解讀美國首架火星直升機：共軸反轉旋翼，源於中國1800年前竹蜻蜓

7月30日發射的美國宇航局毅力號火星車攜帶了人類首架火星航空器：Ingenuity直升機，在火星表面的飛行環境相當於3萬米高度的大氣，這是目前地球上直升機飛行高度的2倍以上。科比所乘坐的西科斯基S-76直升機升限為4500米，Ingenuity直升機理論上能夠在3萬米高度進行飛行。該直升機採用的共軸反轉旋翼技術是旋翼技術的一種，後者源於中國1800年前竹蜻蜓。

出品：太空伊卡洛斯

7月30日，美國宇航局第5輛火星車毅力號即將升空，這次搭載的載荷與2011年發射的好奇號相似，就是一輛火星車，質量為1噸左右，採用鈽-238放射性核材料作為動力來源，可持續運行數十年之久。毅力號火星車這次降落的方式與好奇號也是一樣的，使用自帶8臺反推發動機的火星著落裝置，通過纜繩將毅力號放在火星表面。這套流程在好奇號上已經實現，從難度上說不算冒險，毅力的降落地點是傑澤羅撞擊坑，直徑大約45公裡，這裡在數十億年前曾經是三角洲，擁有河流衝刷過的地貌，與地球上的三角洲非常相似。

毅力號與好奇號火星車基本相當，儀器上有新增，以尋找火星生命為主，還帶了採集樣本收集裝置，以供未來火星任務時索取後返回地球。筆者認為，毅力號最大的亮點應該是攜帶了一架直升機，今天我們就來說說這架直升機。

圖註：傑澤羅撞擊坑，直徑大約45公裡，這裡有三角洲地貌，存在微生物遺蹟的可能性也越大

圖註：傑澤羅撞擊坑周圍懸崖示意圖，毅力號降落的難度還是有點大，如果降落到懸崖上，那基本就報銷了

圖註：毅力號火星車全貌

首架可在火星表面起飛的航空器

這架直升機命名為Ingenuity，中文名為「創造力」，寓意是在火星表面首創使用航空器，也是人類首次在地球之外使用航空器。這架直升機的尺寸很小，螺旋槳直徑為1.2米，機高0.8米，旋翼直徑超出機身儀器艙長度。整體結構為一副共軸反轉的螺旋槳、4個支架式起落支撐裝置、14釐米邊長的儀器艙，頂部有一個太陽能電池板，可提供350瓦功率。總質量為1.8公斤，共軸螺旋槳轉速為每分鐘2400轉，槳尖速度小於0.7馬赫，最大飛行距離為300米，無線電控制範圍為1公裡，最大飛行高度僅為5米，最大水平飛行速度為每秒10米，垂直速度為每秒3米。從這個數據看，這儼然像是一架無人機的標準。但是，正是因為這架直升機要求火星表面上飛行，我們所看到的這些數據僅僅是表象，如果我們看看火星表面的環境就知道，Ingenuity直升機飛行環境其實是相當惡劣的。

圖註：火星直升機起飛的想像圖，這架直升機的尺寸很小，螺旋槳直徑為1.2米，機高0.8米，旋翼直徑超出機身儀器艙長度。

火星表面的溫度區間為零下90攝氏度，有些地區還會更冷，大氣壓力僅為地球的1%，這對於航空器而言是個災難。飛機起飛的原理是依靠機翼上下表面的壓力差獲得升力，火星大氣密度極低，說明其飛行環境非常惡劣。同時，火星的引力只有地球的三分之一，這對降落、懸停提出了更高的要求。綜合評判，Ingenuity直升機在火星表面的飛行環境相當於3萬米高度的大氣，這是目前地球上直升機飛行高度的2倍以上。我們以黑鷹直升機為例，升限為5700米，科比所乘坐的西科斯基S-76直升機升限為4500米，Ingenuity直升機理論上能夠在3萬米高度進行飛行。

每次起飛到著落，持續時間僅為90秒，這是因為Ingenuity直升機的總功率只有350瓦，全靠太陽能電池提供電量，電池板安裝在直升機最頂端。設備艙內只有導航裝置、高解析度彩色成像儀，沒有其他科學儀器，鋰離子電池可為直升機蓄電，在火星的夜晚為成像儀提供熱量。

圖註：火星Ingenuity直升機摺疊起來的樣子，收納在火星車底部

圖註：正在製造中的Ingenuity直升機，可以看出其大小相當於一輛小孩的自行車

每分鐘2800轉的旋翼速度也比地球上直升機旋翼速度快10倍，一般情況下，10噸級這樣的常規直升機旋翼每分鐘的轉速為300至400轉，無人直升機可達到上千轉不等，這是因為重量更大的直升機受到槳尖線速度的限制，線速度要控制在每秒180至220米之間，低於0.6倍音速。如果槳尖速度太大，那麼會導致失速，並非旋翼轉得越快，速度或者升力也越大。Ingenuity直升機之所以能夠達到每分鐘2400轉，除了使用碳纖維材料外，火星上的大氣稀薄是最大的因素，稀薄的大氣需要更快的轉速才能獲得升力。

圖註：Ingenuity直升機放置在火星車底部

共軸反轉技術

共軸反轉技術是直升機旋翼結構的一種，最早可追溯到我國古代民間玩具竹蜻蜓。我們知道竹蜻蜓的結構為旋翼、中軸杆兩個，玩的時候要用力搓動杆，旋翼就可以旋轉了，旋翼產生了升力，就飛了起來。中國的竹蜻蜓出現的時間可追溯到1800年前，比歐洲要早得多。共軸反轉技術就在竹蜻蜓上又增加了一副旋翼，形成雙旋翼，但技術原理與竹蜻蜓是一致的。一直到1754年，俄羅斯科學家羅蒙諾索夫設計出世界上第一種共軸雙旋翼飛行器，實現了該設計的機械化進程。到了1861年，法國、英國開始利用小型蒸汽機為動力，研發出由三個齒輪轉動的共軸雙旋翼直升機。

