直升机真能在火星上飞吗？若成功，NASA载人火星探测计划将提速

　　上月底，在位于美国佛罗里达州大西洋海岸中部的卡纳维拉尔角空军基地，一艘巨大的阿特拉斯 V型运载火箭将＂火星2020探测器＂发射到了天空中，开始了这辆航天器为期7个月的太空之旅，其目的地就是那颗最为地球人所津津乐道的红色星球——火星。
　　对于现下而言，任何一次火星探测之旅都是引人注目的，这一次也不例外。尽管登陆火星本身就是一件颇具挑战性的事情，但是此次，＂火星2020探测器＂所携带的＂火星直升机＂更是人们关注的一大焦点。尽管这是一架很轻巧的飞行器——甚至于称之为＂航模＂都不为过——但是其意义是非凡的：如果它能够成功起飞，那么它将会是在地球之外腾空而起的第一架航空器。
　　▲一种早期的火星直升机设计方案概念
　　自从NASA真正开始进行地外行星的探测工作以来，在其他行星的大气层内进行飞行的想法就一直在NASA科学家的脑海中酝酿和发酵，从最初的大致概念到最终＂火星直升机＂的问世，其间经历了半个多世纪之久。事实上，在地外探索的早期阶段，科学技术远不如当下，这直接导致NASA的科学家们只能＂空想＂，而没有任何办法真正去尝试设计和测试。这种情况一直到过去的十多年来，才发生了改变。
　　可以说，先进材料和计算机技术以及自主飞行控制技术这三大关键技术的发展，使得NASA的科学家有了打造一种＂真正的地外航空器＂的底气。
　　▲正在进行测试的火星直升机
　　不过，话说到底，基础技术是有了，能不能真的飞起来还是另外一回事，NASA科学家还面临着最后一层，也是最重大的障碍：火星大气密度极其稀薄，从量化的指标来看，其平均空气密度仅有地球大气层密度的1％，要在这种密度下实现飞行，大概就相当于在地球上海拔3万多米的高空飞行。这意味着在火星的表面，几乎没有空气可以产生足够的升力来托举起一架航空器实现飞行。
　　越大的挑战反倒越能激发某些热衷于挑战的科学家们的兴趣，但是他们在早期似乎走错了方向。如果考虑到世界上第一架真正能够飞行的固定翼飞机要比直升机早出现三十多年的话，你可能不难理解为什么NASA的科学家们一开始会把全部的注意力都放在固定翼飞机这一类航空器上。
　　但是当他们无数次建立又推翻自己的设计方案之后，忽然在某个时刻，某位科学家突然＂灵光一闪＂，抛出了这样一个＂突破性的观点：
　　＂好吧，为什么我们不试试直升机呢？＂
　　当然，最开始没有人特别认真对待这个想法，如果空气动力学特性简洁明了的固定翼飞机都不行的话，凭什么结构复杂的直升机会真的有效呢？就火星的大气密度，真的能够让一架直升机获得足够的升力？
　　但是，有一部分听到这个＂异想天开＂的想法的NASA科学家们很快就动手进行了几个经验公式化的快速计算，然后他们得出了一个＂惊人＂的结果：尽管只是勉强达标，但似乎一架特别制作的直升机真的能够从火星大气中飞起来。
　　▲＂火星直升机＂在火星表面飞行的艺术渲染图
　　随着NASA团队对＂火星直升机＂概念的探索逐渐深入，他们也渐渐认识到这确实是一个非常可行的想法。为此，他们开始考虑各种各样的设计，包括类似于大疆无人机的四轴飞行器和其他几种多旋翼飞行器，以及更常规的单旋翼带尾桨构型的直升机。
　　然而在最终的设计采取了配备有共轴反转双旋翼设计的直升机，这种共轴主旋翼设计的直升机最常见于苏联（俄罗斯）卡莫夫设计局的作品中，其中两副旋翼上下安装在同一根主轴上，转向相反，以此来平衡两者之间的反扭矩。
