本月底飛向火星，地球以外的第一架航空器將會是直升機而非飛機

「即將到來」的地外航空器首飛

1972年6月12日，伊斯特爾機場，法國宇航公司的首席試飛員讓·布勒特駕駛該公司的第一架SA 315型直升機爬升到了海拔12442米的高空，創下了直升機飛行海拔的世界紀錄。有意思的是，NASA（美國國家航空航天局）計劃在大概一年之內，在「這個世界記錄2.5倍的高海拔空域環境下」飛一飛其研製的一型電動直升機。

▲SA 315直升機是一型法印合作的輕型直升機，專門針對高原性能進行了優化設計

對於專注直升機或者軍事科技領域的讀者朋友，讀到這兒，想必已經知道這架直升機的來歷了。沒錯，這架NASA出品的小型無人直升機正是以紅色星球——火星——為目標的一架旋翼類航空器，儘管它只需要在距離火星地面5米高處飛行，但是其氣動環境大致與咱們地球上海拔30480米處的氣動環境相當。

▲火星2020「漫遊者」探測車登陸火星的藝術渲染圖

這架火星無人直升機將會被摺疊起來然後安裝在NASA的「火星2020漫遊者」探測器上，該車長3米，寬2.7米，高2.13米，總重約為1025公斤。「漫遊者」計劃在本月月底發射，如果一切順利，將會在明年2月18日登陸火星，所以說，火星直升機將會經歷7個月左右的太空旅程。

火星直升機項目主要是由NASA的「噴氣推進實驗室」負責的，此次無人直升機登陸火星對他們來說主要還是一次技術上的演示驗證——他們希望知道如此設計的旋翼類飛行器是否真的能夠在這顆紅色星球上面飛行。如果此次測試時成功的話，那麼NASA勢必會藉助此次研製的經驗和試飛的數據來打造一架更大的火星直升機，以便搭載各種科學儀器來推進火星探測工作。

▲火星直升機設計團隊正在安裝該機的旋翼系統測試設備

火星的大氣層（95%）與地球有著極大的區別，其密度大約只有地球的1%，這就使得基於氣動飛行的航空器在火星上飛行極其困難。正如前文所述，火星上飛行五米高度的空氣密度大概就相當於地球上3萬米高空的空氣密度，還有一個問題是火星上幾乎沒有空氣流動，這也是火星直升機旋翼設計轉速高達2800RPM（常規直升機的5~10倍）的幾個原因。

▲火星的大氣層和地球的大氣層可謂是天差地別

可以說，要在火星這種大氣環境下飛直升機，可比布勒特把SA 315飛到萬米高空要難得多，那到底是什麼給了NASA的研究人員設計這樣一種直升機的信心呢？答案就是：重力。

儘管火星的大氣密度遠低於地球，但同時，火星的重力也比地球上小得多，定量來說，火星上的重力大概只有地球上的38%。在地球這種程度的引力條件下，一架直升機要想飛到3萬米高空無異於天方夜譚，但是由於火星的引力比較小，這方面的表現可能還要好一些。

面向實際問題，火星直升機設計概述

就尺寸而言，NASA火星直升機的大小和上世紀30年代美國航空發明家阿瑟·楊開發設計的遙控直升機差不多，楊在上世紀40年代初向貝爾公司的負責人演示了他的發明創造，由此拉開了他在貝爾公司創造直升機的傳奇故事的序幕，後人評價這段歷史都認為阿瑟·楊在貝爾直升機公司發展歷程中的作用幾乎比肩貝爾本人。

▲阿瑟·楊和他的遙控直升機

言歸正傳，NASA希望這架小型無人直升機也想阿瑟·楊一樣創造歷史，不同的是，這段新的歷史將會在火星上創造。火星直升機的旋翼直徑為1.19米，由AeroVironment公司所製造，槳葉採用了泡沫填充芯和複合材料蒙皮，並具有獨特的扭轉和弦長（最寬處高達150毫米）設計。影響槳葉外形設計的關鍵參數之一就是火星大氣的雷諾數，雷諾數表徵的是在流體中運動的物體慣性力與粘性力的比值，火星直升機的作業環境基本都是「低雷諾數區域」，所以其槳葉外形也要針對進行專門的優化設計。

▲正在接受測試的火星直升機旋翼槳葉

作為總師單位，NASA「噴氣推進實驗室」主要進行的工作是設計了火星直升機的「大腦」。其中包括用於飛行器操縱和控制的四臺微型計算機，此外還有微機電陀螺儀、微機電加速度計、用於視覺導航的基於照相機的「感知系統」和雷射高度計。

▲火星直升機部件示意圖

四臺微型計算機中間的一臺主要執行底層任務，就是控制另外的三臺微型計算機和其他航電設備；另外兩臺微型計算機需要負責的就是「自動駕駛級別」的操縱任務；第四臺微型計算機性能相當於當下的旗艦級智慧型手機，主要負責更高級別的導航和自主飛行任務。