圖註：共軸反轉技術屬於旋翼技術的一種，後者源於我國1800多年前出現的竹蜻蜓

英國在1909年就研發使用共軸反轉的渦輪螺旋槳發動機，安裝在著名的噴火戰鬥機上。在冷戰時期，蘇俄獲得了強勁的發展速度。1950年代，蘇俄也開發了NK12渦輪螺旋槳發動機，採用了共軸反轉技術。目前這款發動機仍然是世界上推力最大的渦輪螺旋槳發動機，保持世界第一的位置半個世紀之久，可見蘇俄在這方面的技術已經達到了黑科技的程度。直升機方面，卡莫夫設計局在1947年開始研製共軸反轉螺旋槳技術，目前成熟的型號諸如Ka-27、Ka-52、Ka-50、Ka-137等，都是共軸反轉的經典產品。從1945年開始，蘇聯奠定了共軸式直升機領域不可撼動的地位。

圖註：共軸反轉示意圖，上下旋翼的旋轉方向是不一致的，這樣可以抵消力矩

圖註：從側面看共軸反轉旋翼，上下旋翼通過鉸鏈整合在一起

為了簡化直升機的結構，美國宇航局在第一種火星直升機上採用了共軸反轉設計，我們看到Ingenuity直升機上有上下兩副旋翼，共用一個旋轉軸。上下旋翼的旋轉方向是相反的，這樣可以抵消力矩，讓直升機獲得平衡。傳統的直升機氣動結構是單旋翼加一個尾槳，用尾槳產生的側向推力平衡主旋翼產生的扭矩。這種氣動有個弊端，在主旋翼與尾槳之間有一個傳動軸，這就增加了系統的複雜性和質量。採用共軸反轉設計，大大降低了Ingenuity直升機自身的質量。

圖註：卡莫夫設計局使用的共軸反轉旋翼，鉸鏈結構比較簡單，減輕了結構重量

圖註：卡莫夫設計局的KA52直升機，尾槳被取消，懸停穩定性更好，但是大型載人的共軸雙旋翼技術無法直接應用到微小型直升機上

共軸反轉的優點

共軸反轉技術用在直升機上的優點在於結構緊湊、抗側風能力強、轉動慣量小、懸停效率高等。如果採用同樣重量的機身，使用共軸反轉技術的直升機旋翼半徑僅為單旋翼直升機的70%，整體佔地面積僅為單旋翼直升機的60%。由於沒有尾槳和傳動系統造成的功率損失，升力可比單旋翼直升機增加12%。

圖註：微小型直升機在低雷諾數的情況下，微小型直升機的流場與大型載人共軸直升機不同，空氣動力學特性也完全不同

圖註：只有手掌大的微小型直升機

從優點上說，Ingenuity直升機使用共軸反轉雙槳可提升飛行的穩定性，重心就位於傳動軸上，消除了尾槳之後，Ingenuity直升機就少了一個故障隱患：尾梁可發生形變引發傳動機構故障，導致直升機墜毀。根據卡莫夫設計局的經驗，採用共軸反轉的卡-27直升機在超低空懸停吊放聲吶時飛行員可以單手控制，而單旋翼直升機的飛行員就無法實現單手操作，另一隻手要控制尾槳。基於這些優勢，未來的火星直升機也會沿用共軸反轉雙旋翼布局，但是有一點需要注意：可載人的共軸反轉雙旋翼技術要應用到微型直升機領域，還有更大的難度，從專業角度看，可在火星上飛行的Ingenuity直升機應該定位為微小型共軸反轉雙旋翼直升機。

圖註：Ingenuity直升機的共軸技術使用了齒輪組，結構精巧，加工難度較大

圖註：Ingenuity直升機內部結構，載荷艙內是小型相機

共軸反轉的難點

共軸技術微型化會遇到各種各樣的問題，比如輕量化設計，需要足夠輕的材料。Ingenuity直升機使用了碳纖維複合材料，也只有這樣才能用最小的功率拉起直升機。Ingenuity直升機的動力為電機驅動，載荷艙內部還有一個蓄電池組，使用太陽能電池板供電，從技術角度看，Ingenuity直升機能夠起飛還需要高效的新能源驅動技術。最複雜的要數流場上的模型建立，大型載人的共軸雙旋翼直升機無法直接用於微小型共軸直升機，在低雷諾數的情況下，微小型直升機的流場與大型載人共軸直升機不同，空氣動力學特性也完全不同，需要重新設計和優化。

圖註：毅力號火星車與Ingenuity直升機

圖註：Ingenuity直升機起飛時的想像圖

Ingenuity直升機旋翼的揮舞頻次與直升機的操縱性和穩定性關係較大，在火星表面大氣密度僅為地球1%的情況下，要起飛這架直升機的難度就不言而喻了，大致可相當於在地球上3萬米高度的工作環境。如果一陣風吹來，Ingenuity直升機要保持足夠的穩定性，否則就會被大風吹得偏離航線，導致任務失敗。美國宇航局在Ingenuity直升機上採用共軸反轉技術，也說明其認可了這項技術。為了安全起見，當Ingenuity直升機起飛時，毅力號火星車需要撤退到90米之外，這是因為如果直升機起飛失敗，旋翼可能打到火星車上的設備，造成嚴重的後果。