　　这架共轴构型的＂火星直升机＂高约49公分，重量不到1.8公斤，可谓相当轻巧，NASA科学家们将其命名为＂机灵＂（Ingenuity）。麻雀虽小，五脏俱全，尽管＂机灵＂个头很小，不过仍然是一架实实在在的无人直升机，各种机载设备一应俱全，能够耐受火星上的恶劣自然环境，且其主旋翼设计能够在火星超稀薄的大气层中运转，为其自身提供足够的升力。
　　▲＂机灵＂直升机顶部装备有太阳能电池板，能够为该机的电池提供续航能力
　　在NASA团队设计＂火星直升机＂的时候，他们最关注的第一个点就是如何设计一架尺寸最小、重量最轻的直升机，在这个点上，最重要的就是复合材料的选择和结构布局的设计，在此基础之上，科学家们才能最终确定＂机灵＂的旋翼尺寸。
　　除此之外，NASA团队还需要考虑如何将这架直升机与＂火星2020探测车＂结合起来，这辆被命名为＂毅力＂（Perseverance）的探测车是美国执行2020年火星探测计划的主力装备，它将在火星上搜寻是否存在远古生命的证据，并收集岩石和土壤样本，并在最后的任务中返回地球。
　　▲＂毅力＂探测车和＂机灵＂直升机的合影，从图中也可以看出其尺寸量级上的区别轻巧但出色的设计
　　▲测试中的火星直升机
　　为了将＂机灵＂直升机设计得尽可能轻巧，NASA的工程师们在设计中大量采用了复合材料设计，比如说其旋翼桨叶的材料采用了碳纤维泡沫芯。除此之外，他们在选择先进的微型计算机和航空电子元器件的时候考虑了很多＂外部承包商＂的产品。这些紧凑、轻便的电子元件基本上是不可能在NASA以往的航天器上看到的，但是为了尽可能降低＂火星直升机＂的重量，NASA的工程师们可以说也是＂别无选择＂。
　　▲观察火星直升机模型的旋翼桨叶设计，可以看出其桨叶外形和地球上的常规直升机有很大的差异
　　当然，在火星这种稀薄程度的大气层环境下，一架直升机显然不能只靠降低自身的重量就能够离开地面。＂机灵＂的另一项关键设计就是它的旋翼系统，我们知道，地球上直升机主旋翼的转速通常在每分钟400~500之间，但是＂机灵＂的旋翼转速达到了每分钟2800~3000转，几乎与地球上常规单旋翼带尾桨直升机上尾桨的转速相当。
　　此外，＂机灵＂的旋翼桨叶也采用了特殊的外形设计和低雷诺数翼型。这么说吧，如果你看到过直升机的桨叶，你就会发现＂火星直升机＂桨叶和你看到的所有直升机桨叶都不太相同，其桨叶更接近于一种厚厚的锥形，在桨叶根部，其展弦比大概是常规直升机的四倍之高，所以会显得＂胖胖的＂。
　　在＂火星直升机＂的桨叶设计中，还有一个需要考虑的重要因素就是其刚度。因为火星大气层的密度特别低，这样就意味着空气的阻力没有那么大，较低的气动阻力带来的另一个问题就是桨叶会存在较高的振动水平，为了降低这个振动程度，桨叶的刚度势必要设计得比较高。
　　▲科学家在实验室中模拟了火星的环境，然后对直升机进行了测试
　　而在高转速下，这种新型桨叶也能够产生更大的升力。如何在地球上验证一架＂火星直升机＂？
　　在搞清楚机理之后，设计一架＂火星直升机＂并将其打造出来对于现阶段NASA来说，并不算是一项多么有挑战性的工作，但是，要在地球上测试并验证这架直升机＂真的能在火星大气中飞起来＂是真正具有挑战的一项内容——NASA的科学家们需要找到一种方面来在试验室中复现火星上的独特环境。
　　NASA团队最后在位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室进行了测试，实验室是一座被称为＂25英尺空间模拟器＂的设施，这个圆柱形的设施目前已经接近其60岁生日了，但是＂老当益壮＂，在这里，工程师可以测试一些极端的空间条件，当然也可以模拟火星的环境。