▲在模擬火星環境試驗中的火星直升機

火星直升機的動力輸入通過六塊索尼VTC4鋰離子電池來實現的，每塊電池的尺寸與AA鹼性電池相當，裝在一套電池組中，並連接到太陽能充電板上，以便能夠自行充電。

在火星表面工作還存在一個隱患就是「低溫」的問題。由於火星表面的大氣層極其稀薄，所以其熱量很容易耗散，火星表面的溫度一般會介於零下143℃到22℃之間。所以，火星直升機的電池組和機身都採用了隔熱措施，前者主要通過一層二氧化碳氣體實現絕緣隔熱，後者主要通過隔熱膜包覆來隔熱。當然，火星直升機本身也已經通過了NASA的一系列低溫測試。

▲研究人員正在監測火星直升機的測試數據

除了面對火星的惡劣環境之外，火星直升機其實還面臨另一項挑戰——那就是他必須要在長達7個月的太空旅行中「倖存」下來，從這個角度來說，火星直升機不僅僅是傳統意義上的航空器，更是一架需要穿越太空的太空飛行器。火星直升機將會面臨發射振動、發射重力等問題，最後進入到火星大氣層之後著陸階段也會面臨一系列的外力作用，火星直升機結構強度設計必須要能夠通過這所有的「考驗」。

▲一名工作人員正在將火星直升機安裝到「漫遊者」的腹部

為了保護火星直升機，研究人員還為其打造了一副複合材料外殼，這種外殼能夠在發射階段、太空旅行階段和著陸階段保護火星直升機。不過在完成著陸之後，這套外殼將會被直接拋棄，「火星2020漫遊者」將會在規定的著陸點著陸，然後通過機械臂調整火星直升機的方向使其保持豎直，在確保火星直升機的四條支撐臂展開之後，「漫遊者」就會鬆開機械鎖扣，使火星直升機從高約15公分的地方「墜落」到地面。完成這一系列操作之後，「漫遊者」將會開到安全距離，從而留出足夠的空間讓火星直升機起飛。

▲四個支撐臂展開著陸狀態的火星直升機藝術渲染圖

一旦起飛成功，火星直升機就將成為地球以外第一架飛起來的航空器。

「必須可靠」的自主飛行能力

▲在火星上執行任務的火星直升機藝術渲染圖

地球上各個點到火星的距離各不相同，不過平均值為2.25億公裡，這麼遠的距離意味著一次從地球到火星的信號傳遞（經過多種中轉站轉接）過程可能需要耗時五到二十分鐘的時間。在這種時長尺度上，科學家等於「無法操縱任何東西」，因為如果要實現遙控操縱的話，那麼你在地球上按下按鈕，至少需要等上十分鐘，你才能得到一個反饋，問題是，在你收到反饋的時候，實際情況可能已經發生了變化。

這就意味著：火星直升機必須要具備完全可靠的自主飛行能力。

▲飛行中的火星直升機藝術渲染圖

為此，火星直升機的飛控系統將會執行「預編程」的命令來飛向科學家所要求其飛到的目的地。這些預編程的數據將會從地球上發送出去，並通過空間中繼站轉發給火星直升機。這些輸入到火星直升機的微型計算機內之後，就會按要求分配給該機的「感知系統」——包括陀螺儀、加速度計、照相機和雷射高度計——來完成科學家所要求的飛行任務。

▲自帶的太陽能電池板能確保火星直升機有足夠的電力完成任務

從操縱結構的機械原理來說，火星直升機的操縱機構和常規直升機沒什麼太大的區別，都是通過自動傾斜器來實現的總距操縱和周期變距操縱——通過總距操縱，就可以實現火星直升機的上升或者下降；通過周期變距操縱則可以火星直升機的俯仰或者滾轉運動，從而使其能夠實現前後、左右的移動。

當然所有的這些操作本質上都是通過微型計算機本身來處理實現的，科學家所需要給定的只是一個XYZ坐標點而已，這也裡說下了航空器和地面探測車的不同：對於「漫遊者」，科學家給的指令指令只是一個XY坐標點。這是二維和三維的差異，也是航空器作為一種新式探測器加入到太空探索開發的第一步。

▲飛行中的火星直升機藝術渲染圖

其實NASA也沒有指望首次探測工作就取得突破性的進展，他們對火星直升機的期望僅僅只是「五次飛行任務」而已。此外，由於火星直升機在火星上其旋翼性能勢必和其在地球上（試驗設施中）是有差別的，並且目前還無法實時測量火星上的風速，為了避免意外情況的發生，火星直升機每次飛行時間都會控制在90秒鐘之內，兩次飛行之間還需要兩到三天的時間來為直升機的電池充電。

自從上世紀70年代以來，NASA曾多次啟動火星航空器項目，但卻也多次停止，而這一次，也許是NASA最成功的一次，而且，這次的航空器是一架直升機，這也是我最感興趣的一個點。

一點總結

如果現在在火星上有一條鋪設完好、堅固可靠的混凝土跑道，那麼登陸這顆紅色星球的第一種航空器可能會是一架固定翼飛機，但顯然，我們不可能在對火星有足夠的認識之前，在其上面打造出這樣一條跑道來。

換個方向來說，我們也不會派遣一架固定翼飛機去營救被困在珠穆朗瑪峰上的探險家、也不會派遣一架飛機去近距離巡查某個山區的電力線纜故障，隨著航空業的發展，直升機愈發凸顯出其在現代社會中獨特的作用和地位。

▲火星直升機與漫遊者登陸火星藝術渲染圖

也許，火星會是直升機大放異彩的另一個舞臺。