美國東(dong) 部時間4月19日淩晨，毅力號火星車攜帶的機智號直升機成功進行了首次試飛，這是人類曆史上第一架能夠在地外天體(ti) 上進行飛行的航空器。

　　Mastcam-Z相機拍攝到的機智號直升機葉片旋轉測試的畫麵

　　圖源：NASA

　　航空器，是在大氣層內(nei) 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，基於(yu) 這兩(liang) 點，機智號應該被稱為(wei) 火星（無人）直升機。

　　從(cong) 定義(yi) 來看，機智號的意義(yi) 可與(yu) 萊特兄弟發明的飛機相媲美，後者作為(wei) 地球上的第一架飛機，而機智號是火星上的第一架直升機，二者都屬於(yu) 航空器這個(ge) 類目。

　　區域性環境航空測量（ARES）火星飛機的工作想象圖，圖源：NASA

　　根據NASA的數據顯示，本次試飛最大高度為(wei) 3米，懸停時間為(wei) 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，旋翼轉速為(wei) 每分鍾2400轉以上。由於(yu) 火星與(yu) 地球距離逐漸增加，信號延遲達到12分鍾，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分鍾，最大飛行高度不超過5米，距離不超過300米。從(cong) 這些限製條件看，機智是一次技術演示性試飛，不具備科學觀測能力。

　　火星上起飛環境惡劣

　　既然是技術演示，那麽(me) 到底什麽(me) 樣的氣動設計才適合在火星上飛行？這需要我們(men) 先看看火星的飛行環境。

　　火星上的大氣密度隻有地球的1%左右，且火星的引力場隻有地球的38%，采用傳(chuan) 統的方法肯定是無法在火星上飛行。機智號的旋翼轉速達到了2400轉每分鍾，這個(ge) 速度是地球上直升機旋翼轉速的8倍以上。由於(yu) 火星大氣非常稀薄，機智號隻能提高旋翼的旋轉來獲得足夠的升力。機智號工作的火星表麵，其環境大致相當於(yu) 地球上3萬(wan) 米的高度，遠遠超出了傳(chuan) 統直升機的飛行高度範圍。而且，火星表麵的溫度可低至零下90攝氏度，機智號還需要做好保溫工作，防止設備被凍壞。

　　機智號在火星表麵上方數米位置懸停 圖源：NASA

　　一般情況下，直升機升限在數千米不等，目前最高的數據，是1972年法國直升機創造的1.2萬(wan) 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(wan) 米。但不得不說的是，火星上的起飛環境是相當惡劣的，因此機智號不僅(jin) 要在地球上3萬(wan) 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旋翼設計。

　　旋翼設計是亮點

　　為(wei) 了應對火星表麵環境和便於(yu) 部署，NASA在機智號上采用了共軸反轉旋翼設計，同時使用電動機驅動。這也是馬斯克大力發展電動車的原因之一。因為(wei) 火星上沒有石油，隻能使用電動車作為(wei) 火星定居點的交通工具。旋翼係統使用4片由碳纖維特殊材料製造的槳葉，旋翼直徑為(wei) 1.2米，上下旋翼旋轉方向相反，抵消了扭矩。

　　機智號直升機的大小，旋翼直徑大約1.2米，使用共軸反轉設計 圖源：NASA

　　共軸反轉旋翼的側(ce) 視圖，上下旋翼通過反向轉動抵消扭矩

　　圖源：SPACE.COM

　　使用共軸反轉旋翼設計的優(you) 點有這麽(me) 幾個(ge) 。第一，簡化了直升機的結構，尤其是複雜的尾槳傳(chuan) 動機構，有利於(yu) 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構，旋翼直徑可能要達到1.7米。旋翼直徑的增加會(hui) 導致機智號變得更加龐大，不容易塞到毅力號的肚子下麵；第二，共軸反轉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旋翼直升機，比如俄羅斯卡莫夫設計局的多種產(chan) 品等。如果使用大疆式無人機采用的四旋翼十字對稱結構，就喪(sang) 失了未來發展出可載人的火星直升機的能力。第三，共軸反轉旋翼具備較好的抗側(ce) 風性能，懸停效率較高，可對抗火星上可能出現的陣風。

　　共軸反轉直升機的傳(chuan) 動裝置設計複雜 圖源：wiki

　　當然，共軸反轉旋翼也有不足的地方，機動性偏差一些，對發動機的設計要求較高，以及噪音較大。這些問題對於(yu) 火星探索而言，其實都不是主要限製因素。

　　綜上，根據機智號共軸反轉旋翼的設計，我們(men) 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(wei) 火星定居點之間的空中交通工具使用。

　　X2剛性共軸反轉直升機試飛畫麵，注意尾部還有一個(ge) 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(ti) 探索進入航空器時代

　　可載人的火星直升機應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，並且將航空器探索的方式推廣到其他天體(ti) 上，比如金星、土衛六上。使用固定翼飛機探索目標天體(ti) ，需要滿足一個(ge) 基本點：該天體(ti) 要有大氣結構，能夠形成升力，月球表麵接近真空，因此無法使用固定翼飛機。如果目標天體(ti) 有陸地表麵，可滿足航空器的起降，實現重複多次使用。由於(yu) 每個(ge) 天體(ti) 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(ti) 上不一定能飛得起來，基於(yu) 此，要想通過航空器探索地外天體(ti) ，需要進行針對性的研究和設計。

　　目前，NASA將主要精力集中在火星上，早在馮(feng) 布勞恩時代，NASA就提出開發有翼航空器將人類送到火星表麵。1970年代，NASA開發了Mini-嗅探器無人固定翼飛機，用於(yu) 火星高空取樣研究。2000年代初，NASA研發了區域性環境航空測量（ARES）火星飛機，計劃在距離火星表麵1.5公裏的高度釋放，使用肼為(wei) 燃料，可以每小時320公裏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、探測較大範圍的火星表麵，甚至可以為(wei) 火星未來的城際間載人航班打下基礎。綜上可以看出，在機智號之前，火星固定翼飛機就已經出現，隻不過受到安全性等方麵的因素影響，沒有成功部署。

　　2000年代初，NASA研發了區域性環境航空測量（ARES）火星飛機 圖源：NASA

　　火星飛行的技術挑戰

　　從(cong) 技術上看，要在火星上飛行，麵臨(lin) 的主要技術挑戰有四點。

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

　　第二，火星飛機的機身結構與(yu) 地球上的飛機有一定的區別，通常是非常規機身設計。ARES火星飛機就采用了帶有下反特征的機翼，並且將垂尾和平尾整合，與(yu) 我們(men) 通常所見的航空器氣動設計有較大的區別；

　　第三，需采用在機身上增加機翼折疊設計，以便收納到火星著陸器內(nei) 部，因此在放飛的時候需要自動展開，增加了係統的複雜性；

　　第四，需要使用非吸氣式發動機，機智號使用了電動機帶動螺旋槳，ARES飛機使用了化學燃料，畢竟火星的大氣稀薄，相當於(yu) 地球上3萬(wan) 米高度，不利於(yu) 吸氣式發動機工作。

　　綜上，機智號這次成功在火星表麵試飛，是NASA在過去數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(hui) 推廣到其他有大氣結構的行星、衛星上，對我們(men) 國家而言，也應該著手研發，提前做好積累相關(guan) 技術，為(wei) 今後探索火星奠定基礎。

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