槳葉，旋翼直徑為1.2米，上下旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，抵消了扭矩。

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　　機智號直升機的大小，旋翼直徑大約1.2米，使用共軸反轉(zhuǎn)設(shè)計?圖源：NASA

　　共軸反轉(zhuǎn)旋翼的側(cè)視圖，上下旋翼通過反向轉(zhuǎn)動抵消扭矩

　　圖源：SPACE.COM

　　使用共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計的優(yōu)點有這么幾個。第一，簡化了直升機的結(jié)構(gòu)，尤其是復(fù)雜的尾槳傳動機構(gòu)，有利于折疊放置在火星車腹部，如果機智號使用單旋翼帶尾槳的結(jié)構(gòu)，旋翼直徑可能要達到1.7米。旋翼直徑的增加會導(dǎo)致機智號變得更加龐大，不容易塞到毅力號的肚子下面；第二，共軸反轉(zhuǎn)旋翼將來能夠衍生出載人型號，目前全球也有非常多的共軸反轉(zhuǎn)旋翼直升機，比如俄羅斯卡莫夫設(shè)計局的多種產(chǎn)品等。如果使用大疆式無人機采用的四旋翼十字對稱結(jié)構(gòu)，就喪失了未來發(fā)展出可載人的火星直升機的能力。第三，共軸反轉(zhuǎn)旋翼具備較好的抗側(cè)風性能，懸停效率較高，可對抗火星上可能出現(xiàn)的陣風。

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　　共軸反轉(zhuǎn)直升機的傳動裝置設(shè)計復(fù)雜 圖源：wiki

　　當然，共軸反轉(zhuǎn)旋翼也有不足的地方，機動性偏差一些，對發(fā)動機的設(shè)計要求較高，以及噪音較大。這些問題對于火星探索而言，其實都不是主要限制因素。

　　綜上，根據(jù)機智號共軸反轉(zhuǎn)旋翼的設(shè)計，我們可以看出一些NASA對火星殖民計劃提前進行的布局，比如可載人的直升機，作為火星定居點之間的空中交通工具使用。

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　　X2剛性共軸反轉(zhuǎn)直升機試飛畫面，注意尾部還有一個推進器，

　　這種氣動有可能被移植到未來的火星直升機上 圖源：NASA

　　天體探索進入航空器時代

　　可載人的火星直升機應(yīng)該是比較遙遠的目標，在下一階段，NASA有可能進一步測試能夠在火星上飛行的固定翼飛機，并且將航空器探索的方式推廣到其他天體上，比如金星、土衛(wèi)六上。使用固定翼飛機探索目標天體，需要滿足一個基本點：該天體要有大氣結(jié)構(gòu)，能夠形成升力，月球表面接近真空，因此無法使用固定翼飛機。如果目標天體有陸地表面，可滿足航空器的起降，實現(xiàn)重復(fù)多次使用。由于每個天體的大氣密度、引力場、溫度都不一樣，能在火星上飛的航空器在其他天體上不一定能飛得起來，基于此，要想通過航空器探索地外天體，需要進行針對性的研究和設(shè)計。

　　目前，NASA將主要精力集中在火星上，早在馮布勞恩時代，NASA就提出開發(fā)有翼航空器將人類送到火星表面。1970年代，NASA開發(fā)了Mini-嗅探器無人固定翼飛機，用于火星高空取樣研究。2000年代初，NASA研發(fā)了區(qū)域性環(huán)境航空測量（ARES）火星飛機，計劃在距離火星表面1.5公里的高度釋放，使用肼為燃料，可以每小時320公里的飛行速度探索火星。相比較旋翼機而言，固定翼飛機的航程更遠，一次飛行可巡弋、探測較大范圍的火星表面，甚至可以為火星未來的城際間載人航班打下基礎(chǔ)。綜上可以看出，在機智號之前，火星固定翼飛機就已經(jīng)出現(xiàn)，只不過受到安全性等方面的因素影響，沒有成功部署。

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　　2000年代初，NASA研發(fā)了區(qū)域性環(huán)境航空測量（ARES）火星飛機?圖源：NASA

　　火星飛行的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　從技術(shù)上看，要在火星上飛行，面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)有四點。

　　第一，需要建立低雷諾數(shù)、高亞音速的空氣動力學(xué)模型，才能滿足在火星大氣中飛行的需要；

　　第二，火星飛機的機身結(jié)構(gòu)與地球上的飛機有一定的區(qū)別，通常是非常規(guī)機身設(shè)計。ARES火星飛機就采用了帶有下反特征的機翼，并且將垂尾和平尾整合，與我們通常所見的航空器氣動設(shè)計有較大的區(qū)別；

　　第三，需采用在機身上增加機翼折疊設(shè)計，以便收納到火星著陸器內(nèi)部，因此在放飛的時候需要自動展開，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；

　　第四，需要使用非吸氣式發(fā)動機，機智號使用了電動機帶動螺旋槳，ARES飛機使用了化學(xué)燃料，畢竟火星的大氣稀薄，相當于地球上3萬米高度，不利于吸氣式發(fā)動機工作。

　　綜上，機智號這次成功在火星表面試飛，是NASA在過去數(shù)十年對火星航空器研究的成果，在未來一段時間，固定翼航空器也可能進入火星大氣中試飛，這也是火星探索的一種趨勢。同時，航空器探索方式也會推廣到其他有大氣結(jié)構(gòu)的行星、衛(wèi)星上，對我們國家而言，也應(yīng)該著手研發(fā)，提前做好積累相關(guān)技術(shù)，為今后探索火星奠定基礎(chǔ)。

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