直升机在地球起飞和在火星起飞有什么区别？机智号：这题我会!-

出品：科普中国
制作：川陀太空
监制：中国科学院计算机网络信息中心

美国东部时间4月19日凌晨，毅力号火星车携带的机智号直升机成功进行了首次试飞，这是人类历史上第一架能够在地外天体上进行飞行的航空器。

Mastcam-Z相机拍摄到的机智号直升机叶片旋转测试的画面

图源：NASA

航空器，是在大气层内进行可控飞行的飞行器。火星上大气层稀薄，且NASA赋予了机智号MarsHelicopter的称号，基于这两点，机智号应该被称为火星（无人）直升机。

从定义来看，机智号的意义可与莱特兄弟发明的飞机相媲美，后者作为地球上的第一架飞机，而机智号是火星上的第一架直升机，二者都属于航空器这个类目。

区域性环境航空测量（ARES）火星飞机的工作想象图，图源：NASA

根据NASA的数据显示，本次试飞最大高度为3米，悬停时间为30秒。算上起飞、降落的时间，机智号在火星大气中飞行时间共计39.1秒，旋翼转速为每分钟2400转以上。由于火星与地球距离逐渐增加，信号延迟达到12分钟，所以此次试飞是全程自动化。试飞计划进行5次，每次不超过3分钟，最大飞行高度不超过5米，距离不超过300米。从这些限制条件看，机智是一次技术演示性试飞，不具备科学观测能力。

火星上起飞环境恶劣

既然是技术演示，那么到底什么样的气动设计才适合在火星上飞行？这需要我们先看看火星的飞行环境。

火星上的大气密度只有地球的1%左右，且火星的引力场只有地球的38%，采用传统的方法肯定是无法在火星上飞行。机智号的旋翼转速达到了2400转每分钟，这个速度是地球上直升机旋翼转速的8倍以上。由于火星大气非常稀薄，机智号只能提高旋翼的旋转来获得足够的升力。机智号工作的火星表面，其环境大致相当于地球上3万米的高度，远远超出了传统直升机的飞行高度范围。而且，火星表面的温度可低至零下90摄氏度，机智号还需要做好保温工作，防止设备被冻坏。

机智号在火星表面上方数米位置悬停图源：NASA

一般情况下，直升机升限在数千米不等，目前最高的数据，是1972年法国直升机创造的1.2万米的升限记录。理论上说，机智号理论上能够飞行的高度可达3万米。但不得不说的是，火星上的起飞环境是相当恶劣的，因此机智号不仅要在地球上3万米高度飞行，同时还要安装到毅力号火星车下方，因此它采用了共轴反转旋翼设计。

旋翼设计是亮点

为了应对火星表面环境和便于部署，NASA在机智号上采用了共轴反转旋翼设计，同时使用电动机驱动。因为火星上没有石油，只能使用电动车作为火星定居点的交通工具。旋翼系统使用4片由碳纤维特殊材料制造的桨叶，旋翼直径为1.2米，上下旋翼旋转方向相反，抵消了扭矩。

机智号直升机的大小，旋翼直径大约1.2米，使用共轴反转设计图源：NASA

共轴反转旋翼的侧视图，上下旋翼通过反向转动抵消扭矩

图源：SPACE.COM

使用共轴反转旋翼设计的优点有这么几个。第一，简化了直升机的结构，尤其是复杂的尾桨传动机构，有利于折叠放置在火星车腹部，如果机智号使用单旋翼带尾桨的结构，旋翼直径可能要达到1.7米。旋翼直径的增加会导致机智号变得更加庞大，不容易塞到毅力号的肚子下面；第二，共轴反转旋翼将来能够衍生出载人型号，目前全球也有非常多的共轴反转旋翼直升机，比如俄罗斯卡莫夫设计局的多种产品等。如果使用大疆式无人机采用的四旋翼十字对称结构，就丧失了未来发展出可载人的火星直升机的能力。第三，共轴反转旋翼具备较好的抗侧风性能，悬停效率较高，可对抗火星上可能出现的阵风。

共轴反转直升机的传动装置设计复杂图源：wiki

当然，共轴反转旋翼也有不足的地方，机动性偏差一些，对发动机的设计要求较高，以及噪音较大。这些问题对于火星探索而言，其实都不是主要限制因素。

综上，根据机智号共轴反转旋翼的设计，我们可以看出一些NASA对火星移民计划提前进行的布局，比如可载人的直升机，作为火星定居点之间的空中交通工具使用。

X2刚性共轴反转直升机试飞画面，注意尾部还有一个推进器，

这种气动有可能被移植到未来的火星直升机上图源：NASA

天体探索进入航空器时代

可载人的火星直升机应该是比较遥远的目标，在下一阶段，NASA有可能进一步测试能够在火星上飞行的固定翼飞机，并且将航空器探索的方式推广到其他天体上，比如金星、土卫六上。使用固定翼飞机探索目标天体，需要满足一个基本点：该天体要有大气结构，能够形成升力，月球表面接近真空，因此无法使用固定翼飞机。如果目标天体有陆地表面，可满足航空器的起降，实现重复多次使用。由于每个天体的大气密度、引力场、温度都不一样，能在火星上飞的航空器在其他天体上不一定能飞得起来，基于此，要想通过航空器探索地外天体，需要进行针对性的研究和设计。

目前，NASA将主要精力集中在火星上，早在冯布劳恩时代，NASA就提出开发有翼航空器将人类送到火星表面。1970年代，NASA开发了Mini-嗅探器无人固定翼飞机，用于火星高空取样研究。2000年代初，NASA研发了区域性环境航空测量（ARES）火星飞机，计划在距离火星表面1.5公里的高度释放，使用肼为燃料，可以每小时320公里的飞行速度探索火星。相比较旋翼机而言，固定翼飞机的航程更远，一次飞行可巡弋、探测较大范围的火星表面，甚至可以为火星未来的城际间载人航班打下基础。综上可以看出，在机智号之前，火星固定翼飞机就已经出现，只不过受到安全性等方面的因素影响，没有成功部署。

2000年代初，NASA研发了区域性环境航空测量（ARES）火星飞机图源：NASA

火星飞行的技术挑战

从技术上看，要在火星上飞行，面临的主要技术挑战有四点。

第一，需要建立低雷诺数、高亚音速的空气动力学模型，才能满足在火星大气中飞行的需要；

第二，火星飞机的机身结构与地球上的飞机有一定的区别，通常是非常规机身设计。ARES火星飞机就采用了带有下反特征的机翼，并且将垂尾和平尾整合，与我们通常所见的航空器气动设计有较大的区别；

第三，需采用在机身上增加机翼折叠设计，以便收纳到火星着陆器内部，因此在放飞的时候需要自动展开，增加了系统的复杂性；

第四，需要使用非吸气式发动机，机智号使用了电动机带动螺旋桨，ARES飞机使用了化学燃料，毕竟火星的大气稀薄，相当于地球上3万米高度，不利于吸气式发动机工作。

综上，机智号这次成功在火星表面试飞，是NASA在过去数十年对火星航空器研究的成果，在未来一段时间，固定翼航空器也可能进入火星大气中试飞，这也是火星探索的一种趋势。同时，航空器探索方式也会推广到其他有大气结构的行星、卫星上，对我们国家而言，也应该着手研发，提前做好积累相关技术，为今后探索火星奠定基础。