　　▲NASA的科学家正在实验室中布置＂火星直升机＂，以便展开测试工作
　　该设施的空气可以被抽出来，其他各种气体都被泵进去，其温度可以从零下195摄氏度到93摄氏度之间进行变化，打光设备可以朝着任何正在测试的东西上面照射强光，从而复现那些没有类似地球大气层保护的星球上面的太阳辐射环境。多年来，各种各样的宇宙飞船和地外探测器都在这个设施中进行过测试，包括旅行者号、好奇号和毅力号。
　　▲在测试中的＂机灵＂火星直升机
　　从尺寸上来说，这个设施的直径略大于25英尺（1英尺≈0.3米，下同），高度约85英尺，也非常适合这种小型直升机的飞行测试工作。通过温度控制，该设施完全可以模拟出火星巨大的温度变化情况，比如说在夏季正午的15~21摄氏度的环境以及在冬季午夜的-107摄氏度的超低温。同时，该设施还有一面墙上布置了风扇阵列，可以复现火星上时不时可能出现的横风对飞行的影响。
　　尽管该设施能够模拟大部分火星表面的实际环境，但是有一个点是无法模拟的，那就是火星的重力。考虑到火星的引力只有地球1/3左右，NASA团队最后采用了一种折中的办法，就是从天花板上垂下来一根绳子，一头挂住直升机，另一头安装了一个平衡物，由此来模拟实际的火星重力。
　　▲NASA的科学家们在实验室中对＂机灵＂直升机进行测试工作
　　2014年的时候，NASA制造出了第一架火星直升机原型机，那架原型机比现在的＂机灵＂还要更小，而且还没有安装自主飞行系统，而是由操纵人员在实验室之间进行遥控操纵。试验结束之后，NASA团队得出了一个重要结论：在他们的努力之下，这种＂火星直升机＂方案已经能够产生他们所需要的升力水平，但是在模拟的火星环境下，这种飞行器的操纵非常非常困难。
　　▲图中所示为＂机灵＂火星直升机的保护壳，在完好登陆火星之后，该壳就会自动脱落被弃置
　　在这种情况下，2016年，NASA团队研制出了第二架原型机，这一次，该机配备了较为完善的微型计算机和飞行控制系统，其自主飞行能力有了一定的提升，至少能够实现特定条件下的自主悬停。两年后，NASA的第三架原型机诞生，这一次，其飞行控制系统更加完善，基本已经能在实验室环境中完成试验团队所要求的自主飞行项目了。一点总结
　　就现在来说，NASA最感兴趣的那些火星地形——陡峭的悬崖、奇形怪状的洞穴和岩石坑洼——很多都不能靠凭轮子在地面移动的探测车来到达。所以他们需要一种飞行器来对这些地点进行探索，仅从科研的角度来说，这些探索很有可能对了解火星的历史大有裨益。
　　▲装有＂毅力＂探测车和＂机灵＂火星直升机的太空舱被放置在阿特拉斯5号运载火箭整流罩内
　　当然，截至目前，NASA团队的所有工作都是在实验室完成的，一架独特的专用无人直升机到底是否能够在顺利登陆火星表面、顺利起飞并顺利按照设计团队的构想在火星表面的独特环境中实现自主飞行都还是未知数。
　　▲登陆火星之后，＂毅力＂探测车将会驶离＂机灵＂直升机一段距离，以便其开机起飞
　　一旦＂机灵＂的所有科目都能顺利完成的话，大号的＂机灵＂2代直升机很有可能将会在下个合适的机会登陆火星，为进一步展开科学探索打下基础，并且，按照NASA的构想，他们甚至已经开始构思有人火星探测器的研发工作：想象一下，一架无人直升机将为载着宇航员的地面探测车进行侦察和路线规划和行程管理，以使其能够在火星表面安全展开探索工作的场景吧，而这项工作很可能会在后半个世纪正式展开。