美國東部時(shí)間4月19日凌晨，毅力號(hào)火星車攜帶的機(jī)智號(hào)直升機(jī)成功進(jìn)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(jìn)行飛行的航空器。

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　　Mastcam-Z相機(jī)拍攝到的機(jī)智號(hào)直升機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)測(cè)試的畫面

　　圖源：NASA

　　航空器，是在大氣層內(nèi)進(jìn)行可控飛行的飛行器?；鹦巧洗髿鈱酉”?，且NASA賦予了機(jī)智號(hào)MarsHelicopter的稱號(hào)，基于這兩點(diǎn)，機(jī)智號(hào)應(yīng)該被稱為火星（無人）直升機(jī)。

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

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　　區(qū)域性環(huán)境航空測(cè)量（ARES）火星飛機(jī)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(shí)間為30秒。算上起飛、降落的時(shí)間，機(jī)智號(hào)在火星大氣中飛行時(shí)間共計(jì)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(hào)延遲達(dá)到12分鐘，所以此次試飛是全程自動(dòng)化。試飛計(jì)劃進(jìn)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(jī)智是一次技術(shù)演示性試飛，不具備科學(xué)觀測(cè)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(dòng)設(shè)計(jì)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(chǎng)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(jī)智號(hào)的旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到了2400轉(zhuǎn)每分鐘，這個(gè)速度是地球上直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速的8倍以上。由于火星大氣非常稀薄，機(jī)智號(hào)只能提高旋翼的旋轉(zhuǎn)來獲得足夠的升力。機(jī)智號(hào)工作的火星表面，其環(huán)境大致相當(dāng)于地球上3萬米的高度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)直升機(jī)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(jī)智號(hào)還需要做好保溫工作，防止設(shè)備被凍壞。

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　　機(jī)智號(hào)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(jī)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(jī)創(chuàng)造的1.2萬米的升限記錄。理論上說，機(jī)智號(hào)理論上能夠飛行的高度可達(dá)3萬米。但不得不說的是，火星上的起飛環(huán)境是相當(dāng)惡劣的，因此機(jī)智號(hào)不僅要在地球上3萬米高度飛行，同時(shí)還要安裝到毅力號(hào)火星車下方，因此它采用了共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)。

　　旋翼設(shè)計(jì)是亮點(diǎn)

　　為了應(yīng)對(duì)火星表面環(huán)境和便于部署，NASA在機(jī)智號(hào)上采用了共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)，同時(shí)使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。這也是馬斯克大力發(fā)展電動(dòng)車的原因之一。因?yàn)榛鹦巧蠜]有石油，只能使用電動(dòng)車作為火星定居點(diǎn)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(jī)智號(hào)直升機(jī)的大小，旋翼直徑大約1.2米，使用共軸反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)?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(dòng)抵消扭矩

　　圖源：SPACE.COM

　　使用共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有這么幾個(gè)。第一，簡(jiǎn)化了直升機(jī)的結(jié)構(gòu)，尤其是復(fù)雜的尾槳傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，有利于折疊放置在火星車腹部，如果機(jī)智號(hào)使用單旋翼帶尾槳的結(jié)構(gòu)，旋翼直徑可能要達(dá)到1.7米。旋翼直徑的增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)智號(hào)變得更加龐大，不容易塞到毅力號(hào)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(hào)，目前全球也有非常多的共軸反轉(zhuǎn)旋翼直升機(jī)，比如俄羅斯卡莫夫設(shè)計(jì)局的多種產(chǎn)品等。如果使用大疆式無人機(jī)采用的四旋翼十字對(duì)稱結(jié)構(gòu)，就喪失了未來發(fā)展出可載人的火星直升機(jī)的能力。第三，共軸反轉(zhuǎn)旋翼具備較好的抗側(cè)風(fēng)性能，懸停效率較高，可對(duì)抗火星上可能出現(xiàn)的陣風(fēng)。

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　　共軸反轉(zhuǎn)直升機(jī)的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜 圖源：wiki

　　當(dāng)然，共軸反轉(zhuǎn)旋翼也有不足的地方，機(jī)動(dòng)性偏差一些，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求較高，以及噪音較大。這些問題對(duì)于火星探索而言，其實(shí)都不是主要限制因素。

　　綜上，根據(jù)機(jī)智號(hào)共軸反轉(zhuǎn)旋翼的設(shè)計(jì)，我們可以看出一些NASA對(duì)火星殖民計(jì)劃提前進(jìn)行的布局，比如可載人的直升機(jī)，作為火星定居點(diǎn)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(jī)試飛畫面，注意尾部還有一個(gè)推進(jìn)器，

　　這種氣動(dòng)有可能被移植到未來的火星直升機(jī)上 圖源：NASA

　　天體探索進(jìn)入航空器時(shí)代

　　可載人的火星直升機(jī)應(yīng)該是比較遙遠(yuǎn)的目標(biāo)，在下一階段，NASA有可能進(jìn)一步測(cè)試能夠在火星上飛行的固定翼飛機(jī)，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(jī)探索目標(biāo)天體，需要滿足一個(gè)基本點(diǎn)：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(jī)。如果目標(biāo)天體有陸地表面，可滿足航空器的起降，實(shí)現(xiàn)重復(fù)多次使用。由于每個(gè)天體的大氣密度、引力場(chǎng)、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(jìn)行針對(duì)性的研究和設(shè)計(jì)。

　　目前，NASA將主要精力集中在火星上，早在馮布勞恩時(shí)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(jī)，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(cè)量（ARES）火星飛機(jī)，計(jì)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(shí)320公里的飛行速度探索火星。相比較旋翼機(jī)而言，固定翼飛機(jī)的航程更遠(yuǎn)，一次飛行可巡弋、探測(cè)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(jī)智號(hào)之前，火星固定翼飛機(jī)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(cè)量（ARES）火星飛機(jī)?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(diǎn)。

　　第一，需要建立低雷諾數(shù)、高亞音速的空氣動(dòng)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(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)與地球上的飛機(jī)有一定的區(qū)別，通常是非常規(guī)機(jī)身設(shè)計(jì)。ARES火星飛機(jī)就采用了帶有下反特征的機(jī)翼，并且將垂尾和平尾整合，與我們通常所見的航空器氣動(dòng)設(shè)計(jì)有較大的區(qū)別；

　　第三，需采用在機(jī)身上增加機(jī)翼折疊設(shè)計(jì)，以便收納到火星著陸器內(nèi)部，因此在放飛的時(shí)候需要自動(dòng)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(dòng)機(jī)，機(jī)智號(hào)使用了電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳，ARES飛機(jī)使用了化學(xué)燃料，畢竟火星的大氣稀薄，相當(dāng)于地球上3萬米高度，不利于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

　　綜上，機(jī)智號(hào)這次成功在火星表面試飛，是NASA在過去數(shù)十年對(duì)火星航空器研究的成果，在未來一段時(shí)間，固定翼航空器也可能進(jìn)入火星大氣中試飛，這也是火星探索的一種趨勢(shì)。同時(shí)，航空器探索方式也會(huì)推廣到其他有大氣結(jié)構(gòu)的行星、衛(wèi)星上，對(duì)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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