人類第一架前往其他星球的直升機，小敘2020火星車攜帶的小傢伙

今年奔赴火星的三個探測器之一，美國NASA的2020火星飛行任務的一個很吸引眼球的特點是，它將攜帶一架小型無人直升機，在今年7月正式出發飛往火星。從公眾輿論的角度來看，這是一個很有吸引力的點，因為這是開創先例，人造航空器終於也要在其他星球飛行了！

製作完成等待安裝到火星車上的無人直升機

創新點讓大眾有了更多新鮮感，而不是過去那些不明覺厲的先進儀器設備和任務目的，無人機近年在生活的普及，也讓普通人對無人機有了一定的熟悉感，對於吸引大眾關注與支持來說，在探火任務帶上一架小無人機的確很不錯。但好玩的是頗受大眾支持的小直升機，在科學界並沒有引起多大的反響，反而2020火星車項目組強烈反對將小直升機納入任務範圍內，因為增加系統複雜度，風險太大了。

不過木已成舟，火星車項目組反對無效，設計方案已經確定，且這幾天火星車和軌道器已經造好，準備裝箱組裝等待七月的來臨。我們將有機會看到第一架直升機飛行在火星這顆荒涼星球的天空中。相較於2020火星車，這架小無人直升機非常的小巧，最重要的是它的重量很輕，不到1.8公斤。相較於民用航拍無人機，1.8公斤的探火無人機要複雜的多；不過相同點是它們的聲音都不好聽，由於旋翼的尺寸小，火星無人直升機的噪聲非常尖銳，就像嗡嗡的昆蟲一樣，和大疆精靈無人機差不多。火星大氣比地球稀薄且富含二氧化碳，如果人能夠在沒有太空衣的情況下在火星的惡劣環境中活動，我們會發現這些小無人機在火星上的聲音更加安靜。

製作中的火星無人直升機

由於是為在火星上飛行而設計的，所以無法在地球大氣層中測試它。在地球的重力環境以及大氣密度下，旋翼會折斷，根本飛不起來。數十年來，各個航天局已經往火星地表發射了不少探測器，不過到現在人們也沒直接聽過火星上的聲音；18年在網上很火的火星風聲是位於&34;號內部用於氣象數據搜集的氣壓傳感器和位於探測器甲板上的地震測量儀數據間接處理出來的。好消息是過兩年我們將能直接聽到2020火星車錄到的火星風聲，因為它專門帶了一個麥克風，也許還可以聽到直升機的聲音。火星直升機平時會待在2020火星車的腹部，2020火星成為一個機動地直升機平臺；出於安全原因，在每次飛行之前，火星車將直升機放下後離開，等直升機完成飛行任務後再前往著陸點回收。但是火星車增加了直升機的存放和投放和回收職責，複雜度進一步提升；高風險是2020火星車項目組強烈反對的原因。

2020火星任務火星直升機（NASA / JPL）

火星是太陽系的巖石星球之一，火星重力僅是地球重力的38％，但在稀薄的大氣層飛行還是比較難的，直升機旋翼轉速要非常快才能提供所需的升力。在火星上飛行就像在地球上海拔三萬米飛行一樣；在這種環境下，NASA選擇了同時解決兩種困難的設計方案：一方面，將使用兩個共軸反轉的旋翼，兩個主旋翼的質量僅為35克，直徑達到1.21米，表面積比更大。另一方面，葉片的旋轉速度將達到每分鐘2800轉，大約是地球普通直升機的五倍。這種設計可以消除兩個旋翼的角動量，就像俄羅斯的卡莫夫家族直升機一樣，從而避免了增加尾旋翼的麻煩，航空愛好者對這個很熟悉了。

此外，上旋翼通過增加流過下旋翼的空氣流量而提高了下旋翼的工作效率。獲得更大的升力也不是轉速越快越好，還是要避免葉片的尖端超過火星上的音速，火星比地球上的音速要低，火星上約為230m/s。火星直升機的設計方案，2800轉的轉速旋翼尖端線速度是火星音速的76％。從技術上講，火星大氣層需要設計出非常低的雷諾數和非常高的馬赫數的空氣動力學特性，火星低重力環境也需要增加火星無人機起落架之間的距離，以免直升機著陸時側翻。

火星直升機的設備布局

火星直升機將能夠達到高達2m/s的垂直速度和高達0.5m/s的水平速度，能夠傾斜約15º。在半分鐘的跳躍飛行過程中，直升機將使用相機與雷射雷達實現自主導航，選擇落點。數據將通過2020火星車和軌道器轉發回地球，人類第一個在其他星球飛行的飛行器用的處理器沒準你也用過，火星直升機有兩臺小型計算機，其中一臺用於導航，配備四核高通驍龍801 2.26GHz處理器，另一臺負責飛行任務的計算機，使用ARM Cortex-R5微控制器。飛行控制軟體是用C ++語言編寫的。直升機由六個索尼生產的36 Wh小型鋰電池供電，頂部還有一個固定不轉動的太陽能電池板實現電能的自給自足。

安裝在火星車上的小無人直升機

因為沒有同位素加熱單元，每天最多只能進行一次飛行，因為除了飛行外，電池還將在夜間為直升機加熱。火星直升機將30％的電池電量用作備用，25％的電量用於飛行，其餘的用於保溫。火星夜間溫度可以低至零下100°C，但直升飛機電子設備在溫度低於零下15°C後將停止工作。飛行將在火星當地時間11點左右進行，在中午飛行以給電池充電，並且保持在3至10米之間的飛行高度，水平飛行約300米，每次飛行持續時間至少一分半鐘，但保守估計，在最初的幾周內它可能會飛行更長的時間。

NASA一直在嘗試在火星上派遣航空器。本世紀初，噴氣推進實驗室提出了一個類似於1997年的&34;的探測器，其中將包括一架小型直升機來探索著陸區，但該項目由於其高風險和缺乏科學興趣而被取消。在09年，在火星大氣投放一個雙尾撐固定翼無人機也很受關注，不過高風險與短暫的工作壽命，還是沒能落地。如果這次火星直升機取得成功，將來我們還會看到其他具有科學應用的直升機任務。NASA的Ames中心正在研究MSH（火星科學直升機），一個5到20公斤的六軸飛行器，每天可以飛行3公裡。之所以選擇六旋翼飛機而不是傳統的四旋翼飛機，是因為除非設計更大尺寸的，否則四個旋翼產生不了足夠的升力，隨之而來的風險是翼尖超過音速，風險過高。