本文來自微信公眾號：NASA愛好者，作者：Vger

近日，NASA在噴氣推進實驗室（JPL）完成了一項極具里程碑意義的測試：在模擬火星大氣的環(huán)境中，下一代火星直升機的旋翼葉片尖端速度成功突破音速，達到了馬赫1.08。

這一突破為后續(xù)性能更強的火星飛行器研發(fā)掃清了關(guān)鍵障礙，未來這類飛行器將能夠攜帶更重的科學探測設(shè)備與任務(wù)載荷，在火星開展更深入的低空探索工作。

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從“機智號”開創(chuàng)歷史到下一代能力升級

2021年4月19日，NASA的機智號火星直升機完成了人類歷史上首次地外天體動力受控飛行，徹底改寫了人類航天探索的歷史。不過機智號本身只是一項技術(shù)驗證樣機，并沒有搭載專門的科學探測儀器。

如今NASA已經(jīng)將目光投向了更遠的未來，最新推進的SkyFall項目以及其他在研的火星飛行器方案，都要求具備實際搭載能力：需要承載科學儀器、探測傳感器，甚至要為未來載人任務(wù)或機器人探測任務(wù)提供支持。而要實現(xiàn)這些目標，核心突破點就在于提升旋翼的性能上限。

NASA火星探測項目經(jīng)理Al Chen表示：“機智號已經(jīng)完成了非常出色的工作，但我們對下一代火星飛行器提出了更高要求。在火星飛行難度極大，因為火星大氣極其稀薄，密度僅相當于地球的1%，同時火星又存在不小的引力，想要獲得足夠升力是非常大的挑戰(zhàn)?！?/p>

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為什么一定要挑戰(zhàn)葉尖突破音速？

在地球上，想要提升旋翼的推力通常的做法是提高轉(zhuǎn)速或者增大旋翼直徑。但在火星環(huán)境下，工程師必須采用更激進的方案。

因為火星大氣密度極低，只有把旋翼葉片的尖端速度推到音速級別，才能產(chǎn)生足夠支撐飛行器飛行的升力。機智號在72次飛行任務(wù)中，始終將旋翼轉(zhuǎn)速控制在每分鐘2700轉(zhuǎn)以內(nèi)，葉片尖端速度也一直保持在馬赫0.7左右，這么做的目的就是避開音障附近難以預測的復雜空氣動力學現(xiàn)象。

噴氣推進實驗室的旋翼測試負責人Jaakko Karras幽默地說：“如果第一個突破音障的傳奇飛行員查克·耶格爾在這里，他一定會告訴你，馬赫1附近的氣流情況會變得非?！殴帧?。我們想要讓下一代火星飛行器擁有更強的性能，就必須驗證旋翼能夠在更高轉(zhuǎn)速下安全穩(wěn)定運行?！?/p>

值得一提的是，火星上的音速大約為每小時540英里，也就是約869公里每小時，比地球海平面的音速（大約每小時760英里）要低不少。

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嚴苛測試：在耐高壓的太空模擬艙內(nèi)完成挑戰(zhàn)

測試團隊將AeroVironment公司制造的三葉旋翼，安裝在噴氣推進實驗室著名的25英尺太空模擬艙當中。他們先抽出艙內(nèi)空氣，再充入適量二氧化碳來模擬火星的大氣環(huán)境，之后逐步提升旋翼轉(zhuǎn)速，同時用風扇制造迎風條件來模擬真實飛行場景。

為了避免意外發(fā)生，工程師還在艙內(nèi)的關(guān)鍵位置鋪設(shè)了金屬板做防護。測試過程中，旋翼轉(zhuǎn)速最高達到了每分鐘3750轉(zhuǎn)，葉片尖端速度先達到了馬赫0.98，之后在迎風條件下成功突破到馬赫1.08。

這次突破直接將火星飛行器的升力能力提升了30%，意味著未來的火星直升機可以攜帶更重的科學載荷、更大容量的電池，完成更遠距離、更復雜的探測任務(wù)。

在這之后，團隊還測試了尺寸稍長的SkyFall項目兩葉旋翼，僅需要每分鐘3570轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速就能達到相近的葉尖速度。NASA埃姆斯研究中心的空氣動力學家Shannah Withrow-Maser興奮地表示：“我們原本覺得能達到馬赫1.05就已經(jīng)很不錯了，沒想到最終沖到了馬赫1.08！目前我們還在深入分析測試數(shù)據(jù)，說不定旋翼還有更多性能潛力可以挖掘，這些下一代火星直升機未來一定會帶給我們很多驚喜?！?/p>

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未來展望：SkyFall任務(wù)即將啟程

SkyFall任務(wù)團隊已經(jīng)把本次測試得到的成果納入了項目的設(shè)計標準當中，該任務(wù)計劃在2028年12月向火星發(fā)射三架下一代火星直升機，延續(xù)機智號的傳奇，開啟火星低空探索的全新時代。

從完成人類首次地外天體動力飛行的壯舉，到如今突破音障的堅實一步，NASA正在一步步把科幻想象變成現(xiàn)實。未來，人類或許就能借助這些靈活的“空中偵察兵”，更深入地了解火星的地質(zhì)特征、氣候演化以及潛在的生命跡象，為后續(xù)載人登陸火星鋪平道路。

火星探索的腳步，從未停止。

參考資料

https://www.nasa.gov/solar-system/planets/mars/nasa-pushes-next-gen-mars-helicopter-rotor-blades-past-mach-1/